CN102095712A

CN102095712A - 一种蓝藻检测光电传感器

Info

Publication number: CN102095712A
Application number: CN 201010599009
Authority: CN
Inventors: 楚建军; 赵丙强; 邵建辉
Original assignee: WUXI RONGXING TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: WUXI RONGXING TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2010-12-21
Filing date: 2010-12-21
Publication date: 2011-06-15

Abstract

本发明涉及一种蓝藻检测光电传感器，其光源和聚焦透镜组置于光源组件的内孔中；流动室位于第一聚焦透镜或透镜组右边，在垂直于光束传播的方向上设置第二聚焦透镜，第二聚焦透镜放在透镜座内，长通滤色片以及光电探测器放置在探测组件内，所述光源组件、流动室座、透镜座以及探测组件用螺纹分别与基板连接；所述光源采用发光二极管；所述发光二极管发出的光束经过第一聚焦透镜或透镜组形成一个椭圆形光斑照射到流动室内检测区。本发明适合现场测量的蓝藻分析方法，可实现对待测样本所含的蓝藻细胞进行逐个测量；不仅精确得到蓝藻的浓度，而且对蓝藻的不同生理期进行分析，有助于对水域中的蓝藻的生长状况进行提前预警。

Description

一种蓝藻检测光电传感器

技术领域

本发明涉及一种光电传感器，尤其是一种水质成份检测，特别是水中蓝藻检测的光电传感器。

背景技术

湖泊是人类最重要的水资源之一，在湖泊周围也是我国人口和工业聚集区。因为人类活动的影响，今年湖泊的富营养化日趋严重，大中型湖泊太湖、巢湖、滇池、洞庭湖、洪泽湖、白洋淀等资源属性受到威胁。富营养化的直接后果就是蓝藻水华的发生，2008年太湖爆发的蓝藻水华严重影响了周边居民的正常生活。如何在蓝藻水华爆发前进行准确的预警变得非常重要。对水中蓝藻含量进行连续监测是切实可行的途径。

目前对蓝藻的监测都是通过检测蓝藻在特定波长下的吸收强度或者荧光强度来判断其浓度的，其技术为：

1. 利用蓝藻中的藻蓝蛋白对特定波长的光的吸收特性进行吸收度测量以确定蓝藻浓度，定量分析依据为朗伯-比尔定律，我们简称之为吸收法，如图1，包括光源1，样品池2，光接收器3，照射光束4，透射光束5。

2. 利用藻蓝蛋白在吸收光照之后受激发射的特定波长的荧光，根据检测到的荧光量的大小来确定蓝藻浓度，简称为荧光法。藻蓝蛋白的激发波长峰值在621nm，而发射波长的峰值在646nm，现有技术中大多是用这个波段的光源进行照射。图2给出了荧光法的示意图，包括光源1，样品池2，照射光束6，荧光光束7，探测器8，收集透镜9。图3为荧光法的另外一种实施例，基本原理一样，都是通过荧光强度的大小来判断蓝藻的浓度，包括光源1，样品池2，照射光束6，荧光光束7，探测器8，滤色片10。

上述方法的缺陷在于：

1. 检测的是一个样本的总体，而非每个蓝藻细胞的个体，光强的变化量（吸收光或者荧光）不能与蓝藻浓度直接对应，需要通过复杂的定标体系来实现，一般方法为显微镜镜检，非常费时费力，并且同一个检测仪器对不同的水域都需要重新定标。

2. 由于不同生理期的蓝藻荧光强度是不同的，会造成浓度定标的不准确。例如：生长期的蓝藻细胞荧光量大于成熟期的蓝藻细胞荧光量，那么低浓度的生长期蓝藻细胞与高浓度的成熟期蓝藻细胞就可能会得到同样的荧光量，此时定标已经失去意义。

3. 检测的只是通过蓝藻细胞的浓度，无法对水域的蓝藻的生理期进行判断，预警功效较差。

解决上述问题的最好方法是采用流式细胞仪对待测样本进行测量，但是流式细胞仪体积庞大、沉重、价格昂贵，且需要在机外进行样本处理，只适合在实验室测试，不能够进行现场测试以及在线实时监测。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种蓝藻检测光电传感器，可实现对待测样本所含的蓝藻细胞进行逐个测量；不仅精确得到蓝藻的浓度，而且可以对蓝藻的不同生理期进行分析，有助于对水域中蓝藻的生长状况进行提前预警。

按照本发明提供的技术方案，一种蓝藻检测光电传感器包括光源、第一聚焦透镜或透镜组、流动室、第二聚焦透镜、长通滤色片和光电探测器，所述光源位于第一聚焦透镜或透镜组左边，光源和聚焦透镜组置于光源组件的内孔中；流动室放置在流动室座中，流动室位于第一聚焦透镜或透镜组右边；通过所述流动室中心、在垂直于光束传播的方向上依次设置第二聚焦透镜、长通滤色片、光电探测器，长通滤色片和光电探测器放置在探测组件内，第二聚焦透镜放置在透镜座内；所述光源组件、流动室座、透镜座以及探测组件用螺纹分别与基板连接，特征在于所述光源采用发光二极管；所述发光二极管发出的光束经过第一聚焦透镜或透镜组形成一个椭圆形光斑照射到流动室内检测区，检测区内流过的蓝藻细胞经过照射后产生的荧光通过第二聚焦透镜，再通过长通滤色片进入光电探测器形成电信号，通过对这些电信号的分析可以得到蓝藻的浓度以及蓝藻的生长状况。

