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水產養殖和養魚需要仔細監測條件，以確保健康、可持續的生產。 包括光譜學和氧傳感在內的技術是水產養殖環境中有用的分析工具。

魚菜共生是水產養殖和水培相結合生產農作物。 在魚菜共生系統中，魚類或其他水生生物和植物共享共生關係，需要仔細維護關鍵參數以保持系統平衡。 如果不維持 pH、溶解氧、水溫和養分濃度，不健康的魚將導致作物產量下降。 對這些標準的實時監控使魚菜共生農民能夠對變化做出快速反應，確保獲得最佳結果。

類似的環境參數在魚類養殖中進行監測，水質和生長條件會影響魚類的健康、收穫和可持續性。 由於其占地面積小、便攜性好和易於集成，光學傳感設備非常適合此類應用。

 

魚菜共生系統

在benchtop-sized的魚菜共生裝置中，我們測試了 Ocean Insight 光譜儀、化學傳感器和配件的可行性，以監測 pH 值、營養水平和光照條件。 為了進一步模擬魚菜共生操作，我們使用 OceanView 光譜軟件中的 Schematic View（生成、編輯和導出光譜過程流程圖的功能）來創建系統儀表板以實時監控條件（圖 1）。

圖 1. 使用 OceanView 軟件中的 Schematic View 功能，用戶可以創建一個自定義界面，例如顯示模擬魚菜共生系統參數的儀表板。

對於 pH 測量，我們使用了 STS 系列顯微光譜儀 (350-800 nm)、鎢鹵素光源和與 pH 指示貼片一起使用的透射式浸入式探頭。該貼片在基質中包含一種 pH 指示染料，該染料會根據其環境中的分析物改變顏色。光譜儀測量比色（吸光度）響應。

使用 Flame-UV-VIS spectrometer (200-850 nm)、氘-鹵素光源和透射浸入式探頭測量營養濃度（在這種情況下為硝酸鹽）。硝酸鹽可以給植物施肥，幫助去除魚糞中有害的氨積累，但需要保持在健康水平。類似的設置可以集成到組件、子系統或交鑰匙系統級別的更大規模的魚菜共生過程中。

我們測量的另一個系統元素是照明。無論是依靠陽光進行戶外設置，還是依靠高壓鈉燈或溫室操作中的 LED，種植者都對照明光源的總光功率及其色譜對作物的影響感興趣。這些標準可以使用 Ocean Insight 輻射校準光譜儀進行測量。

 

養魚系統

 

水產養殖是大生意。根據美國國家海洋和大氣管理局 (NOAA) 漁業部門的數據，水產養殖佔全球生產供人類消費的所有海產品的 50%，並且在過去二十年中以兩位數的速度增長。

保持水質對養魚業至關重要。這項工作包括實時監測氧氣水平，通常是在不斷變化的條件下。光譜學如何幫助簡化溶解氧 (DO) 測量，使測量變得經濟實惠且可擴展？

它有助於首先了解光纖化學傳感器。這些傳感器使用堅固的指示材料和光電子器件來測量食品和農業、海洋科學、生命科學和生物技術中的溶解氧。與電化學傳感技術相比，光學氧傳感器可以製成小型且可定制的外形尺寸，允許非侵入式測量，並且不消耗樣品。

Ocean Insight 光學氧傳感器的工作原理是將氧敏感熒光團捕獲在溶膠-凝膠主體基質中，該基質應用於粘合膜（貼片）。指示劑材料響應特定分析物而改變光學特性，電子設備測量響應。

Ocean Insight 提供完整的氧氣傳感系統，但我們專有的傳感材料也可以集成到第三方電子設備中。在最近的一項工作中，我們與一家領先的養魚技術供應商合作，作為持續努力提升其在水生環境中的溶解氧傳感器系統性能的一部分。水中的最佳 DO 濃度對於魚類的健康是必要的，並且是整體水質的良好指標。我們的氧響應熒光傳感器貼片集成到客戶的傳感器設置中，實驗室研究側重於更強大的現場部署校準協議，以最大限度地減少先前方法的差異並提高對結果的信心。

