CN103472045A

CN103472045A - 一种快速在线水体荧光仪

Info

Publication number: CN103472045A
Application number: CN2013104307813A
Authority: CN
Inventors: 王雅娜; 晏光辉
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2013-09-22
Filing date: 2013-09-22
Publication date: 2013-12-25

Abstract

本发明是一种快速在线水体荧光仪，涉及在线水质分析仪器领域，主要用于水体中叶绿素a或其它荧光物质如水中矿物油等物质的现场快速测定，本发明采用的技术方案包含，采用高强度LED激发光聚焦照射在水体产生激发荧光、荧光聚焦装置将荧光收集并汇聚在荧光分光部件上，由荧光分光部件得到荧光光谱，对采集到的荧光光谱进行二阶导数变换得到二阶导数荧光光谱，二阶导数的极小值点处的强度与水体中叶绿素a的浓度成正比。

Description

一种快速在线水体荧光仪

技术领域

本发明属于在线水质仪表监测领域，具体涉及水体中叶绿素a或其它荧光物质的浓度测量。

背景技术

目前太湖、巢湖等内陆湖体蓝藻水华事件频发、在合适的温度下、蓝绿藻在在富营养化水体中疯长引起水体中氧份耗尽、水体中水生生物死亡、水生生物死亡后产生营养释放的循环又近一步加剧了湖体的富营养化，蓝藻群体上浮、聚集在水表面形成水华，而生在水面以下的藻类群体却明显减少，而在水华形成前后，同一水柱中的叶绿素总量可能并没有很大变化，在大多数情况下，这种突然出现的“水华”只不过是已存在、分散在水体中的藻类群体在适宜条件下的上浮、聚集、迁移至水面并为人们肉眼所见的过程，因此，实时监测水体中的叶绿素a的含量是能反映水华发生发展的程度。

目前国内各湖区采用叶绿素a、水中溶解氧、浊度、总磷、总氮、pH值等一系列水质参数推断水体的综合营养指数，采用合适的模型推断水体的营养状况，但多个水质参数一方面设备成本、维护成本投入高，在区、县地方很难普及；另一方面，水文、水质的监测参数反映水体的各层面特定情况，水质的各参数如叶绿素、溶解氧、浊度、透明度、pH值相互关联，重复监测造成建设成本的浪费和分析数据的冗余，因此，在基层蓝藻监测中通常只需监测叶绿素a的含量来表征水体的富营养化程度。

目前在线叶绿素a的监测仪器主要是特征荧光光谱法，如专利CN101403695A采用350nm的LED激发水体叶绿素，通过光学滤光片收集620nm-715nm波段范围内的荧光强度，根据收集的荧光量探测水体叶绿素a的浓度；在CN102253018A中采用470nm的LED光源激发水体叶绿素a，通过光学滤光片采集610nm-715nm波段的荧光，根据激发荧光量来探测水体叶绿素a的浓度，在CN102539394A中采用激发光阵列照射水体中的叶绿素，收集不同种激发光在685nm处的荧光光强，根据不同种激发光对荧光的贡献量来探测水体中叶绿素a的浓度，在专利CN101403695A和专利CN102253018A中未考虑激发光对其它荧光物质(如叶绿素b、叶绿素c、核黄素等)的激发而引起的荧光，荧光光谱带宽较大，专利C N102539394A从不同种波长激发光对荧光物质的激发效率不同而将荧光细化以提高叶绿素a的探测精度；本专利对荧光光谱进行分析，采用光谱范围内变化最快区域内荧光代表叶绿素a产生的荧光，减小的荧光光谱的带宽，提高了探测的精度和增强了仪器的检出限。

发明内容

针对现有技术中的不足，本发明的目的在于提供新的方法设计一种快速在线水体荧光仪，采用荧光分光部件检测水体叶绿素a或其它荧光物质在各个波长处的荧光强度，对各个波长处荧光强度进行变换得二阶导数荧光光谱，二阶导数荧光光谱的极值点反映了原始光谱的极大值点，二阶导数光谱的正或负过零点反映了原始光谱强度增加或减小最快的点，其正和负过零点区域内所包含的荧光强度面积代表了激发的叶绿素a的浓度，通过过零点荧光强度面积表征叶绿素a浓度的方式减少了其它荧光物质所发荧光对叶绿素a的干扰，压缩原始荧光光谱的带宽并将不同种物质荧光区分开来。

