CN102103084B - 一种基于叶绿素分析藻类分类和鉴别的仪器和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于环境生物监测技术领域，具体地说是涉及一种基于叶绿素分析藻类分类和鉴别的仪器和方法。分析方法：采用光谱分析，利用混合双光束光源照射，激发待测水样内藻类叶绿素产生特征吸收光谱；根据吸收光谱波长和光强度变化，与预选各种不同藻类的吸收波长比较，区分个体间差异，进而实现藻类分类和鉴别。本发明通过外加激发光照射，激发水体内藻类所含叶绿素产生二次激发荧光。根据激发波长和光强度变化，以及二次激发光的波长和光强变化，即可快速简便的对藻类分类和鉴别。

Description

一种基于叶绿素分析藻类分类和鉴别的仪器和方法
技术领域
本发明属于环境生物监测技术领域，具体地说是涉及一种基于叶绿素分析藻类分类和鉴别的仪器和方法。
背景技术
鉴于国、内外水体富营养化程度加剧和对水体富营养化导致的藻类研究的需要，如何实现在线、在位或实时的水体内藻种类和数量的分析，并对富营养化程度做出判断，越来越引起水质监测部门的重视。同时，在研究藻类生长周期过程中，也有必要结合总体藻类的含量和藻类叶绿素含量的多少，分析不同藻类的生长过程和时期，以便对其生长趋势做出判断。
目前，国内外检测水体内藻类的方法主要采用实验室显微镜检测方法和叶绿素检测技术。其中，实验室显微镜监测方法通过形态分析和人工计数的办法，实现对水体内藻的分类，但很难实现种类和数量的详细分析，因此，在实验室研究藻类生长和分析水体富营养化程度时具有很大局限性。叶绿素分析技术虽然能够根据叶绿素含量多少，对藻类的总体密度做出判断，但很难对不同类型叶绿素进行分析，并且因为缺乏充足实验数据，不可能根据藻类的吸收波长和二次激发波长对水体藻类做出分类。
总之，现有方法都未实现基于叶绿素差异性分析的藻类分类和鉴别。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于叶绿素分析藻类分类和鉴别的仪器和方法。
为实现上述目的本发明采用的技术方案为：
基于叶绿素分析藻类分类和鉴别方法：采用光谱分析，利用混合双光束光源照射，激发待测水样内藻类叶绿素产生特征吸收光谱；根据吸收光谱波长和光强度变化，与预选各种不同藻类的吸收波长比较，区分个体间差异，进而实现藻类分类和鉴别。
所述混合双光束光源照射激发待测水样内藻类叶绿素产生的特征吸收光谱重叠，则通过激发待测水样内藻类叶绿素的荧光产生的二次激发荧光与预选各种不同藻类的激发波长比较，区分个体间差异，进而实现藻类分类和鉴别。所述混合双光束光源为发射190nm～1100nm的钨灯(+12V)和氘灯(+130V，AC 3V)形成的混合双光束(紫外/可见)光源。
基于叶绿素分析藻类分类和鉴别的仪器：包括混合双光束光源3、激发光滤色片4、激发光单色透射器5、样品检测池6、二次激发光滤色片9、二次激发光谱调节控制单元10、光谱放大器11和系统分析单元12，其中混合双光束光源3发射的激光照射在样品检测池6上，在混合双光束光源3与样品检测池6之间的光路上依次设有激发光滤色片4及激发光单色透射器5；所述样品检测池6内样品被激发产生的荧光依次通过二次激发光滤色片9、二次激发光谱调节控制单元10及光谱放大器11投射在系统分析单元12上。
所述混合双光束光源3与光学谱线扫描调节控制单元1相连，光学谱线扫描调节控制单元1通过电源2控制。所述样品检测池6上端设有样品排放口8，下端设有连续进样口9。所述样品排放口8和连续进样口7设于样品检测池6的同侧。
