CN102928390B - 基于双探测器的水体叶绿素浓度在线检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于双探测器荧光强度比的水体叶绿素浓度检测方法和原位监测装置，激发光单元发射特定波长的平行光束，在平行光束垂直方向、间距为d的两个光电探测器探测荧光信号；基于朗伯-比尔定律，建立两路荧光信号强度比同水体叶绿素浓度之间的比例关系模型；监测装置还包括信号处理、窗口清洁、防水密闭空腔和环境防护罩等单元。本发明具有能够减小由于入射光波动、温度变化、散射光和探测窗口污染等的影响，扩大了测量的线性范围。

Description

基于双探测器的水体叶绿素浓度在线检测方法

技术领域

本发明涉及水体荧光色素浓度的在线检测技术，特别涉及一种基于荧光检测的叶绿素浓度监测装置和方法。

背景技术

目前，世界各地海洋、湖泊、河流、水库等各个水域水质污染日益严重，水质监测，特别是水质的实时原位监测越来越受到人们的重视。实时监测可以掌握水质变化动态，预测水质变化，及时防范大范围污染，特别是当水体中某一种藻类大量繁殖时，将会发生水华、赤潮，因此对浮游植物的实时在线监测可有针对性地预防、预警水华、赤潮等的大规模发生。

天然水体中不同藻类含有不同的特征色素，但几乎所有藻类都含有叶绿素a，叶绿素a的浓度通常用来估计浮游植物的生产量和生产力。在激励光的照射下，不同色素均能发射特有的荧光光谱，且荧光强度同色素浓度成一定的比例关系。因此，常用荧光法检测色素浓度和对不同藻类进行分类，并且，荧光法也可以实现在线监测。

荧光法测量水体叶绿素浓度的基本原理是根据朗伯-比尔定律推导出的荧光强度与叶绿素浓度的关系。其表达式为

I_f＝φ_fI₀(1-10^-εcl)        (1)

其中，I_f为荧光强度，φ_f为量子荧光效率，ε为荧光分子的摩尔吸收系数，c为溶液中荧光物质的浓度，l为光程。展开公式(1)中指数项，

$I_f={\mathrm{\φ}}_f{I}_0[2.3\mathrm{\ϵcl}-\frac{{\left(2.3\mathrm{\ϵcl}\right)}^2}{2!}+\frac{{\left(2.3\mathrm{\ϵcl}\right)}^3}{3!}-\·\·\·\·\·\·]---\left(2\right)$

当溶液很稀，被吸收的总激发光能不超过5％，即εcl≤0.05时，上式中括号内第二项以后项可忽略，即I_f＝2.3φ_fI₀εcl        (3) 

即当被测物质、入射光强、光程确定后，荧光强度同溶液浓度成线性关系。

目前在线测量水体叶绿素浓度的专利和产品中，激发光源有单个或多个激光或超高亮二极管等，而荧光探测均采用一个探测器，利用探测器探测的荧光强度测定水体中叶绿素的含量。但是，单探测器监测方法有其不足的地方，容易受以下几方面因素影响：

(1)入射光强波动，朗伯-比尔定律的前提条件就是要求入射光是稳定的单色平行光，若公式(2)中的I_O发生波动，必然引起I_f波动，导致浓度c波动。

(2)温度，温度变化不影响光子辐射过程，但分子的扩散、活化、分子内部能量转化将随温度的升高而增强，温度升高，叶绿素的荧光量子效率φ_f和荧光强度减小，反之增大。

(3)溶剂，同一种荧光物质在不同溶剂中的光谱位置和强度都会发生变化。

(4)散射光、探测窗口洁净度等，水体和颗粒物对荧光的散射，以及探测窗口受浑浊水体的污染等，均会影响荧光强度的探测值大小。

发明内容

(一)所解决的技术问题：

(1)构建基于双探测器的水体叶绿素浓度在线、快速、准确、低成本的监测装置；

(2)建立基于上述装置的浓度监测模型，着重解决由于入射光强波动、温度变化、长期使用等引起的测量误差。

(二)具体的解决方案：

为解决上述技术问题，本发明提供了一种双探测器荧光强度比的水体叶绿 素浓度检测方法和原位监测装置。

本发明的目的在于克服现有荧光法检测浮游植物色素浓度技术中存在的不足，提供一种单光源、双探测器的荧光强度比的色素浓度检测方法和原位在线监测装置。该方法根据朗伯-比尔定律推导出色素浓度同两个探测器荧光强度比之间的比例关系，一定程度上减小了由于入射光小幅波动、温度变化、散射光和探测窗口污染等对浓度测量值的影响，并扩大了测量的线性范围。