所述流动室外形为长方体的导孔，该导孔分为三个区域：整流区、加速区、检测区；所述检测区是光照射区域为一个边长为200um～400um的方孔或者矩形孔；所述方孔或矩形孔的入口渐扩的部分形成加速区，鞘液通道与样本液通道相嵌套的部分为整流区。

所述样本液通道出口为直径0.3mm的圆孔。

所述光电探测器采用光电二极管(PD)。

所述光源的波长为620±5nm，蓝藻发出的荧光波长为640nm～850nm。

本发明的优点是：

1. 解决传统仪器的定标问题。对特定体积的待测样本中所含的蓝藻细胞数目进行逐个计数，得到准确的蓝藻浓度，而无须通过复杂的定标系统来得到蓝藻浓度，测量结果更加精确。

2.在测量出浓度的同时，可以对样本中蓝藻的不同生理期进行分析，对水域的蓝藻生长状况进行提前预警。

3.用LED照明，大大降低了仪器成本和尺寸，有利于野外现场操作。

附图说明

图1是现有透射法原理图。

图2是现有荧光法原理图。

图3是应用光纤的蓝藻荧光检测传感器原理图。

图4是采用本发明进行检测的系统原理图。

图5是本发明光电传感器使用原理图。

图6(a)是流动室剖面图。

图6(b)是图6(a)的A-A剖面图。

图7是流动室中检测区的检测示意图。

图8是本发明整体结构立体示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图4～图8所示：包括光源1、流动室12、第一聚焦透镜或透镜组16、第二聚焦透镜7、长通滤色片10、光电探测器8、基板20、探测组件60、透镜座50、流动室座40、光源组件30、信号处理与数据分析单元200及吸样与液路控制单元300。

本发明所述光电传感器100，能够对水域样本的蓝藻浓度进行测量，所述光电传感器100包括光照射单元11、流动室12及光接收探测单元13。

所述光照射单元11包括光源1、第一聚焦透镜或透镜组16，形成一个聚焦光斑照射到流动室中流过的样本流上；所述光照射单元至少包含一个红色LED作为光源，其波长在620nm±5nm。光照射单元放置在光源组件30中。

所述流动室12由光学透明材料制成，内开一个导孔，在导孔中有两种液体流过，一种是含有蓝藻细胞的待测样本液，另外一种是鞘液，样本液在鞘液的包裹下流过流动室，使样本液中所含的蓝藻细胞一个一个地通过。流动室12用胶连接在流动室座40中。

所述光接收探测单元13包括第二聚焦透镜7、长通滤色片10、光电探测器8。所述光接收探测单元13将样本流中的粒子受到照射后产生的光信号收集到探测器上，并进行光电转换。其中第二聚焦透镜7位于透镜座50中，长通滤色片10和光电探测器8位于探测组件60中。

如图5、图8所示：假设光源发出的光从左至右传播，所述光源1位于第一聚焦透镜或透镜组16左边，光源1和聚焦透镜组16置于光源组件30的内孔中；流动室12放置在流动室座40中，流动室12位于第一聚焦透镜或透镜组16右边；所述流动室12下方，在垂直于光束传播的方向上设置第二聚焦透镜7，第二聚焦透镜7放在透镜座50内，所述聚焦透镜7下方依次设置长通滤色片10、光电探测器8，长通滤色片10以及光电探测器8放置在探测组件60内，光电探测器8与信号处理与数据分析单元200连接；所述光源组件30，流动室座40，透镜座50以及探测组件60用螺纹和基板20连接。本文所述的右方是指光束传播方向，下方是光束传播方向顺时针转动90度的方向。

所述光源1光束经过第一聚焦透镜或透镜组16形成一个椭圆形光斑14照射到流动室12内检测区123，所述流动室12的荧光通过第二聚焦透镜7，再通过长通滤色片10进入光电探测器8。

如图6（a）、如图6（b）所示：所述流动室12为一个光学透明材料制成的外形为长方体或其他立方体的导孔，该导孔分为三个区域：整流区121、加速区122、检测区123。其中检测区123，也就是光照射区域为一个边长为200um～400um的方孔或者矩形孔（本文简称方孔），如图6(a) (b)所示。所述方孔的入口渐扩为鞘液通道，鞘液通道内平行插入样本液通道，样本液通道出口在所述方孔入口渐扩区域，与方孔入口正对，所述样本液通道出口为直径0.3mm的圆孔。方孔的入口渐扩的部分形成加速区122，鞘液通道与样本液通道相嵌套的部分为整流区121。流动室12内部流动的鞘液流要满足层流条件，即雷诺数<2300。鞘流对样本流进行流体聚焦，将样本流压缩至小于2个蓝藻细胞的宽度，以使蓝藻细胞一个一个的通过，使每次检测事件只检测一个细胞。鞘液在整流区121中形成层流，在加速区122中将样本液逐渐聚焦，直至在检测区中将样本液压缩成20um左右的样本流，这样样本液中的蓝藻细胞15就只能一个一个的通过检测区照射光的照射，如图7所示。

