CN103616354A - 一种藻类浓度原位荧光检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种藻类浓度原位荧光检测装置。本发明以多波段LED激发光源，以雪崩二极管为探测器，研发了一种用于藻类浓度测量的原位荧光检测技术与装置，该装置解决了光学测量窗口污染、自然光照和浊度对荧光测量结果的影响等问题，可满足野外自然光照条件下水体藻类浓度原位快速监测需求。该装置可用于野外水体藻类浓度快速调查，也可以固定安装于浮标上或者自动监测站中对固定监测点的藻类浓度进行长期连续监测，具有良好的市场前景。

Description

一种藻类浓度原位荧光检测装置

技术领域

本发明涉及藻类浓度检测装置领域，具体为一种藻类浓度原位荧光检测装置。

背景技术

随着经济的迅猛发展，许多湖泊生态环境受到严重破坏，湖泊富营养化问题日益严重。水体的富营养化导致水体藻类的大量增殖，过量的藻类耗尽水体中的溶解氧，引起水生生物大量死亡、水体发黑发臭。特别是自20世纪70年代以来，我国内陆湖库水华发生频率以每10年增加3倍的速度不断上升，而且单次水华发生的面积和持续时间不断扩大，所造成的危害程度也逐年增加。根据国际上湖泊治理的经验，湖泊富营养化状况不可能在短时间内有明显改善。在未来数十年时间内，我国的多数湖库仍会频繁出现藻类水华。目前，减少水体富营养化造成损失的最有效措施是发展藻类浓度原位检测技术，加强敏感水域藻类水华的在线监测和预警，为及时采取治理措施，防治水华成灾争取宝贵时间。

目前，水体藻类浓度的测量方法可以分为显微计数、叶绿素含量测定、卫星遥感三种。显微计数采集的样品需要经过鲁格氏液、甲醛等固定液固定，带回实验室沉淀浓缩后进行定性定量分析，需要花费的时间较长。此外，显微镜下藻类分类和计数需要非常专业的人员，而且分析样品的效率较低（一般而言，对一个样品同时进行定性定量分析约需2小时）。叶绿素含量测定是一种相对较快速简单的测量技术，但传统的测量方法多为现场采集后带回实验室抽取，然后进行分光光度计分析、荧光分光光度计分析或高效液相色谱（HPLC）分析，但这种技术最快也需要1-2天才能获得结果。这两种方法均不能立即反映出水体中的藻类信息，而是要经过一段分析时间，从而降低了生物监测的时效性，大大影响水华的监测和预测。卫星遥感具备监测范围广、数据多、不受地理位置和人为条件限制等优点，但其容易受天气条件影响，且往往需要藻类细胞累积到一定程度（可能已经发生水华）才能监测到，达不到预测的效果，而且购买卫星遥感数据费用高，分析复杂，因此卫星遥感多在专业机构进行。近些年来，荧光技术作为一种叶绿素a含量的测量方法在藻类快速监测方面得到很大的发展。Lee等人根据蓝藻所具有的藻蛋白发出的特征荧光谱，建立了现场活体监测蓝藻含量的荧光分析技术，在0.01-10μg/mL的范围内可准确测定海水样品中的蓝藻含量；Kolbowski等人（1995）通过初始荧光区分开了三个主要的藻类种群；Beutler等人（2002），利用浮游藻活体叶绿素激发荧光光谱，将浮游藻分为四大类（绿藻，蓝藻，隐藻，混合藻（含甲藻和硅藻））识别测定，建立了浮游藻群落组成测定方法；王志刚等人（2007）采用多波段LED作用激发光源，利用叶绿素a离散激发荧光光谱，研发了蓝藻、绿藻和褐藻分类测量方法与系统。

尽管叶绿素荧光可以快速、灵敏和无损伤地探测藻类细胞的色素组成和含量，且基于活体荧光的藻类浓度测量原理和方法已经成熟，但是，目前尚缺乏可野外环境的原位测量技术与装置，究其主原因是在正常生理条件，藻类叶绿素荧光强度不足吸收光能的1%，叶绿素荧光信号的检测受到自然光照、水体浊度以及光学测量窗口污染等诸多因素干扰，难以实现原位荧光信号的精确测量。