本发明提供一种快速、原位水体叶绿素浓度测量装置，主要包括：激发光单元、接收荧光单元、信号处理单元、窗口清洁装置、防水密闭空腔、环境光防护罩等。所述激发光单元位于防水密闭空腔内，主要包括：单色超高亮二极管、窄带发射滤光片、准直透镜、发射窗口。所述接收荧光单元位于防水密闭空腔内，主要包括两个光电探测器、窄带接收滤光片、接收窗口。所述信号处理单元主要包括模拟信号处理电路、微控制器、电源电路、存储传输电路等，所述模拟信号处理电路同两个光电探测器连接，主要包括对两路微弱信号的滤波、对数放大等，再由微控制器进行处理后存储或传输。所述窗口清洁装置主要包括清洁刷和直流电机，所述清洁刷由直流电机带动，可对发射窗口、接收窗口进行清洁，直流电机由所述微处理器控制，可实现自动或手动清洁窗口；所述清洁刷在荧光探测时由直流电机带动旋转至不影响激发光、荧光光路的位置。所述激发光源、发射滤光片、准直透镜产生的平行光束，同接收单元包含的接收滤光片、两个光电探测器成90°垂直放置；所述两个光电探测器放置间距为定值。所述环境光防护罩通过螺纹连接到防水密闭空腔，可方便取下进行手动清洁，并且在环境光防护罩上有若干通孔使内外水体能够自由流动。

本发明还提供一种利用上述装置对水体叶绿素浓度测量的建模方法，该方法包括以下步骤和特点：

S1，两探测器平行放置，间距d，探测器T1探测范围是从x1到x1+l的区域，探测器T2探测范围是x2到x2+l区域，入射光I₀，x1、x1+l、x2、x2+l处的透射光强分别是I₁₀、I₁₁、I₂₀、I₂₁。

S2，根据朗伯-比尔定律，I₁₁＝I₁₀10^-εcl，I₂₁＝I₂₀10^-εcl，I₂₀＝I₁₀10^-εcd

S3，探测器T1和T2探测到的荧光，分别为I_f1＝k_lφ_fI₁₀(1-10^-εcl)，

I_f2＝k₂φ_fI₂₀(1-10^-εcl)＝k₂φ_fI₁₀10^-εcd(1-10^-εcl)

φ_f为水体叶绿素荧光效率，k₁、k₂分别为探测器T1、T2比例常数。

S4，将两探测器探测到荧光相比， 数学变换得 即水体叶绿素浓度同T1，T2探测荧光强度比的对数成正比。

S5，同传统单探测器相比，双探测器可减小入射光随时间波动带来的测量误差。单探测器时，I_f＝2.3φ_fI_Oεcl，若入射光I_O随时间变化表示为I_(t)，假如浓度c不变，则I_f也随I_(t)变化而变化，而一般假定入射光是不变的，导致认为c出现了变化。双探测器时， $\frac{I_{f1}}{I_{f2}}=\frac{k_1{\mathrm{\φ}}_f{I}_{10}(1-{10}^{-\mathrm{\ϵcl}})}{k_2{\mathrm{\φ}}_f{I}_{10}{10}^{-\mathrm{\ϵcd}}(1-{10}^{-\mathrm{\ϵcl}})}=\frac{k_1}{k_2{10}^{-\mathrm{\ϵcd}}},$ 消除了入射光波动带来的测量误差。

S6，同传统单探测器相比，双探测器可消除温度变化带来的测量误差。单探测器时，I_f＝2.3φ_fI₀εcl，温度变化导致荧光效率φ_f变化，而一般认为φ_f是不变的，导致测量值c出现误差。双探测器时， $\frac{I_{f1}}{I_{f2}}=\frac{k_1{\mathrm{\φ}}_f{I}_{10}(1-{10}^{-\mathrm{\ϵcl}})}{k_2{\mathrm{\φ}}_f{I}_{10}{10}^{-\mathrm{\ϵcd}}(1-{10}^{-\mathrm{\ϵcl}})}=\frac{k_1}{k_2{10}^{-\mathrm{\ϵcd}}},$ 可减小温度变化带来的测量误差。