本发明的原理是：光能通过聚光色素复合体(Light harvesting complex)的吸收并由其传递给反应中心，植物叶绿素在分子吸收光能(吸收光谱，即特征吸收光谱)后，会由稳定的基态跃迁到不稳定的激发态，于是重新释放能量到基态，其中一部分能量以荧光的形式释放(二次激发)。
本发明所具有的优点：
本发明通过外加激发光照射，激发水体内藻类所含叶绿素产生二次激发荧光。根据激发波长和光强度变化，以及二次激发光的波长和光强变化，即可快速简便的对藻类分类和鉴别。
本发明能够通过混合双光束光源(波长190nm～1100nm)照射，并结合光学谱线扫描调节控制单元的调节和控制，结合目标水体内不同藻类的叶绿素特征吸收光谱，形成针对不同藻类的激发光源。同时，针对不同藻类叶绿素释放的能量形成的二次激发荧光，本发明结合光谱调节控制单元进行特征光谱调节选择，形成特征二次激发荧光光谱。
本发明能对叶绿素能量释放形成的微弱二次激发荧光进行强度放大，并明确分析，利用光学谱线扫描实现多波长测定和单波长定量分析，并结合预先构建主要藻类特征吸收光谱和二次激发光谱数据库，对不同藻类进行分析，通过光谱长短和强度大小对目标水体内所含藻类种类和数量进行分析，实现藻类分类和鉴别，并可在线分析不同水体内含有藻类的种类和数量。
附图说明
图1为本发明基于叶绿素分析藻类分类和鉴别的仪器示意图(其中1.光学谱线扫描调节控制单元、2.电源控制、3.混合双光束(紫外/可见)光源、4.激发光滤色片、5.激发光单色透射器、6.样品检测池、7.连续进样装置、8.样品排放、9.二次激发光滤色片、10二次激发光谱调节控制单元、11.光谱放大器、12系统分析单元)。
图2A为不同藻类叶绿素特征吸收光谱图(其中，1为铜绿微囊藻(Microcystis aeruginisa kutz)；2为水化微囊藻(Microcystisflos-aquae(Writtr.)kutz)；3为小球藻(Chlorella vulgaris Beij)；4为斜生栅藻(Scenedesmus obliquus))。
图2B为不同藻类叶绿素二次激发光谱及峰值变化图。
具体实施方式
实施例
基于叶绿素分析藻类分类和鉴别的仪器(参见图1)：
包括混合双光束光源3、激发光滤色片4、激发光单色透射器5、样品检测池6、二次激发光滤色片9、二次激发光谱调节控制单元10、光谱放大器11和系统分析单元12，混合双光束光源3与光学谱线扫描调节控制单元1相连，光学谱线扫描调节控制单元1通过电源2控制。接通电源，混合双光束光源3发射的激光经过激发光滤色片4后，穿过置于混合双光束光源3前的激发光单色透射器5，激光照射在样品检测池6上；所述样品检测池6内样品被激发产生的荧光依次通过二次激发光滤色片9、二次激发光谱调节控制单元10及光谱放大器11投射在系统分析单元12上；系统分析单元12在数秒内完成对样品的特征吸收波长、二次激发波长及光强变化，与系统分析单元12内置的各种不同藻类的吸收波长和激发波长进行比较，完成在线分析不同水体内含有藻类的种类和数量。
所述样品检测池6上端设有样品排放口8，下端设有连续进样口9；所述样品排放口8和连续进样口7设于样品检测池6的同侧。所述混合双光束光源为发射190nm～1100nm的钨灯(+12V)和氘灯(+130V，AC 3V)形成的混合双光束(紫外/可见)光源。
实施例1