一种快速在线水体荧光仪的技术方案包含以下步骤：

步骤S101：激发光部件发射激发光束照射在水体，水体中的叶绿素a或其它荧光物质由于受到激发产生荧光。

步骤S102：荧光聚集装置采集激发的荧光，并将荧光照射到荧光分光部件上，由荧光分光部件记录下荧光光谱。

步骤S103：根据采集到的荧光计算水体中的叶绿素a或其它荧光物质的含量。

如上所述的一种快速在线水体荧光仪，其特征在于：在S101步骤中，采用365nm的高强度紫外发光二极管照射水体产生叶绿素a的荧光或其它波段二极管照射产生其它荧光物质，高强度紫外二极管经过聚焦透镜汇聚在水体探测点。

如上所述的一种快速在线水体荧光仪，其特征在于：在S102步骤中，荧光仪的荧光分光部件，采用衍射光栅的方式实现荧光色散，分光部件将荧光按照波长大小照射在探测器单元上，探测器单元采用线阵CCD阵列。

如上所述的一种快速在线水体荧光仪，其特征在于：在S103步骤中，对步骤2中的荧光光谱做二阶导数变换得到二阶导数荧光光谱，将二阶导数光谱极值点附近的正、负过零点所包含的导数光谱的面积和上传至微控制器，由微控制器采集二阶导数荧光光谱来计算叶绿素a的浓度。

如上所述的一种快速在线水体荧光仪，由微控制器控制激发光激发水体中叶绿素产生荧光，微控制器采集经过荧光分光部件分光后所得到的二阶导数荧光光谱极值点附近的正、负过零点的二阶导数光谱面积并据此计算水体中叶绿素a的浓度，将叶绿素a的浓度通过modbus协议传输至上位机，并可在上位机上设定水体叶绿素浓度荧光仪的底层参数和查询荧光仪的工作状态。

附图说明

图1为本发明一种快速在线水体荧光仪的流程图；

图2为本发明一种快速在线水体荧光仪框架图；

图3为本发明实施例中水体中叶绿素浓度荧光仪的一种脉冲恒亮度激发光的控制电路图。

图4为本发明实施例中水体中叶绿素浓度荧光仪的结构示意图；

图5为一种快速在线水体荧光仪的荧光光谱采集系统。

图6为本发明实施例中激发荧光光谱；

图7为本发明实施例中二阶导数荧光光谱；

图8为本发明实施例中二阶导数荧光光谱和原始荧光光谱的性能对比；

具体实施方式

下面结合说明书附图与具体实施方式对本发明做进一步的详细说明。

图1为本发明一种快速在线水体叶绿素荧光仪的流程图，具体包括以下步骤：

其中，激发光源1的波长为365nm、高亮度、稳定的发光二极管，发光二极管经过透镜101的聚焦后照射到水体，在透镜前由光窗102密封。

其中，穿过光窗105的荧光经过聚焦透镜103聚焦到一点，经过传导光纤106将荧光传输到荧光分光部件107。

将采集到的荧光光谱传输到微控制器中，经过微控制器的变换得到二阶导数荧光光谱，用二阶导数光谱中正、负过零点所包含的面积表征计算叶绿素a的浓度，压缩荧光光谱带宽、排除了其它荧光物质对叶绿素a的干扰。

图2是一种快速在线水体叶绿素荧光仪框架图，包含微控制器发出指令控制恒亮度电路，由电路控制发光二极管从而得到恒定亮度的激发光源；激发光激发水体产生的荧光经过荧光聚焦模块后照射到分光模块，得到激发荧光光谱，荧光光谱传输到微控制器，经过微控制计算出叶绿素a的浓度并显示，同时微控制器和上位机通信，在检测到不同浓度的叶绿素a时发出报警信号。

图3是一种快速在线水体叶绿素荧光仪的一种恒功率、恒亮度电路，由于发光二极管的光强由输入到二极管的电流决定，本荧光仪的光源电路采用恒流源电路的方式驱动发光二极管，通过在R2上的电压来稳定流经发光二极管的电流，当改变比较器的同向输入端的电压来实现发光二极管的脉冲横流输出。

