CN101598667A

CN101598667A - 多激发多发射波长水下原位有机物荧光自动检测仪

Info

Publication number: CN101598667A
Application number: CNA2009101012842A
Authority: CN
Inventors: 潘建明; 叶树明; 杨俊毅; 王可诚; 周乐川
Original assignee: Zhejiang University ZJU; Second Institute of Oceanography SOA
Current assignee: Zhejiang University ZJU; Second Institute of Oceanography SOA
Priority date: 2009-07-27
Filing date: 2009-07-27
Publication date: 2009-12-09

Abstract

本发明公开了一种多激发多发射波长有机物荧光自动检测仪，它包括密封外壳、透明光学窗口、光源模块、光敏传感器模块、采集控制电路和电池，光源模块、光敏传感器模块和电池分别与采集控制电路连接，光源模块、光敏传感器模块、采集控制电路和电池置于密封外壳内，透明光学窗口固定在密封外壳的壳体上，透明光学窗口用于使光线进出所述自动检测仪，光源模块和光敏传感器模块置于透明光学窗口旁，光源模块包括两个以上的LED组，各LED组分别由一个或两个以上中心波长相同的LED组成，不同的LED组的发光中心波长不相同。本发明能更好避免含多种有机物成分的水样中由于各组分的荧光光谱产生混叠而造成的测试误差，并可实现长时间原位水体有机物浓度检测。

Description

多激发多发射波长水下原位有机物荧光自动检测仪

技术领域

本发明涉及一种多激发多发射波长有机物荧光自动检测仪。

背景技术

海洋水体中叶绿素a和溶解态有色有机物(CDOM)是目前全球海洋观测系统的重要参数，获取海水中叶绿素a和CDOM时空分布数据对海洋生态系统中碳循环过程研究具有非常重要的意义，在赤潮监测与预警、遥感数据校正反演等应用方面具有重要的价值。

目前国内外开发了许多基于荧光分析技术的现场检测设备，实现了对海洋水体中叶绿素a和CDOM的原位在线检测分析。但是现有的传感器或分析设备还存在着以下两个问题：1.大多数原位检测仪器采用单激发波长荧光检测技术，由于水体中叶绿素、CDOM以及其他物质在某些波段内具有重叠的荧光激发和发射特性，在采用单波长荧光法时，容易产生相互干扰，从而影响检测结果的准确性；2.现有的三维荧光光谱分析设备可以进行复杂体系多组分同时分析，但其一般采用氙灯和干涉光栅，体积和功率较大、操作复杂，难以实现长时间水下自动原位工作。因此这些设备的应用范围受到了制约。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种检测结果更准确的可以在水下进行长时间自动原位工作的多激发多发射波长水下原位有机物荧光自动检测仪。

本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：该多激发多发射波长水下原位有机物荧光自动检测仪包括密封外壳、透明光学窗口、光源模块、光敏传感器模块、采集控制电路和电池，所述光源模块、光敏传感器模块和电池分别与采集控制电路连接，所述光源模块、光敏传感器模块、采集控制电路和电池置于密封外壳内，所述透明光学窗口固定在所述密封外壳的壳体上，所述透明光学窗口用于使光线进出所述自动检测仪，所述光源模块和光敏传感器模块置于所述透明光学窗口旁，其中，所述光源模块包括两个以上的LED组，各LED组分别由一个或两个以上中心波长相同的LED组成，不同的LED组的发光中心波长不相同；所述光敏传感器模块包括两个以上的光电二极管，各个所述光电二极管分别有一个对应的窄带滤光片，所述窄带滤光片置于与其对应的光电二极管和所述透明光学窗口之间，各窄带滤光片的通带中心波长不同；所述采集控制电路包括LED驱动电路、电流/电压转换电路、微处理器、模数转换器、通信接口电路、电源管理模块和存储芯片，所述LED驱动电路、模数转换器、通信接口电路、电源管理模块和存储芯片分别与微处理器连接，所述电流/电压转换电路与模数转换器连接，所述LED驱动电路与光源模块连接，所述电流/电压转换电路与光敏传感器模块连接，所述电源管理模块与电池连接。