为了降低成本和减小尺寸，使系统能够适用于现场检测，本发明采用LED作为光源1， LED波长为620±5nm。藻蓝蛋白的荧光激发谱在620nm附近， LED发出的光束经过第一聚焦透镜（组）16，形成一个在细胞流动方向（箭头所示）为20um左右，垂直于细胞流动和光束传播的方向上为200um左右的椭圆形光斑14照射到细胞上，如图7中所示。聚焦光斑在流动室中心处的大小要求为：在样本流动方向上小于2个蓝藻直径，在同时垂直于光束传播和样本流动的方向上不小于流动室内孔宽度。在垂直于光束传播的方向上用一个大数值孔径的第二聚焦透镜7将荧光收集到光电探测器8上，本发明的光电探测器8采用的是光电二级管。为了消除背景光，得到良好的信噪比，在光电探测器8前增加一个长通滤色片10，将背景光（主要是照射光）最大限度的抑制，同时让荧光通过。

图4所示：本发明与信号处理与数据分析单元200、吸样与液路控制单元300组成蓝藻细胞检测的系统。所述光电传感器100的光接收探测单元13输出端与信号处理与数据分析单元200输入端连接，所述吸样与液路控制单元300与光电传感器100的流动室12连接。

蓝藻细胞15通过检测区照射光的照射，经过照射后会产生荧光，荧光信号被光电探测单元13接收，经过光电转换后形成电信号，检测区每通过一个蓝藻细胞，光电探测单元13输出一个电脉冲信号与此细胞的荧光强度对应，这些电脉冲信号被送至信号处理与数据分析单元200，信号处理和数据分析单元200对蓝藻的荧光信号进行滤波处理，然后对样本的统计信息进行分析。一个蓝藻细胞对应一个脉冲，脉冲的幅度反映了细胞的荧光量大小，这样就实现了样本中单个细胞的检测。检测上万个蓝藻细胞，形成统计特性就是这个样本的总体特征：脉冲的总数目除以被测体积就是样本的蓝藻浓度，对样本中所有脉冲的幅度进行统计分析可得到该样本蓝藻的生长发育状况。

利用本发明，不仅可以对水域内蓝藻的浓度进行定量测量，更进一步，可以对蓝藻的不同生理期进行分析判断，用以判断被测样本所在水域蓝藻的生长状况。

Claims

1. 一种蓝藻检测光电传感器，包括光源（1）、第一聚焦透镜或透镜组（16）、流动室（12）、第二聚焦透镜（7）、长通滤色片（10）和光电探测器（8），所述光源（1）位于第一聚焦透镜或透镜组（16）左边，光源（1）和聚焦透镜组（16）置于光源组件（30）的内孔中；流动室（12）放置在流动室座（40）中，流动室（12）位于第一聚焦透镜或透镜组（16）右边；通过所述流动室（12）中心、在垂直于光束传播的方向上依次设置第二聚焦透镜（7），、长通滤色片（10）、光电探测器（8），长通滤色片（10）和光电探测器（8）放置在探测组件（60）内，第二聚焦透镜（7）放置在透镜座（50）内；所述光源组件（30）、流动室座（40）、透镜座（50）以及探测组件（60）用螺纹分别与基板（20）连接，其特征在于所述光源（1）采用发光二极管；所述发光二极管发出的光束经过第一聚焦透镜或透镜组（16）形成一个椭圆形光斑（14）照射到流动室（12）内检测区（123），检测区（123）内流过的蓝藻细胞经过照射后产生的荧光通过第二聚焦透镜（7），再通过长通滤色片（10）进入光电探测器（8）形成电信号，通过对这些电信号的分析可以得到蓝藻的浓度以及蓝藻的生长状况。

2.如权利要求1所述一种蓝藻检测光电传感器，其特征是：所述流动室（12）外形为长方体的导孔，该导孔分为三个区域：整流区（121）、加速区（122）、检测区（123）；所述检测区（123）是光照射区域为一个边长为200um～400um的方孔或者矩形孔；所述方孔或矩形孔的入口渐扩的部分形成加速区（122），鞘液通道与样本液通道相嵌套的部分为整流区（121）。

3.如权利要求2所述一种蓝藻检测光电传感器，其特征是：所述样本液通道出口为直径0.3mm的圆孔。

4.如权利要求1所述一种蓝藻检测光电传感器，其特征是：所述光电探测器（8）采用光电二极管。

5.如权利要求1所述一种蓝藻检测光电传感器，其特征是：所述光源（1）的波长为620±5nm，透光波长为640nm～850nm。