全息显微技术助力水质保护
时间：2021-01-30 07:51:56 来源：达达文档网 本文已影响 人 
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数字激光全息显微技术，能对水中的颗粒、藻类、浮游动物、原生动物、微生物等进行全息显微摄影、计数和分析，能够有效预测水华、赤潮等生物性水污染事件，为水质安全安上一道新的防线。
“近些年，水华、赤潮发生频率总体呈上升趋势。”广东省环境科学研究院专家指出，当前水环境保护工作得到前所未有的关注，但是由于监测技术的制约，对水华、赤潮的预测仍然比较滞后，无法提前作出应对。
让人欣喜的是，这种状况将有望得到改善。10月初，广州博冠光电科技股份有限公司（以下简称博冠光电）及其美国子公司BOSMA USA 联合加拿大Resolution Optics公司共同举办数字激光全息显微技术与应用国际研讨会，与会专家学者积极探索数字激光全息显微技术在饮用水源水质监测预警方面的应用。来自水利部、环境保护部、环境科学研究院、中科院水生所、中科院南海海洋研究所的专家均认为，该项技术将为水源生物污染防治提供全天候全方位的监测预警服务，可以提前对水华、蓝藻等生物性水污染事件发出预警，为水质安全增添一道防线。
探头之下，污染粒子纷纷现形
一个黑色的圆筒，一头插着电线连到电脑，另一头有一个小小的圆形孔，沉入水底之后，水中的各种生物经过圆孔时，它们的实时影像就显示在电脑屏幕上。通过研讨会现场展示的数字激光全息显微设备，记者清晰看到了椭圆形的浮游生物正在水中缓缓蠕动。
“与普通显微镜相比，激光全息显微技术没有任何镜头，其运用小孔成像的原理，避免了镜头污迹带来对成像质量的影响。”博冠光电董事长曾德祥介绍，数字激光全息显微镜是数字全息技术在显微领域的应用，也被称为全息显微术。与其他显微技术相比，数字激光全息显微镜并不直接记录被观测物体的图像，而是记录含有被观测物体波前信息的全息图。
“全息图是一种三维图像，它与传统的照片有很大的区别。传统的照片呈现的是真实的物理图像，而全息图则包含了被记录物体的尺寸、形状、亮度和对比度等信息。”曾德祥指出，全息图提供了“视差”，视差的存在使得观察者可以通过前后、左右和上下移动来观察图像的不同形象——就好像有个真实的物体在你眼前一样。
“随着工业化进程的快速发展，我国水污染问题日渐突出，如果得不到有效的监控和治理，污染问题将会严重威胁国民生产活动。”曾德祥介绍说，激光全息显微成像技术由加拿大达尔豪斯大学物理学教授Juergen博士首创，由于看到国内水污染防治的需求，同时鉴于对该技术运用的信心，广州博冠光电科技股份有限公司与加拿大Resolution Optics公司共同将该技术实现产业化，并且将其运用到水污染防治工作中来。
据博冠光电专家介绍，以该技术为基础研发生产的数字激光全息显微镜，可以应用于水环境微生物和泥沙等方面的监测，并可应用于光学元件表面检测。该设备的黑色圆筒里装有激光发射器，其发出的光线照射过的物体，都可以形成全息图，“也就是说，圆孔下面就是一个显微镜平台，生物通过平台都会被记录下来。”
提前预警，水质安全更有保障
参加此次研讨会的专家指出，江河湖泊的污染分为化学、物理、生物污染3种。其中水华、赤潮等水体富营养化的污染就属于藻类生物污染。目前，环境监测主要关注的是化学、物理污染。
“我国水环境呈现流域性、区域性、污染物种类多样性等特点，传统监测方法难以满足现代水体污染现场快速实施监测预警的要求，同时还可能带来对环境的二次污染。”广东省环境监测中心教授级高工易雯表示，目前监测主要采用化学分析法和仪器分析法，一方面是检测的时效性有限，“很多项目都必须采样到实验室开展，耗费的时间比较多。”另一方面，监测过程中要使用大量的显色剂，掩蔽剂，氧化剂和萃取剂等，无疑也增加了监测成本，还可能产生二次污染。
因此，寻求一种清洁、快速、便捷的监测技术方法显得尤为重要。而将数字激光全息显微技术应用在湖库性饮用水源的监测中，对赤潮水华发生、发展、死亡的过程进行实时监测，可为湖库水生物污染早期预警、治理防范提供科学的技术支撑。“通过这种技术，可以随时了解水质微生物的生长、繁衍及死亡状况，一旦发现超出了正常范围，就可以提早做出预警，并采取相应措施。”
据了解，把该显微镜设备潜入水下，随着船移动，就可以实现快速移动中对水体的微粒和微生物进行实时原位观测，每秒拍摄16幅的图像，并可应对2米/秒的流速，观测距离可达水下数千米。数字激光全息显微成像技术及其衍生出来的产品，它们的逐步应用将会有效地帮助政府环保水利职能部门提升水质监控的能力。
易雯认为，发挥多学科交叉和综合优势，研发集成生化、光电、传感器、网络和空间信息技术，建立集卫星遥感、近地面高光谱监测、地基激光雷达、全息显微与水质在线监测为一体的立体监控平台，实时监测分析相关指标，结合水动力学模型、藻类生长、输移和扩散模型，对赤潮、蓝藻水华的发生、爆发进行科学监测和预警，将为保障广东乃至全国富营养化湖泊的供水安全、海洋环境安全提供有力的技术支撑，提升海洋和湖泊水质安全保障应急技术水平和自主创新能力。
有力补充，水质监测更加全面
“在保护水环境方面，其中一项非常重要的工作就是做好水质监测预警。”广东省环境科学研究院罗育池博士介绍，目前很多地方基本都建成水质安全预警监控体系，24小时监测流域内各种主要重金属在内的污染物，监测主要是单一的理化指标，没有涉及生物领域，在水质监测预警领域，也没有实现对水生物指标的实时自动监测。
“生物指标监测具有专业性和复杂性，在采样方面，野外采样干扰因素较多，传统显微技术难以达到直接观测的精度要求；物质鉴别专业性强，机器难以代替专业研究人员；生物图库建设需收集大量样本进行比对，并不断更新，耗时长，工作量大；监测数据与水质预警指示性生物关联性有待进一步研究。”罗育池介绍，单靠物理、化学指标不能有效预警水华、赤潮等生态污染，必须发展自动化、智能化的设备。
作为一种新型水生生物监测技术，数字激光全息显微技术，在水生物污染指标自动监测方面，能对水中的颗粒、藻类、浮游动物、原生动物、微生物等进行全息显微摄影、计数和分析，此外还能对水中生物进行游动分析、速度计算。这样，在水质监测预警中，就能综合物理化学和生物指标进行科学评价，为水环境管理提供更科学的依据。
罗育池介绍，今年8月，广东省环境科学研究院联合高校和相关技术公司，到河源新丰江水库开展水质监测预警新技术的研发活动，对传统显微和全息显微两种观察技术进行对比试验，发现全息显微与传统显微技术相比，在观察生物三维影像、研究生物运动轨迹以及研究生物的生理规律方面有显著的优势。
不过，相关专家也表示，作为一项新生技术，全息显微技术在水质监测工作上的运用，仍需进一步提高显微分辨率和抗干扰能力，例如对微米级以下物体的观测能力，同时，要提高应用于预警领域的适用性，提高技术设备的系统化程度。