进一步地，本发明所述光源模块内的每个LED组对应有一个所述透明光学窗口。

进一步地，本发明所述光敏传感器模块内的每个窄带滤光片对应有一个所述透明光学窗口。

进一步地，本发明所述电流/电压转换电路包括两个以上电流/电压转换通道，每个电流/电压转换通道对应连接一个所述光电二极管。

进一步地，本发明所述采集控制电路中的电源管理模块包括第一电压转换电路、第二电压转换电路和第三电压转换电路，所述第一电压转换电路、第二电压转换电路和第三电压转换电路分别与电池连接，所述第一电压转换电路、第二电压转换电路分别与所述微处理器连接，所述第一电压转换电路输出的第一稳压电源为所述LED驱动电路、电流/电压转换电路和模数转换器提供电源，所述第二电压转换电路输出的第二稳压电源为所述模数转换器、存储芯片和通信接口电路提供电源，所述电压转换电路输出的第三稳压电源为所述微处理器提供电源。

本发明的检测过程如下：检测开始，采集控制电路依次驱动不同的LED组产生激发光源，激发光通过透明光学窗口照射到外界水体中，水体有机物受激发后发出的荧光通过透明光学窗口照射到密封外壳内部，荧光通过窄带滤光片照射到光电二极管上，光电二极管产生电流信号输入采集控制电路，采集控制电路对信号进行处理，把测量数据存储起来，待检测仪回收后，采集控制电路通过RS-232总线与计算机进行数据交换。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

1.本发明采用两个以上中心波长相互不同的LED组作为激发光源，产生两种以上波长的激发光，采用两个以上光电二极管及各光电二极管所对应的通带中心波长相互的窄带滤光片，检测发射光两个以上波长段的光强度，在水下原位检测仪中实现了多激发光波长和多发射光波长荧光检测技术，对于含有叶绿素、CDOM以及其他有机物的多成分水体，本发明比现行采用单一激发光波长荧光检测技术的水下原位自动检测仪能显著减少由于特定波长荧光特性混叠而产生的测试误差。

2.本发明采用LED为光源，光敏传感器采用无源光电二极管，具有低功耗、体积小的特点，便于仪器的小型化，在仅采用电池供电的情况下能在水下作3个月以上的自动原位检测工作(每小时进行一次检测)。

3.本发明的外壳封装的工作水深达6000米，大大高于现有商业现场荧光探头的工作水深，适用与深海科学研究。

附图说明

图1为本发明一种实施例的自动检测仪的结构示意框图；

图2为本发明一种实施例的采集控制电路中电流/电压转换的电路原理图；

图3为本发明一种实施例的采集控制电路中电源管理模块的原理框图。

具体实施方式

图1是本发明为两波长激发光、两波长发射光的自动检测仪的结构示意框图。该多激发多发射波长水下原位有机物荧光自动检测仪主要由密封外壳、透明光学窗口、光源模块、光敏传感器模块、采集控制电路和电池组成。

其中，密封外壳可以使用金属材料，例如是不锈钢、钛合金等制作，形状为圆筒形，以不锈钢为例，外壳厚度为6毫米。

透明光学窗口一共有4个，分别为第一透明光学窗口、第二透明光学窗口、第三透明光学窗口和第四透明光学窗口。透明光学窗口根据仪器工作的水深适应范围可采用多种材料，如果在浅层水面工作，可采用有机玻璃、玻璃或环氧树脂等材料制作，如果需要应用于深水，则要采用人造刚玉为材料。第一透明光学窗口、第二透明光学窗口、第三透明光学窗口和第四透明光学窗口分别通过密封圈与密封外壳固定联接。

图1所示的光源模块包括第一LED组和第二LED组。第一LED组可采用一个、两个或三个中心波长相同的LED，第二LED组可采用一个、两个或三个中心波长相同的LED，同一组内LED数量越多，光源亮度越大。第一LED组的中心波长与第二LED的中心波长不同，可根据检测对象的激发光谱特性选取不同中心波长的LED。第一LED组所发出的激发光通过第一透明光学窗口照射到水样中，第二LED组所发出的激发光通过第一透明光学窗口照射到水样中。