发明内容

本发明的目的是提供一种藻类浓度原位荧光检测装置，以解决现有技术藻类浓度检测装置测量窗口易污染、自然光照和浊度对荧光测量结果会产生不利影响的问题。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：

一种藻类浓度原位荧光检测装置，包括有封闭的外壳，其特征在于：外壳一侧侧壁上安装有光学窗口，所述外壳内设置有S3C2440内核的嵌入式主控制模块、光源驱动模块、荧光检测模块，其中光源驱动模块由脉冲宽度调制电路构成，荧光检测模块由光电转换电路、前置放大电路、带通滤波电路、可变增益放大电路、全波整流电路和低通滤波电路构成，所述光源驱动模块上接入有多个不同波段的LED激发光源，且其中一个LED激发光源为红外LED光源，所述荧光检测模块上接入有雪崩二极管作为光电探测器，所述外壳内还设置有荧光探测光纤、多个激发光纤，且多个激发光纤呈锥形均匀分布在荧光探测光纤周围，多个激发光纤的一端分别各自通过低通滤光片一一对应耦合至多个LED激发光源，荧光探测光纤一端通过高通滤光片耦合至光电探测器，荧光探测光纤、多个激发光纤另一端分别伸向光学窗口，且多个激发光纤另一端分别与光学窗口平面呈锐角；

所述主控制模块控制光源驱动模块分时驱动多个LED激发光源产生激发光，分时的激发光穿过光学窗口出射至样品，使样品分时发射与各个LED激发光源频率一一对应的多组调制荧光，多组调制荧光分时通过荧光探测光纤被光电探测器接收，由光电探测器将调制荧光信号送入荧光检测模块中的光电转换电路转换为电信号，电信号依次经过前置放大电路、带通滤波电路、可变增益放大电路处理后得到正弦信号，正弦信号再依次经过全波整流电路和低通滤波处理后得到正比于样品调制荧光强度的直流信号，所述直流信号送入主控制模块，由主控制模块内的模数转化器数字化采集。由主控制模块控制切换激发光源LED，采集不同激发波长激发下样品荧光强度，构成样品激发荧光光谱，最后主控制模块再利用采集到的激发荧光光谱反演得到样品中藻类浓度。

所述的一种藻类浓度原位荧光检测装置，其特征在于：由光电探测器、多个LED激发光源，及荧光探测光纤、呈锥形均匀分布在荧光探测光纤周围的多个激发光纤构成端窗式荧光激发-发射结构，端窗式光学结构可方便窗口清洁与遮光等结构设计。

所述的一种藻类浓度原位荧光检测装置，其特征在于：LED激发光源有七个，其中六个LED激发光源的波段分别为468nm、525nm、572nm、590nm、610nm，用于激发浮游植物样品产生激发荧光光谱；第七个为波段为850nm红外LED光源，用于水体浊度测量，补偿由于浊度对荧光测量的影响。

所述的一种藻类浓度原位荧光检测装置，其特征在于：所述外壳设有光学窗口的侧壁上通过一个转轴转动安装有遮光盖、清洗刷，遮光盖和清洗刷分别用于解决原位测量中光学窗口遮光和自清洁光问题；所述遮光盖、清洗刷呈180度直线分布，所述外壳内安装有防水电机，所述防水电机的电机轴与转轴传动连接。

所述的一种藻类浓度原位荧光检测装置，其特征在于：所述遮光盖与光学窗口之间具有间隙，保持长期的原位测量样品的流动更新。

所述的一种藻类浓度原位荧光检测装置，其特征在于：多个激发光纤另一端分别与光学窗口平面呈45°角。

所述的一种藻类浓度原位荧光检测装置，其特征在于：所述低通滤光片为630nm低通滤光片，所述高通滤光片为650nm高通滤光片，减小激发光源散射光对荧光测量的影响。

本发明针对藻类浓度原位监测需求，基于叶绿素荧光光谱的藻类浓度分析方法，设计了一种可用于野外环境水体的藻类活体荧光原位检测装置，该装置有效的解决了光学测量窗口易受污染、自然光照和浊度对荧光测量结果产生不利影响的问题，实现了藻类活体荧光原位检测，可满足野外自然光照条件下水体藻类浓度原位快速监测需求。