S7，同传统单探测器相比，双探测器可减小散射光和探测窗口污染带来的测量误差。假定溶液浑浊和探测窗口污染影响系数为W_(t)，单探测器时，I_f＝2.3W_(t)φ_fI₀εcl，浓度c会随溶液浑浊和探测器窗口洁净度变化，而长期、在 线监测时，W_(t)不易给出，导致测量值c出现误差。双探测器时，由于两个探测窗口距离较近，可认为二者W_(t)相同，则 $\frac{I_{f1}}{I_{f2}}=\frac{k_1{W}_{\left(t\right)}{\mathrm{\φ}}_f{I}_{10}(1-{10}^{-\mathrm{\ϵcl}})}{k_2{W}_{\left(t\right)}{\mathrm{\φ}}_f{I}_{10}{10}^{-\mathrm{\ϵcd}}(1-{10}^{-\mathrm{\ϵcl}})}=\frac{k_1}{k_2{10}^{-\mathrm{\ϵcd}}},$ 可减小溶液浑浊和探测窗口污染带来的测量误差。

S8，双探测器扩大了测量线性范围，当叶绿素浓度逐渐增大时，公式(2)中中括号的第二项不能忽略，即荧光强度与浓度之间不再符合线性关系，双探测器时， $\frac{I_{f1}}{I_{f2}}=\frac{k_1{\mathrm{\φ}}_f{I}_{10}(1-{10}^{-\mathrm{\ϵcl}})}{k_2{\mathrm{\φ}}_f{I}_{10}{10}^{-\mathrm{\ϵcd}}(1-{10}^{-\mathrm{\ϵcl}})}=\frac{k_1}{k_2{10}^{-\mathrm{\ϵcd}}},$ 消除了(1-10^-εcl)项，数学变换后， 浓度同两探测器荧光强度比的对数成正比，同单探测器相比，扩大了线性范围。

S9，双探测器输出的信号同信号处理电路连接，采用对数放大电路，有很高的共模抑制比，抑制了电路部分温漂，可提高检测灵敏度。

附图说明

图1双探测器荧光监测系统的结构示意图；

图2双探测器荧光分析图；

图3是利用本发明实施例的双探测器相对荧光强度T1、T2及其比值的对数B同叶绿素浓度间的关系曲线。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

本实施例的一种快速、原位水体叶绿素测量装置，主要包括：激发光单元100、接收荧光单元200、信号处理单元300、窗口清洁装置400、防水密闭空腔500、环境光防护罩600等。所述激发光单元100位于防水密闭空腔500内， 主要包括：单色超高亮二极管101、窄带发射滤光片102、准直透镜103、发射窗口104，所述超高亮二极管101为波长430nm超高亮蓝光二极管，所述窄带发射滤光片102中心波长430nm，半峰值带宽8nm。所述接收荧光单元200位于防水密闭空腔500内，主要包括两个光电探测器201a和201b、窄带接收滤光片202a和202b、接收窗口203a和203b，所述窄带接收滤光片202a和202b中心波长680nm，半峰值带宽10nm。所述信号处理单元300主要包括模拟信号处理电路301、微控制器302、电源电路303、存储传输电路304等，所述模拟信号处理电路301同两个光电探测器201a和201b连接，主要包括对两路微弱信号的滤波、对数放大等，再由微控制器302进行处理后存储或传输。所述窗口清洁装置400主要包括清洁刷401和直流电机402，所述清洁刷401同直流电机402连接，可对发射窗口104、接收窗口203a和203b进行清洁，直流电机402由所述微处理器302控制，可实现自动或手动清洁窗口；所述清洁刷401在荧光探测时由直流电机402带动旋转至不影响激发光、荧光光路的位置。所述光源101、发射滤光片102、准直透镜103产生的平行光束，同接收单元200包含的接收滤光片202a和202b、两个光电探测器201a和201b成90°垂直放置；所述两个光电探测器201a和201b放置间距为定值。所述环境光防护罩600通过螺纹连接到防水密闭空腔500，可方便取下进行手动清洁，并且在环境光防护罩上有若干通孔使内外水体能够自由流动。

本实施例利用上述装置对水体叶绿素浓度测量提供了建模方法，该方法包括以下步骤和特点：

S1，两探测器平行放置，间距d，探测器T1探测范围是从x1到x1+l的区域，探测器T2探测范围是x2到x2+l区域，入射光I₀，x1、x1+l、x2、x2+l处的透射光强分别是I₁₀、I₁₁、I₂₀、I₂₁。

S2，根据朗伯-比尔定律，I₁₁＝I₁₀10^-εcl，I₂₁＝I₂₀10^-εcl，I₂₀＝I₁₀10^-εcd

S3，探测器T1和T2探测到的荧光，分别为I_f1＝k₁φ_fI₁₀(1-10^-εcl)，

I_f2＝k₂φ_fI₂₀(1-10^-εcl)＝k₂φ_fI₁₀10^-εcd(1-10^-εcl)