本发明光敏传感器模块包括两个以上的光电二极管，各个光电二极管分别有一个对应的窄带滤光片，窄带滤光片置于与其对应的光电二极管与所述透明光学窗口之间，各窄带滤光片的通带中心波长不同。图1所示的光敏传感器模块包括有两个光电二极管和两个对应的窄带滤光片，即第一光电二极管PD1及与其对应的第一窄带滤光片、第二光电二极管PD2及与其对应的第二窄带滤光片。第一光电二极管PD1与电流/电压转换电路连接，第二光电二极管PD2与电流/电压转换电路连接。水样受激发光激发后所产生的荧光通过第三、第四透明光学窗口进入仪器内部，经第三透明光学窗口进入的荧光通过第一窄带滤光片后，照射到第一光电二极管PD1，经第四透明光学窗口进入的荧光通过第二窄带滤光片后，照射到第二光电二极管PD2。第一窄带滤光片和第二窄带滤光片的通带中心波长不同，可根据检测的对象的荧光峰值特性选取不同中心波长。

电池为采集控制电路提供电源，要满足水下长时间工作要求，可采用3.7V可充电或一次性锂电池，电量为3000毫安时以上。

采集控制电路包括微处理器、LED驱动电路、模数转换器、电流/电压转换电路、存储芯片、通信接口电路、电源管理模块。其中，微处理器应选用低功耗微处理器，如TI公司的MSP430F14X系列超低功耗微处理器，微处理器分别与LED驱动电路、模数转换器、存储芯片、通信接口电路、电源管理模块连接，模数转换器与电流/电压转换电路连接。LED驱动电路可以采用Maxim公司的恒流LED驱动芯片MAX1916组建，LED驱动芯片可以使用多个，一个LED驱动芯片驱动光源模块中的一个LED组。例如，光源模块中的第一LED组和第二LED组可分别由不同的LED驱动芯片驱动。

图2示出了一种采集控制电路中电流/电压转换电路原理图，运算放大器U1、电阻R1、电容C1组成第一电流/电压转换通道，第一电流/电压转换通道与第一光电二极管PD1连接，该第一电流/电压转换通道的作用是把第一光电二极管PD1所产生的电流信号转换成第一电压输出；运算放大器U2、电阻R2、电容C2组成第二电流/电压转换通道，第二电流/电压转换通道与第二光电二极管PD2连接，该第二电流/电压转换通道的作用是把第二光电二极管PD2所产生的电流信号转换成电压信号，运算放大器可采用TI公司的OPA2350。

模数转换器可采用Cirrus公司的24位模数转换芯片CS5532，一片CS5532模数转换芯片具有2个输入通道，能分别采集两个电流/电压转换通道的输出信号。

存储芯片采用Atmel公司的AT45DB081B闪存芯片。

通信接口电路可采用Maxim公司的RS-232接口芯片MAX3222，MAX3222与MSP430的异步串行通信输出连接。

本发明的激发光波长的数量以及发射光波长数量可以进行扩展。例如，如果需要增加一个激发光波长，则可在光源模块中增加一个LED组，并且增加一个透明光学窗口。如果需要增加一个发射光波长，则可在光敏传感器模块中增加一个窄带滤光片、一个光电二级管以及一个透明光学窗口、并在电流/电压转换电路中增加一个电流/电压转换通道，以及增加一片CS5532模数转换芯片，新增一片CS5532模数转换器可以采集2个额外增加的电流/电压转换通道。

电源管理模块可如图3所示，电池采用3.7V可充电锂电池，第一电压转换电路可采用TI公司的TPS61070升压芯片把3.7V电源提升到5V，作为第一稳压电源，为LED驱动电路、电流/电压转换电路和CS5532模数转换器的模拟电源输入提供电源；第二电压转换电路可采用TI公司的低压降稳压芯片TPS76933把3.7V电源稳压到3.3V，作为第二稳压电源，为CS5532模数转换器的数字电源、存储芯片和通信接口电路提供电源；第三电压转换电路可采用TI公司的TPS71533低压降稳压芯片把3.7V电源稳压到3.3V，作为第三稳压电源，为微处理器提供电源。第一电压转换电路、第二电压转换电路分别与微处理器连接，微处理器通过I/O口分别单独控制第一电压转换电路和第二电压转换电路的开启和关闭。