附图说明

图1为本发明内部结构示意图。

图2为本发明光学窗口仰视图。

图3为本发明荧光检测过程中信号时序图。

图4为本发明自然光照条件下藻类原位荧光检测信号图。

具体实施方式

如图1、图2所示。一种藻类浓度原位荧光检测装置，包括有封闭的外壳13，外壳13一侧侧壁上安装有光学窗口9，外壳13内设置有S3C2440内核的嵌入式主控制模块、光源驱动模块、荧光检测模块，光源驱动模块、荧光检测模块集成一体为光源驱动与荧光检测模块,2，其中光源驱动模块由脉冲宽度调制电路构成，荧光检测模块由光电转换电路、前置放大电路、带通滤波电路、可变增益放大电路、全波整流电路和低通滤波电路构成，光源驱动模块上接入有多个不同波段的LED激发光源4，且其中一个LED激发光源为红外LED光源，荧光检测模块上接入有雪崩二极管作为光电探测器3，外壳13内还设置有荧光探测光纤8、多个激发光纤7，且多个激发光纤7呈锥形均匀分布在荧光探测光纤8周围，多个激发光纤7的一端分别各自通过低通滤光片5一一对应耦合至多个LED激发光源4，荧光探测光纤8一端通过高通滤光片6耦合至光电探测器3，荧光探测光纤8、多个激发光纤4另一端分别伸向光学窗口9，且多个激发光纤4另一端分别与光学窗口9平面呈锐角；

主控制模块1控制光源驱动模块分时驱动多个LED激发光源4产生激发光，分时的激发光穿过光学窗口9出射至样品，使样品分时发射与各个LED激发光源4频率一一对应的多组调制荧光，多组调制荧光分时通过荧光探测光纤8被光电探测器3接收，由光电探测器3将调制荧光信号送入荧光检测模块中的光电转换电路转换为电信号，电信号依次经过前置放大电路、带通滤波电路、可变增益放大电路处理后得到正弦信号，正弦信号再依次经过全波整流电路和低通滤波处理后得到正比于样品调制荧光强度的直流信号，所述直流信号送入主控制模块，由主控制模块内的模数转化器数字化采集。由主控制模块控制切换激发光源LED，采集不同激发波长激发下样品荧光强度，构成样品激发荧光光谱，最后主控制模块再利用采集到的激发荧光光谱反演得到样品中藻类浓度。

由光电探测器3、多个LED激发光源4，及荧光探测光纤8、呈锥形均匀分布在荧光探测光纤8周围的多个激发光纤7构成端窗式荧光激发-发射结构。

LED激发光源4有七个，其中红外LED光源4.7的波段为850nm，其余六个LED激发光源4.1-4.6的波段分别为468nm、525nm、572nm、590nm、610nm。

外壳13设有光学窗口9的侧壁上通过一个转轴转动安装有遮光盖10、清洗刷11，遮光盖10、清洗刷13呈180度直线分布，外壳13内安装有防水电机12，防水电机12的电机轴与转轴传动连接。

遮光盖10与光学窗口9之间具有间隙。

多个激发光纤7另一端分别与光学窗口平面呈45°角。

低通滤光片5为630nm低通滤光片，高通滤光片6为650nm高通滤光片。

本发明的特点简述如下：

（1）以多波段LED激发光源阵列为激发光源，以雪崩二极管（APD）为光电探测器，采用光纤导光，设计了端窗式荧光激发-发射结构，使用遮光盖与清洗刷相配合，解决光学窗口遮光和自清洁光问题；

