2019年5月18日，在《智慧农业》编辑部举办的“2019智慧农业青年学术研讨会”上，国家农业智能装备工程技术研究中心董大明研究员就《水体污染的激光光谱探测方法——从传感器到智能仿生机器鱼》做了分享，以下是主要内容。

董大明研究员

科学仪器（测量与传感）代表了人类的科学技术水平。对科学来说是发现世界的钥匙，对工程来说是改造世界的工具。其中光学传感技术在测量技术上占有很大的比重，光学是物理学的重要分支，利用光的散射、吸收、干涉等作用机制，越来越多的精细指标可以被感知和探测。例如激光窃听，美国军方在十公里外，将两束相干激光打到房屋玻璃上，通过玻璃的微小位移造成的激光干涉，还原室内人交谈内容，这是FBI常用的监听手段。由于光与介质的作用可以反映目标的物理和化学性质，光学传感方法为环境的精细监测提供了可行之路。化学和光谱学技术在环境监测的各领域中互相有机结合，可以以更高的灵敏度探测环境中低剂量和难以检测的污染物种类。光学传感技术在农业环境的精细测量中具有巨大前景。

我们可以想象一下当一束激光打到水体中会发生什么物理变化与现象呢？这些物理现象背后存在着物理规律，通过对物理规律的研究和对现象灵活的观察就可以解决水体的水质和水标。

首先，第一种现象是光的散射。因为光有波粒二象性，光与水中粒子的碰撞就会发生散射现象。散射之一是弹性散射，即粒子与粒子发生弹性碰撞，动能没有发生改变，光的波长没有发生改变。如瑞利散射、米散射等，可以用来测量水体浊度。我们可以基于激光后向散射原理来研制浊度的传感器，运用小的LED激光器打到水体中，通过截面接受的散射，计量散射的强度，观察散射粒子在探测器表面的投影来计量水体的浊度。散射之二是拉曼散射。光波在被散射后频率发生变化的现象，此现象的发现也获得了1930年诺贝尔物理学奖。对于同一物质分子，随着入射光频率的改变，Raman线的频率也会改变，但Raman位移∆υ始终不变，因此Raman位移与入射光频率无关。它仅与物质分子的振动和转动能级有关，也就是说只与分子基态和激发态的能级有关。拉曼散射一个是正向的散射，一个是反向的散射。我们研制了基于智能手机的拉曼传感器——水体硝态氮，把小的激光发射器、光栅集成于手机内，用小的激光器诱导水体并接受光谱来测量水体硝态氮。

第二种现象是光致发光。激光打到水体上不仅仅会发生散射，还会诱导水体发生叶绿素荧光。光致发光包括“荧光、磷光、能级上转换发光”。光致发光之一是激光诱导荧光，其中农业上运用最多的是激光诱导荧光。水中叶绿素的荧光特征，可以用来探测叶绿素含量、藻类含量和藻类分类。光致发光之二是荧光淬灭，一些人工稳态荧光也可以用来实现水质监测。水中的氧分子对荧光有强烈的淬灭作用。因此，通过测量稳态荧光经过水后的强度/寿命，可以计算溶解氧。

第三种现象是光的吸收（选择性）。对于光谱学而言，特别是气体研究中运用最多的是光的吸收特性，但在水体中的研究较少，因为水体对大部分的红外光的吸收较强。水体的吸收运用朗伯－比尔定律，朗伯－比尔定律是光吸收的基本定律，它可表述为：当一束单色光穿过透明介质时，光强度的降低同入射光的强度、吸收介质的厚度、溶液的浓度成正比。根据该定律可以通过增加光程来提高灵敏度，通过倏逝波传感器来增加累积光程。比如，COD传感器可以通过紫外的宽波段响应，测量某一类物质的总吸收。

第四种现象是激光诱导击穿。我们通过“激光在水中聚焦、激光器入水（金属靶辅助）、液滴、液态-固态”四种方法运用于水体测量。怎么增强水体LIBS信号呢？我们的解决方式是第一个脉冲激发后，用第二个激光脉冲对等离子体云团二次加热，可以将谱线能量提升2个数量级。通过此方式可以测量水中重金属-150ppt、洗洁精残留与农药残留。

激光诱导击穿示意图

将上述的现象进行小结，一束激光可以与水体发生多种作用，通过巧妙地设计激光脉冲、光子计数方式、弱信号提取和解析方法，可以测量很多不同的水质参数。其特点就是快速（30s内）、无前处理、可远程。光散射应用于弹性散射－水体浊度、拉曼散射－硝酸盐含量。光致发光应用于LIF－藻类、荧光淬灭－溶解氧。光吸收应用于倏逝波－亚硝酸盐、紫外宽波段吸收－COD。激光击穿应用于重金属监测、通过机器学习分析分子。当激光远距离作用时，即相距几十米至几十公里，需结合光子计数器和特殊光学系统，可以实现微弱散射/吸收/荧光信号的提取。

接下来介绍一下激光光谱传感器平台——仿生机器鱼。

把激光器安装入仿生机器鱼中，借助仿生机器这个平台在水中可自由移动，可以监测某个区域的污染状态。第二代是十三五期间的水下无人机，搭载自主研制传感器（水温、溶解氧、叶绿素等）、商业化传感器，可以下潜至15m，自主巡游。我们还研制了仿生的机器人，其结构可以像鱼一样游动，即是鱼，也是传感器。鱼腹开放光腔，激光腔衰荡传感器，可以利用该机器进行水下声纳定位。仿生机器鱼结合了动力学系统、声纳定位系统、自主导航、自主寻污、高精度激光传感、鱼体和传感协同等技术。

董大明研究员与参会人员现场互动

专家简介

董大明， 1983年生，博士、研究员、博士生导师，国家优青、北京市杰青。2009年获中国科学院研究生院光学博士学位。长期从事红外与激光光谱技术在环境监测和农业中的应用研究。精通光电系统设计、光电检测技术、传感器设计与研制。2009年以前担任总装某型号项目主任设计师，研制的某仪器设备已量产并装备全军，为我国国防和安全事业做出了重要贡献。2009年以来，以红外与激光光谱学为理论，开展土壤、水质、气体等农业环境要素精细化监测方法研究。近5年来，以第一作者/通讯作者身份在PNAS、Chemical Communications、Analytical Chemistry、Environmental Science and Technology、Scientific Reports、Sensors等权威杂志发表SCI论文50余篇，获得授权专利40余项。在上述机理研究基础上开展仪器化实现方法研究，研制了传感器和监测设备原理样机30余种，经转化用于农业环境监测，有效提高了生产率和生态安全水平。先后入选北京市科技新星、北京市高创计划、北京市百千万人才工程等，并于2016年获得国家自然科学优秀青年基金资助；入选杰出青年农业科学家（中国目前有25位获奖者）；2015年、2017年、2018年三次获得北京市科学技术三等奖（分别排名第2、排名第1、排名第4），获得第二十届茅以升青年科技奖。