精準水產養殖和機器學習

 

水產養殖是一項複雜的業務，其中管理數據對成功至關重要。 那麼，客戶使用光學傳感技術收集的所有數據會發生什麼變化？ 一個答案：使用複雜的算法將光譜數據轉化為可操作的答案。

對於沒有資源、願望或專業知識來解釋複雜光譜的客戶，穩健的算法開發可以提供簡單的“是-否”答案、確定濃度或其他一些標準。

光學傳感技術與復雜但易於使用的算法開發相結合，有望擴大光學傳感對水產養殖的影響並提高其影響力。 這些工具將發現可用於提高產量、簡化生產和保持可持續性的新的客觀數據。

                                                 醫藥廢物會發生什麼？

使用光學發射光譜的研究人員測試了不同等離子噴射工藝對藥物纈沙坦溶液的降解效率，確定了每個樣品活性物質的發射峰。

藥物吸收高分辨率光譜儀

使用光學發射光譜的研究人員測試了不同等離子噴射工藝對藥物纈沙坦溶液的降解效率，確定了每個樣品活性物質的發射峰。

隨著人們越來越意識到藥物廢物的潛在危害，研究人員正在研究通過降解可能對環境產生不利影響的化合物來處理這種廢物的新方法。 在一個例子中，印度的研究人員正在使用光譜學來測試基於血漿的降解過程在纈沙坦分解中的效率，纈沙坦是一種用於治療高血壓和心力衰竭的藥物，通常不會被患者完全代謝。

最終，目的是降解廢水中的藥物化合物，以減少或消除對人類和水生生物的有害影響。

About the Research

正如 RSC Advances1 中 2020 年的一篇文章所報導的那樣，研究人員使用光學發射光譜來測試不同等離子噴射工藝對纈沙坦溶液的降解效率，因為很容易識別出每個樣品的活性物質的不同發射峰。

Ocean Insight HR 系列光譜儀收集了 200-1100 nm 的響應，並在等離子體處理區域附近放置了堅固的光纖採樣裝置。 設置的靈活性和易用性使測試多個治療過程更易於管理。

 

Equipment Used

• HR4000CG-UV-NIR high-resolution spectrometer (200-1100 nm). Our newer HR4Pro series spectrometers provide even better performance (including greater thermal stability) and are ideal for high resolution over a broad wavelength range.
   
• QP400-2-SR-BX solarization-resistant optical fiber. This 400 µm core diameter optical fiber is resistant to UV degradation and has rugged BX stainless steel jacketing.
   
• 74-UV collimating lenses. In this application, lenses were attached to the optical fiber to collect spectra from the plasma.

為什麼醫藥廢物很重要

 

僅抗高血壓藥物（包括纈沙坦）的市場在 2018 年估計為 250 億美元。此外，在佛羅里達國際大學最近進行的一項研究中，在 93 個骨魚樣本中發現了近 60 種不同藥物的證據，超過 3- 年期間2。

處理來自其他藥物的有害化合物進入環境的潛在影響將需要製造商、醫療保健行業、政府機構和公眾之間的合作。

這項工作的一個重要因素是獲得簡單、強大和靈活的工具，如模塊化光譜儀，以幫助研究人員、監管機構和行業工程師快速評估不同處理藥物廢物的療效。

 

References

 

1. Raji, A., Pandiyaraj, K. Navaneetha, Vasu, D., Ramkumar, M.C., Deshmukh, R.R., and Kandavelu, V. Non-equilibrium atmospheric pressure plasma assisted degradation of the pharmaceutical drug valsartan: influence of catalyst and degradation environment, RSC Advances, Issue 59, 29 Sep 2020.
    
2. Azhar, A. Fish on Valium: A Multitude of Prescription Drugs Are Contaminating Florida’s Waterways and Marine Life, Inside Climate News, March 2, 2022.

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