（2）以特定频率的调制光诱导叶绿素荧光，采用自动增益的选频荧光检测技术，实现强自然光干扰下微弱叶绿素荧光信号的精确测量；

（3）通过红外LED光源的后向散射光强测量水体浊度，补偿水体浊度给荧光探测带来影响，减小荧光信号的测量误差。

本发明利用多波段光源，激发产生叶绿素激发荧光光谱，通过测量藻类激发荧光光谱，解析得到多种藻类浓度。本发明以多波段LED激发光源为激发光源，以雪崩二极管为光电探测器，研发了一种用于藻类浓度测量的原位荧光检测技术与装置，装置组成及原理如图1所示。主控制模块控制光源驱动模块为LED激发光源提供10kHz的驱动信号，激发光通过低通带通滤光片，辐射到水体中，激发水体产生同频的调制荧光；调制荧光通过高通滤光片后，在135°方向进行荧光探测；光电探测器输出信号经可变增益的选频电路调理成直流电压信号，经AD数字化后传递给主控制模块，进行处理与分析。

本发明各部分说明如下：

（1）荧光激发-发射的端窗式光学系统

如图、图2所示。藻类荧光原位检测装置采用6个波段（468nm、525nm、572nm、590nm、610nm、624nm）LED激发光源作为激发光源，每个LED激发光源通过630nm低通滤光片一一对应耦合到直径3mm的多个激发光纤的一端，激发光纤的另一端与光学窗口成45°角，激发光纤呈锥形均匀分布在直径5mm的荧光探测光纤周围，荧光探测光纤一端通过680nm高通滤光片耦合到雪崩二极管探测器，形成端窗式荧光激发-发射结构。在光学窗口上装配一体化的遮光盖与清洗刷，由防水电机驱动，遮光盖与清洁刷成180°角分布，每次测量时先利用清洗刷清洁窗口，再利用遮光盖挡住光学窗口进行荧光测量，遮光盖和光学窗口之间保留2mm间隙，确保每次测量过程中水样的更新。这样设计不仅实现光学仪器窗口自清洁，而且有效减小了自然光对荧光检测的干扰。

考虑到荧光测量过程受水体浊度影响大，在LED激发光源中，添加850nm波段的红外LED光源，利用荧光检测的光学系统进行浊度测量。850nm的红外LED光源通过820nm高通滤光片，同样经激发光纤照射水体产生散射光，由雪崩二极管探测接收，利用135°的后向散射信号可换算出水体浊度，用于补偿荧光光谱检测中的激发光和荧光的损失，提高荧光检测准确度。

（2）选频自动增益的荧光检测系统

藻类荧光原位检测中最大的噪声来源是外界自然光，尽管光学窗口采用遮光处理，但剩余的自然光仍与荧光强度在同一个数量级上，甚至更大。除此之外，探测器的暗电流、电路本身固有噪声等也是干扰荧光检测的重要因素。经分析发现，自然光、暗电路和电路噪声主要能量分布在低频段。根据这一特点，本发明在荧光信号检测中采用带自动增益的调制解调荧光检测技术，抑制调制频率以外的干扰信号，放大调制荧光信号，提高检测系统信噪比。采用10kHz频率的调制激发光源，多波段LED分时激发，激发时产生同频的荧光，荧光信号经光电转化、前置放大、带通选频、可变增益放大、全波整流、低通后，形成正比与荧光强度的直流信号，由AD采集。荧光检测过程中主要信号的流程如图3所示，当LED的选通信号有效时，LED在调制脉冲（PWM）的驱动下产生的调制激发光，激发样品发射相应频率的调制荧光，由雪崩二极管转化为电信号，通过前置放大、四阶带通选频和自动增益放大，成为正弦信号，再经整流和低通滤波后成为正比荧光强度直流信号。在LED选通信号有效期内，启动采样脉冲（SPS）进行多次采集平均，进一步提高检测的信噪比。

具体实施例：

本发明将浓度为12μg/L的蓝藻暴露在400μmol/m²/s的自然光照条件下，利用本发明方案研制的藻类荧光检测装置进行原位检测，图4为468nm光源激发下测得荧光检测电路各节点处的信号。从信号分析结果表明，装置对自然光和电路噪声具有较高的抑制能力。