本发明自动检测仪工作的具体步骤如下：

1.每次采集开始时，微处理器控制电源管理模块，启动第一电压转换电路和第二电压转换电路；

2.驱动第一LED组，产生第一个波长的激发光源，激发光通过第一透明光学窗口照射到水样；

3.水样中的有机物受激发光所激发后发射出荧光，荧光通过第三透明光学窗口、第一窄带滤光片照射到第一光电二极管PD1，荧光通过第四透明光学窗口、第二窄带滤光片照射到第二光电二极管PD2，第一光电二极管PD1产生的电流信号输入电流/电压转换电路中的第一电流/电压转换通道，第二光电二极管PD2产生的电流信号输入电流/电压转换电路中的第二电流/电压转换通道。

4.微处理器控制模数转换器，分别采集电流/电压转换电路中的第一、第二电流/电压转换通道的电压值，把转换数值存储到存储芯片中。

5.关闭第一LED组，开启第二LED组，产生第二个波长的激发光源，激发光通过第二透明光学窗口照射到水样，并重复第3、4步操作。

6.本次采集结束，微处理器关闭电源管理模块中的第一电压转换电路和第二电压转换电路，仪器进入待机状态，等待下一次采集开始。

7.原位检测工作结束，回收自动检测仪，打开密封外壳，通过RS-232通信总线把自动检测仪和计算机连接，微处理器检测到自动检测仪与计算机连接后，开启第二电压转换电路，读取存储芯片中的数据，把数据传送到计算机中。

Claims

1.一种多激发多发射波长水下原位有机物荧光自动检测仪，该自动检测仪包括密封外壳、透明光学窗口、光源模块、光敏传感器模块、采集控制电路和电池，所述光源模块、光敏传感器模块和电池分别与采集控制电路连接，所述光源模块、光敏传感器模块、采集控制电路和电池置于密封外壳内，所述透明光学窗口固定在所述密封外壳的壳体上，所述透明光学窗口用于使光线进出所述自动检测仪，所述光源模块和光敏传感器模块置于所述透明光学窗口旁，其特征是：所述光源模块包括两个以上的LED组，各LED组分别由一个或两个以上中心波长相同的LED组成，不同的LED组的发光中心波长不相同；所述光敏传感器模块包括两个以上的光电二极管，各个所述光电二极管分别有一个对应的窄带滤光片，所述窄带滤光片置于与其对应的光电二极管和所述透明光学窗口之间，各窄带滤光片的通带中心波长不同；所述采集控制电路包括LED驱动电路、电流/电压转换电路、微处理器、模数转换器、通信接口电路、电源管理模块和存储芯片，所述LED驱动电路、模数转换器、通信接口电路、电源管理模块和存储芯片分别与微处理器连接，所述电流/电压转换电路与模数转换器连接，所述LED驱动电路与光源模块连接，所述电流/电压转换电路与光敏传感器模块连接，所述电源管理模块与电池连接。

2.根据权利要求1所述的多激发多发射波长水下原位有机物荧光自动检测仪，其特征是：所述光源模块内的每个LED组对应有一个所述透明光学窗口。

3.根据权利要求1所述的多激发多发射波长水下原位有机物荧光自动检测仪，其特征是：所述光敏传感器模块内的每个窄带滤光片对应有一个所述透明光学窗口。

4.根据权利要求1所述的多激发多发射波长水下原位有机物荧光自动检测仪，其特征是：所述电流/电压转换电路包括两个以上电流/电压转换通道，每个电流/电压转换通道对应连接一个所述光电二极管。

5.根据权利要求1所述的多激发多发射波长水下原位有机物荧光自动检测仪，其特征是：所述采集控制电路中的电源管理模块包括第一电压转换电路、第二电压转换电路和第三电压转换电路，所述第一电压转换电路、第二电压转换电路和第三电压转换电路分别与电池连接，所述第一电压转换电路、第二电压转换电路分别与所述微处理器连接，所述第一电压转换电路输出的第一稳压电源为所述LED驱动电路、电流/电压转换电路和模数转换器提供电源，所述第二电压转换电路输出的第二稳压电源为所述模数转换器、存储芯片和通信接口电路提供电源，所述电压转换电路输出的第三稳压电源为所述微处理器提供电源。