φ_f为水体叶绿素荧光效率，k₁、k₂分别为探测器T1、T2比例常数。

S4，将两探测器探测到荧光相比， 数学变换得 即水体叶绿素浓度同T1，T2探测荧光强度比的对数成正比。

S5，同传统单探测器相比，双探测器可减小入射光随时间波动带来的测量误差。单探测器时，I_f＝2.3φ_fI₀εcl，若入射光I₀随时间变化表示为I_(t)，假如浓度c不变，则I_f也随I_(t)变化而变化，而一般假定入射光是不变的，导致认为c出现了变化。双探测器时， $\frac{I_{f1}}{I_{f2}}=\frac{k_1{\mathrm{\φ}}_f{I}_{10}(1-{10}^{-\mathrm{\ϵcl}})}{k_2{\mathrm{\φ}}_f{I}_{10}{10}^{-\mathrm{\ϵcd}}(1-{10}^{-\mathrm{\ϵcl}})}=\frac{k_1}{k_2{10}^{-\mathrm{\ϵcd}}},$ 消除了入射光波动带来的测量误差。

S6，同传统单探测器相比，双探测器可消除温度变化带来的测量误差。单探测器时，I_f＝2.3φ_fI_Oεcl，温度变化导致荧光效率φ_f变化，而一般认为φ_f是不变的，导致测量值c出现误差。双探测器时， $\frac{I_{f1}}{I_{f2}}=\frac{k_1{\mathrm{\φ}}_f{I}_{10}(1-{10}^{-\mathrm{\ϵcl}})}{k_2{\mathrm{\φ}}_f{I}_{10}{10}^{-\mathrm{\ϵcd}}(1-{10}^{-\mathrm{\ϵcl}})}=\frac{k_1}{k_2{10}^{-\mathrm{\ϵcd}}},$ 可减小温度变化带来的测量误差。

S7，同传统单探测器相比，双探测器可减小散射光和探测窗口污染带来的测量误差。假定溶液浑浊和探测窗口污染影响系数为W_(t)，单探测器时，I_f＝2.3W_(t)φ_fI₀εcl，浓度c会随溶液浑浊和探测器窗口洁净度变化，而长期、在线监测时，W_(t)不易给出，导致测量值c出现误差。双探测器时，由于两个探测窗口距离较近，可认为二者W_(t)相同，则 $\frac{I_{f1}}{I_{f2}}=\frac{k_1{W}_{\left(t\right)}{\mathrm{\φ}}_f{I}_{10}(1-{10}^{-\mathrm{\ϵcl}})}{k_2{W}_{\left(t\right)}{\mathrm{\φ}}_f{I}_{10}{10}^{-\mathrm{\ϵcd}}(1-{10}^{-\mathrm{\ϵcl}})}=\frac{k_1}{k_2{10}^{-\mathrm{\ϵcd}}},$ 可减小溶液浑浊和探测窗口污染带来的测量误差。

S8，双探测器扩大了测量线性范围，当叶绿素浓度逐渐增大时，公式(2)中中括号的第二项不能忽略，即荧光强度与浓度之间不再符合线性关系，双探测器时， $\frac{I_{f1}}{I_{f2}}=\frac{k_1{\mathrm{\φ}}_f{I}_{10}(1-{10}^{-\mathrm{\ϵcl}})}{k_2{\mathrm{\φ}}_f{I}_{10}{10}^{-\mathrm{\ϵcd}}(1-{10}^{-\mathrm{\ϵcl}})}=\frac{k_1}{k_2{10}^{-\mathrm{\ϵcd}}},$ 消除了(1-10^-εcl)项，数学变换后， 浓度同两探测器荧光强度比的对数成正比，同单探测器相比，扩大了线性范围。

S9，双探测器输出的信号同信号处理电路连接，采用对数放大电路，有很高的共模抑制比，抑制了电路部分温漂，可提高检测灵敏度。

本实施例与现有的水体叶绿素浓度监测方法相比具有如下优点和效果：

(1)采用单光源、双探测器采集荧光信号，不仅可得到探测器T1、T2输出值对应的叶绿素浓度，还可以得到两探测器荧光强度比与叶绿素浓度间的比例关系，三条关系曲线可相互校正，得到更精确的叶绿素浓度。

(2)采用双探测器，可有效减小激发光源随时间波动引起的测量误差。

(3)采用双探测器，可有效减小由于环境温度变化，叶绿素量子产率变化导致的测量误差。

(4)采用双探测器，可有效减小由于浮游植物死亡、水体浑浊、探测窗口受污染等引起的测量误差。

(5)采用对数放大电路对双探测器输出信号进行差分放大，可提高共模抑制比、抑制电路部分温漂，提高检测灵敏度。

(6)利用本发明实施例的检测装置和方法，随叶绿素浓度变化，得到两个探测器T1、T2的荧光强度及其荧光强度比对数同叶绿素浓度间的关系曲线，如图3所示，由图3可以看出，T1、T2在叶绿素低浓度时线性度较好，随着浓度增加，线性度变差，但是，T1、T2的荧光强度比的对数曲线B线性度一 直较好，扩大了线性测量范围。

