综述：用于水污染物检测的光学传感技术：全面综述

《Physics and Chemistry of the Earth, Parts A/B/C》：Optical sensing technologies for water contaminant detection: A comprehensive review

　　

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  本文对用于检测水污染物的光学传感器平台进行了系统评估，阐述了其工作原理与性能特点。
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  介绍了多种利用光与物质相互作用来实现污染物敏感且精准识别的光谱技术。
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  阐述了将微流控技术与光学检测相结合的新型光流体系统，这类系统可提升检测精度与分析效率。
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  分析了这三种技术如何共同推动可靠且实用的水质监测技术的发展。

引言

水是生命存在的必需品，对从单细胞到多细胞的各种生物都起着至关重要的作用。虽然纯净水极具价值，但受污染的水却会对生物造成严重威胁。快速的城市化和工业化是水污染的主要成因。随着对石油及碳氢化合物需求不断增加，深海勘探活动日益频繁，由此引发的石油泄漏等环境灾难会破坏水下生态系统与海洋生物的生存环境。另一类主要的水污染源则是各类有机化合物，比如工业废弃物。塑料，尤其是近年来出现的微塑料和纳米塑料，已成为各种环境中普遍存在的污染物。令人担忧的是，已在鱼类、饮用水甚至人类胎盘中检测到微塑料的存在（Ragusa等人，2021年）。农药等其他污染物也会污染水源，进入食物链，给公众健康带来严重风险（Singh等人，2018年）。要准确检测水中的这些污染物，就需要可靠的检测方法。现场检测技术尤为重要，因为它能够快速识别有害污染物，从而及时采取措施保护这些宝贵的水资源。在各类检测技术中，光学技术通过利用光与物质的相互作用来分析水及其所含成分，被视为水质监测领域最具前景的技术之一。由于这些污染物的折射率会影响探测光的波长或强度，因此可以通过光学技术实现污染物的检测与定量。光学分析仪器和传感器依托于光吸收、光发射、光反射和光折射等光学现象，采用多种不同的检测方式。这些原理为色谱法、电子鼻技术以及基于图像的分析方法等先进的水质监测技术奠定了基础，使得人们能够快速、灵敏、无创且低成本地检测水的硬度、各类污染物以及整体水质状况（Moshayedi等人，2026年）。每种光学现象都可以被用来开发针对特定污染物的检测技术，从而实现多种多样的分析应用。此外，微型化技术的不断发展也为研发紧凑型、便携式的光学设备提供了良好机遇，其中一些设备还具备实时（生化）检测功能。除了传统污染物之外，药物残留、内分泌干扰物以及纳米塑料等新兴污染物，因其具有持久性、生物累积性以及潜在毒性，也越来越被认为会对水生生态系统和人类健康构成严重威胁。光学传感技术的最新进展提升了其检测这类复杂污染物的能力，即便在痕量浓度下也能实现灵敏且精准的分析。另外，将多参数检测策略与光谱复用技术整合到光学传感平台中，还为同时监测多种污染物提供了可能，进而提高了水质评估系统的效率与灵活性。

本综述全面概述了用于监测水纯度的各类光学方法，重点介绍了它们的工作原理及相关物理机制。我们着重阐述了光学传感器、光谱技术以及光流体传感器在分析应用中的作用。这些方法检测水污染物的效果，在很大程度上取决于所分析物质的类型以及所采用的检测机制，而这些因素又会影响分析的灵敏度与速度。希望本综述能为那些希望了解当前用于检测水污染物的光学技术的学生、研究人员和创新者提供有价值的参考资料。鉴于该领域的研究成果众多且仍在不断发展，本文仅选取部分典型案例，用以阐释相关核心原理与代表性应用。

章节要点

综述方法

本综述通过从Scopus、Web of Science、PubMed和Embase等多个科学数据库中搜集文献来完成。通过“光学传感”、“水污染检测”、“荧光光谱学”、“傅里叶变换红外光谱”、“光纤传感”、“表面等离子体共振”以及“光流体传感器”等关键词，筛选出了英文发表的相关文章。现有文献中的综述大多聚焦于过去5到10年间的最新研究成果

光谱技术

在各类用于水质评估的分析方法中，基于光谱的光学传感技术因其高灵敏度、快速响应特性以及无损检测优势而备受重视。荧光光谱和振动光谱等技术，是检测各类样品中低浓度化学物质或微生物的有效工具，适用范围涵盖受污染的水体等各类样本。在接下来的内容中

用于水质分析的光学传感器

光学传感器，尤其是比色传感器，非常适合用于水质分析，因为它们能够实现对水体化学与物理参数的连续现场监测。此外，这类传感器还可以轻松以多路复用模式（并行工作），从而实现同时对多种物质或污染物的检测。最后，它们还能被集成到传感器网络中，用于对大型水体样本，如湖泊或水库进行监测，进而提供

光流体技术

微型化、微制造以及集成光子学领域的最新进展，推动了光流体传感系统的发展，这类系统结合了光学的高精度与分析设备的紧凑便携性。光流体技术，即光子学与微流控技术的结合，具备多项独特优势，可有效应用于水质分析（Fan和White，2011年；Fan等人，2008年；Monat等人，2007年）。水溶液的光学特性，比如

结论

目前水污染程度已达到极为严重的水平，这凸显出亟需快速有效的治理措施。用于水质评估的光学技术得到了快速发展，具备了多路复用功能、高灵敏度以及极低的检测限，这些特性对于保护水资源至关重要。本综述重点介绍了目前用于水质评估的各种光学方法。在检测能力方面，比色分析法依然具有无可匹敌的优势

作者贡献说明

Vyasraj G. Bhat：数据整理、可视化处理、初稿撰写。Vibha Kamath：数据整理、初稿撰写。Sharmila Sajankila Nadumane：数据整理、正式分析、审稿与编辑工作。Gagan Raju：数据整理、正式分析。Soumyabrata Banik：数据整理、可视化处理、审稿与编辑工作。Rajib Biswas：概念设计、项目监督、结果验证、可视化处理、审稿与编辑工作。Salvatore Surdo：项目监督、可视化处理、写作工作——

利益冲突声明

作者声明，他们不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益关联或个人关系。

致谢

NM感谢全球创新技术联盟（GITA）、印度科学技术部（DST） [项目编号：GITA/DST/TWN/P-95/2021]以及印度政府下属的印度医学研究委员会（ICMR） [项目编号：ITR/Adhoc/43/2020-21，编号2020-3286]提供的资金支持。此外，本研究还得到了DBT BIRAC [资助编号：BIRAC/KIIT01165/BIG-17/20]的支持。NM还要感谢位于印度卡纳塔克邦马尼帕尔的马尼帕尔高等教育学院旗下的马尼帕尔生命科学学院

Vyasraj G. Bhat|Vibha Kamath|Sharmila Sajankila Nadumane|Gagan Raju|Soumyabrata Banik|Rajib Biswas|Salvatore Surdo|Nirmal Mazumder