将本发明提出的原位荧光检测技术应用于藻类浓度原位检测仪，对铜绿微囊藻（Microcystis aeruginosa）、小球藻（Chlorella sp）和桅杆藻（Fragilaria sp）进行野外仿真测量，测量结果和高效液相色谱法测量结果进行对比性实验。实验结果表明：藻类浓度原位检测仪与高效液相色谱测得的结果偏差范围在0.29-3.69%，平均偏差为1.64%，具有较高的一致性，具体结果如表1所示。

表1藻类浓度原位检测仪和高效液相色谱的实验结果对比

Claims (7)

1.一种藻类浓度原位荧光检测装置，包括有封闭的外壳，其特征在于：外壳一侧侧壁上安装有光学窗口，所述外壳内设置有S3C2440内核的嵌入式主控制模块、光源驱动模块、荧光检测模块，其中光源驱动模块由脉冲宽度调制电路构成，荧光检测模块由光电转换电路、前置放大电路、带通滤波电路、可变增益放大电路、全波整流电路和低通滤波电路构成，所述光源驱动模块上接入有多个不同波段的LED激发光源，且其中一个LED激发光源为红外LED光源，所述荧光检测模块上接入有雪崩二极管作为光电探测器，所述外壳内还设置有荧光探测光纤、多个激发光纤，且多个激发光纤呈锥形均匀分布在荧光探测光纤周围，多个激发光纤的一端分别各自通过低通滤光片一一对应耦合至多个LED激发光源，荧光探测光纤一端通过高通滤光片耦合至光电探测器，荧光探测光纤、多个激发光纤另一端分别伸向光学窗口，且多个激发光纤另一端分别与光学窗口平面呈锐角；

所述主控制模块控制光源驱动模块分时驱动多个LED激发光源产生激发光，分时的激发光穿过光学窗口出射至样品，使样品分时发射与各个LED激发光源频率一一对应的多组调制荧光，多组调制荧光分时通过荧光探测光纤被光电探测器接收，由光电探测器将调制荧光信号送入荧光检测模块中的光电转换电路转换为电信号，电信号依次经过前置放大电路、带通滤波电路、可变增益放大电路处理后得到正弦信号，正弦信号再依次经过全波整流电路和低通滤波处理后得到正比于样品调制荧光强度的直流信号，所述直流信号送入主控制模块，由主控制模块内的模数转化器数字化采集；由主控制模块控制切换激发光源LED，采集不同激发波长激发下样品荧光强度，构成样品激发荧光光谱，最后主控制模块再利用采集到的激发荧光光谱反演得到样品中藻类浓度。

2.根据权利要求1所述的一种藻类浓度原位荧光检测装置，其特征在于：由光电探测器、多个LED激发光源，及荧光探测光纤、呈锥形均匀分布在荧光探测光纤周围的多个激发光纤构成端窗式荧光激发-发射结构，端窗式光学结构可方便窗口清洁与遮光等结构设计。

3.根据权利要求1所述的一种藻类浓度原位荧光检测装置，其特征在于：LED激发光源有七个，其中六个LED激发光源的波段分别为468nm、525nm、572nm、590nm、610nm，用于激发浮游植物样品产生激发荧光光谱；第七个为波段为850nm红外LED光源，用于水体浊度测量，补偿由于浊度对荧光测量的影响。

4.根据权利要求1所述的一种藻类浓度原位荧光检测装置，其特征在于：所述外壳设有光学窗口的侧壁上通过一个转轴转动安装有遮光盖、清洗刷，遮光盖和清洗刷分别用于解决原位测量中光学窗口遮光和自清洁光问题；所述遮光盖、清洗刷呈180度直线分布，所述外壳内安装有防水电机，所述防水电机的电机轴与转轴传动连接。

5.根据权利要求4所述的一种藻类浓度原位荧光检测装置，其特征在于：所述遮光盖与光学窗口之间具有间隙，保持长期的原位测量样品的流动更新。

6.根据权利要求1所述的一种藻类浓度原位荧光检测装置，其特征在于：多个激发光纤另一端分别与光学窗口平面呈45°角。

7.根据权利要求1所述的一种藻类浓度原位荧光检测装置，其特征在于：所述低通滤光片为630nm低通滤光片，所述高通滤光片为650nm高通滤光片，减小激发光源散射光对荧光测量的影响。

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