取池塘富营养化水体水样，通过连续进样口9注入样品检测池内，接通电源，混合双光束光源即发射190nm～1100nm的钨灯(+12V)和氘灯(+130V，AC 3V)形成的混合双光束(紫外/可见)光源，发出激光经过激发光滤色片后，穿过置于混合双光束光源前的激发光单色透射器，导入与光源同一轴心线上的样品检测池、样品检测池水样内藻类叶绿素被激发后发射出藻类吸收光谱分别在440nm，423nm，450nm和435nm处出现最高的光强度传回，与系统分析单元12内置的各种不同藻类的吸收波长进行比较(参见图2A)完成在线分析不同水体内含有藻类的种类和数量。
同时若样品水体内藻种类比较多，或是在水体发生水化以后很多富营养化水体内生存的藻类，则需通过藻类叶绿素激发态发射的荧光经二次激发光滤色片9、二次激发光谱调节控制单元10和光谱放大器11投射于系统分析单元12的二次激发波长及光强变化，与系统分析单元12内置的各种不同藻类的激发波长进行比较(参见图2B)，完成在线分析不同水体内含有藻类的种类和数量。
由二次激发光谱及峰值表明，即使藻的特征吸收光谱可能是不同的，但二次激发光谱可能出现波长一致的情况，譬如第一种和第二种藻类(铜绿微囊藻和水化微囊藻)，虽然吸收光谱分别在440nm和423nm，但二次激发光谱则重叠在685nm处。因此可通过本发明监测藻类的特征吸收光谱和二次激发光谱，可以有效实现藻分类和鉴别的互补，实现藻类分类和鉴别。
同时通过本发明的鉴别方法可鉴别各种不同藻类有效实现藻分类和鉴别的互补，实现藻类分类和鉴别。

Claims (6)

1.一种基于叶绿素分析藻类分类和鉴别方法，其特征在于：采用光谱分析，利用混合双光束光源照射，激发待测水样内藻类叶绿素产生特征吸收光谱；根据吸收光谱波长和光强度变化，与预选各种不同藻类的吸收波长比较，区分个体间差异，进而实现藻类分类和鉴别；
所述混合双光束光源照射激发待测水样内藻类叶绿素产生的特征吸收光谱重叠，则通过激发待测水样内藻类叶绿素的荧光产生的二次激发荧光与预选各种不同藻类的激发波长比较，区分个体间差异，进而实现藻类分类和鉴别。
2.按权利要求1所述的基于叶绿素分析藻类分类和鉴别方法，其特征在于：所述混合双光束光源为发射190nm～1100nm的钨灯和氘灯形成的混合紫外/可见双光束光源。
3.一种按权利要求1所述的基于叶绿素分析藻类分类和鉴别方法而基于叶绿素分析藻类分类和鉴别的仪器，其特征在于：包括混合双光束光源(3)、激发光滤色片(4)、激发光单色透射器(5)、样品检测池(6)、二次激发光滤色片(9)、二次激发光谱调节控制单元(10)、光谱放大器(11)和系统分析单元(12)，其中混合双光束光源(3)发射的激光照射在样品检测池(6)上，在混合双光束光源(3)与样品检测池(6)之间的光路上依次设有激发光滤色片(4)及激发光单色透射器(5)；所述样品检测池(6)内样品被激发产生的荧光依次通过二次激发光滤色片(9)、二次激发光谱调节控制单元(10)及光谱放大器(11)投射在系统分析单元(12)上。
4.按权利要求3所述的基于叶绿素分析藻类分类和鉴别的仪器，其特征在于：所述混合双光束光源(3)与光学谱线扫描调节控制单元(1)相连，光学谱线扫描调节控制单元(1)通过电源(2)控制。
5.按权利要求3所述的基于叶绿素分析藻类分类和鉴别的仪器，其特征在于：所述样品检测池(6)上端设有样品排放口(8)，下端设有连续进样口(9)。
6.按权利要求5所述的基于叶绿素分析藻类分类和鉴别的仪器，其特征在于：所述样品排放口(8)和连续进样口(9)设于样品检测池(6)的同侧。
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