以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims (5)

1.一种基于双探测器荧光强度比的水体叶绿素浓度原位检测方法，其采用的装置主要包括：激发光单元、接收荧光单元、信号处理单元、窗口清洁装置、防水密闭空腔、环境光防护罩；所述激发光单元位于防水密闭空腔内；所述接收荧光单元位于防水密闭空腔内，所述接收荧光单元为两个平行放置且间距为d的光电探测器T1和T2，且两者均垂直于激发光束；所述信号处理单元，用于对激发光信号和接收到的两路荧光信号采用对数放大器进行处理；所述环境光防护罩通过螺纹连接到防水密闭空腔；

其检测方法的特征在于，包括以下步骤：

S1，激发光单元产生特定波长的平行光束；

S2，两探测器T1、T2分别探测到荧光强度：I_f1＝k₁φ_fI₁₀(1-10^-εcl)，I_f2＝k₂φ_fI₂₀(1-10^-εcl)＝k₂φ_fI₁₀10^-εcd(1-10^-εcl)，φ_f为水体叶绿素荧光效率，k₁、k₂分别为探测器T1、T2比例常数，I₁₀、I₂₀分别是探测器T1、T2探测荧光起始位置处的透射光强，ε为荧光分子的摩尔吸收系数，c为溶液中荧光物质的浓度，l为探测器T1和T2的探测范围长度，d为两探测器间距；

S3，信号处理电路对两路荧光信号相比，数学变换得即得到水体叶绿素浓度同T1，T2探测荧光强度比的对数成比例的关系。

2.如权利要求1所述的一种基于双探测器荧光强度比的水体叶绿素浓度原位检测方法，其特征在于，若入射光I₀随时间变化表示为I_(t)，单探测器时，荧光强度I_f＝2.3φ_fI_(t)εcl，随I_(t)变化而变化；双探测器时， $\frac{I_{f1}}{I_{f2}}=\frac{k_1{\mathrm{\φ}}_f{I}_{10}(1-{10}^{-\mathrm{\ϵcl}})}{k_2{\mathrm{\φ}}_f{I}_{10}{10}^{-\mathrm{\ϵcd}}(1-{10}^{-\mathrm{\ϵcl}})}=\frac{k_1}{k_2{10}^{-\mathrm{\ϵcd}}},$ 减小了入射光波动带来的测量误差。

3.如权利要求1所述的一种基于双探测器荧光强度比的水体叶绿素浓度原位检测方法，其特征在于，若水体温度变化导致荧光效率φ_f变化， $\frac{I_{f1}}{I_{f2}}=\frac{k_1{\mathrm{\φ}}_f{I}_{10}(1-{10}^{-\mathrm{\ϵcl}})}{k_2{\mathrm{\φ}}_f{I}_{10}{10}^{-\mathrm{\ϵcd}}(1-{10}^{-\mathrm{\ϵcl}})}=\frac{k_1}{k_2{10}^{-\mathrm{\ϵcd}}},$ 可减小温度变化带来的测量误差。

4.如权利要求1所述的一种基于双探测器荧光强度比的水体叶绿素浓度原位检测方法，其特征在于，若溶液浑浊和探测窗口污染影响系数为W_(t)，单探测器时，I_f＝2.3W_(t)φ_fI₀εcl；双探测器时，由于两个探测窗口距离较近，可认为二者W_(t)相同，则 $\frac{I_{f1}}{I_{f2}}=\frac{k_1{W}_{\left(t\right)}{\mathrm{\φ}}_f{I}_{10}(1-{10}^{-\mathrm{\ϵcl}})}{k_2{W}_{\left(t\right)}{\mathrm{\φ}}_f{I}_{10}{10}^{-\mathrm{\ϵcd}}(1-{10}^{-\mathrm{\ϵcl}})}=\frac{k_1}{k_2{10}^{-\mathrm{\ϵcd}}},$ 可减小溶液浑浊和探测窗口污染带来的测量误差。

5.如权利要求1所述的一种基于双探测器荧光强度比的水体叶绿素浓度原位检测方法，其特征在于，两路荧光信号比，消除了(1-10^-εcl)项，同单探测器相比，扩大了浓度测量的线性范围。