图4是一种快速在线水体叶绿素荧光仪的结构示意图，荧光仪由圆柱型钢管120构成，尾端通过防水航空插头121将线缆引出，实现与上位机的通信与供电。

光源发出模块经过透镜101和光窗102聚焦在水体，荧光接收模块通过光窗105和聚焦透镜103聚焦在传导光纤106的一端，通过传导光纤106将荧光传输至分光部件107，分光部件和微控制器6相互通信计算出叶绿素a的浓度并通过modbu s协议传输至上位机。

本荧光仪采用刮块108清除密封光窗102和105上的淤泥或水藻滋生物。

图5是一种快速在线水体荧光仪的荧光光谱采集系统，在样品池中放置不同浓度的叶绿素溶液，得到不同浓度的叶绿素的激发荧光光谱图，在365nm紫外LED1经过透镜101聚焦照射在样品池3上，样品池中的叶绿素受到激发后产生荧光，在光线束垂直方向上收集荧光，荧光通过聚光透镜103照射到光纤106上，通过光纤传输到光谱仪8上，通过USB线7传输到微控制器6上得到荧光光谱图。

光纤导入的荧光通过接口111进入狭缝110以控制入光通量，再经过滤光片11以滤除不在该光谱仪波长范围内的光，准直反光镜114将入射光准直并反射到光栅衍射元件115上，不同波长的光在光栅115上发射衍射并照射到聚光镜116上，116将光反射到线阵CCD118上，118前由聚光透镜聚光以提高分辨率。

图6是微控制器所得到的分光部件107的荧光光谱，测量了在0μg/L、10μg/L、50μg/L、80μg/L、100μg/L、150μg/L、200μg/L、240μg/L、6600μg/L下的荧光光谱，荧光光谱在365nm光谱附近是激发光源的散射光，在680nm光谱附近的是叶绿素a的激发荧光光谱，叶绿素浓度越大，荧光光谱强度越大，在730nm附近有一荧光肩峰，荧光肩峰的强度大小与叶绿素a浓度成正比，730nm光谱处的荧光是680nm处荧光经过PSII后所严生的延迟荧光。

图7是微控制器将荧光光谱变换后的二阶导数荧光光谱，根据二阶导数的理论，二阶导数的极小值点对应原函数的极大值点，过零点对应原函数变化最快的点，二阶导数荧光光谱在673nm附近极大点，在665nm和690nm附近正、负方向过零，其中730nm附近的荧光是延迟荧光的二阶导数光谱，370nm光谱处是由于激发光的散射影响。

图8是对应的原始光谱、673nm光谱附近的二阶导数荧光光谱、730nm光谱附近的二阶导数延迟荧光光谱的线性、检出限的比较，由图可见，673nm光谱处的二阶导数荧光光谱较原始荧光、延迟荧光的线性、检出限为好。

本发明采用了673nm处的二阶导数荧光光谱计算叶绿素a的浓度，采用二阶导数荧光光谱的形式应用于在线荧光物质检测，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其同等技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims

1.一种快速在线水体荧光仪，其工作过程包含以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种快速在线水体荧光仪，其特征在于：在S101步骤中，采用365nm的高强度紫外发光二极管照射水体产生叶绿素的荧光或其它波段激发光源照射其它荧光物质，高强度紫外二极管经过聚焦透镜汇聚在水体探测点。

3.根据权利要求1所述的一种快速在线水体荧光仪，其特征在于：在S102步骤中，荧光仪的分光部件，采用衍射光栅的方式实现荧光色散，分光部件将荧光按照波长大小照射在探测器单元上，探测器单元采用线阵CCD阵列。

4.根据权利要求1所述的一种快速在线水体荧光仪，其特征在于：在S103步骤中，对步骤2中的荧光光谱做二阶导数变换得到二阶导数光谱，提取极小值点处的二阶导数光谱光强，其光强与所处水体中叶绿素的浓度成正比。

5.根据权利要求4所述的一种快速在线水体荧光仪的二阶导数荧光光谱，其特征波长是荧光光谱的二阶导数的极小值点，其极小值点在波长583nm附近。

6.根据权利要求1所述的一种快速在线水体荧光仪，其特征在于激发光部件和荧光分光部件成一定角度放置并高度集成，为提高精度，控制电路对光源脉冲调制，在一定程度上降低了LED光源老化、电源波动、探测器漂移的影响。

7.根据权利要求1所述的一种快速在线水体荧光仪，采用刮片的方式清除光学镜片上的淤泥和水藻滋生物，定时清洁镜片，保证荧光仪工作在适当的环境。