CN103822868A - 一种海水中浮游植物粒径检测装置及其检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种海水中浮游植物粒径检测装置及其检测方法，所述的装置包括微流控芯片承载平台、微流控芯片、激发光源组件、光检测组件、库尔特计数组件、数据处理组件、水下环境信息采集组件、自动采样组件、数据传输及显示组件；所述的微流控芯片包括载玻片、储液孔A、储液孔B、储液孔C、储液孔D、主通道、检测通道、阻抗脉冲传感上游检测通道和阻抗脉冲传感下游检测通道。由于本发明采用微流控芯片作为浮游植物粒径谱的检测微装置，相关的光电检测组件和数据处理组件体积较小，并且检测装置内含有自动采样组件和数据传输及显示组件等一套完整的检测系统，具有便于携带、成本低廉，能够进行水下浮游植物粒径的现场实时检测等优点。

Description

一种海水中浮游植物粒径检测装置及其检测方法

技术领域

本发明涉及一种对海水中浮游植物粒径谱的检测技术，特别是一种海水中浮游植物粒径检测装置及其检测方法。

背景技术

海洋生态环境是海洋生物生存和发展的基本条件，生态环境的任何改变都有可能导致生态系统和生物资源的变化。而海洋中的浮游植物是海洋生态系统中最主要的初级生产者和能量转换者，在海洋生态系统中起着重要作用。海洋生态环境的改变将导致浮游植物的群落结构发生变化。不同粒径浮游植物对海洋初级生产力的贡献不同。从而直接影响着海洋生态系统的物质循环和能量流动。浮游植物种类和生物量的多少决定了海区内生态系统的群落结构和能量分布状态。海洋浮游植物粒径结构是海洋生态群落结构的一个重要方面，海洋生态系统中的能流分配，在很大程度上取决于生物颗粒的大小。因此，准确快速测量海洋浮游植物粒径及其分布对于深入研究海洋浮游植物生理特性、群落结构与功能、在海洋生态系统中的作用等都具有重大的科学意义。

目前测量海洋浮游植物粒径的方法主要有：显微镜计数法、库尔特计数法、图像分析法、流式细胞术法等。

显微镜计数法是海洋浮游植物粒径测量的基准和经典方法。该方法是用细胞固定液固定从水中分离出来浮游植物细胞，在显微镜下，观察浮游植物细胞的形态，以目镜测微尺为标尺，直接测量浮游植物细胞球体直径，椭球半径等参数，根据细胞不同的形态选择相关几何公式计算细胞的体积、表面积等。此法虽然误差较小，但也存在明显的缺点，如费时费力，不能形成连续的粒径谱，也不适用于浮游植物粒径大小的现场检测。

库尔特计数法是利用粒子通过位于恒电流电极体系中的测量小孔管时，由于瞬间取代相同体积的电解液，从而引起相应电极间电位差变化的原理来测量粒径。电极间电位差的变化幅度与粒子体积成正比关系。脉冲信号的数目即为粒子的数目，由脉冲信号的幅度变化可以推算出粒子的体积、等效球径、等效球体的表面积等参数。在海洋科学研究上，库尔特计数仪也被广泛地应用于测量海水中沉积物、海藻、实验室培养的细胞等。但是目前市场上出现的库尔特计数仪器体积庞大、价格昂贵，不能集成便携，更不能带到现场进行实时在线检测。

图像分析法是在显微镜计数法基础上应用图像分析学原理发展起来的一种自动测量方法。主要根据细胞形态的几何信息，利用相关计算软件计算浮游植物粒径。这种方法需要复杂的样本提取和准备过程，为保证图像清晰，对光照条件和相机分辨率也有一定的要求。同时，由于是对单个粒子进行分析，难于实现有统计学意义的多个细胞测量，难以获取现场自然海水中浮游植物粒子的粒径分布。

流式细胞术的方法是测量通过激光照射区域的悬浮溶液中单个粒子的前向和侧向散射光和荧光信号，从而计算粒子的粒径大小和对粒子分类的方法。但此方法最适合用于计数，当用在测量浮游植物的粒径时存在误差。目前市场上的流式细胞术测量必须有稳定的液流系统保证恒定的流速，仪器装置较大，使用时需持续供电，数据处理软件也很复杂，一般只能实验室测量。

综上分析，目前测量海洋浮游植物粒径的方法存在无法现场快速检测粒径、设备庞大、价钱昂贵、耗时费力、受许多外界条件制约、鉴定指标不稳定等问题，而简单便捷和实时现场在线的检测浮游植物粒径方法是测量海洋浮游植物粒径的方法领域中急需解决的关键问题。

发明内容

为解决现有技术存在的上述问题，本发明要设计一种可以实现水下现场实时检测、设备成本低廉、工作量小且鉴定指标稳定的海水中浮游植物粒径检测装置及其检测方法。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种海水中浮游植物粒径检测装置，包括微流控芯片承载平台、微流控芯片、激发光源组件、光检测组件、库尔特计数组件、数据处理组件、水下环境信息采集组件、自动采样组件、数据传输及显示组件；所述的微流控芯片承载平台为无光封闭式结构，所述的微流控芯片、激发光源组件、光检测组件和库尔特计数组件固定在微流控芯片承载平台内；所述的库尔特计数组件的一端与微流控芯片连接、另一端与数据处理组件连接；所述的激发光源组件与微流控芯片连接，所述的微流控芯片还依次经过光检测器件与数据处理组件连接；所述的数据处理组件还分别与水下环境信息采集组件和数据传输及显示组件连接；所述的自动采样组件与微流控芯片的输入端连接；

所述的微流控芯片包括载玻片、储液孔A、储液孔B、储液孔C、储液孔D、主通道、检测通道、阻抗脉冲传感上游检测通道和阻抗脉冲传感下游检测通道，所述的储液孔A与主通道连接，储液孔B与主通道连接，储液孔C与阻抗脉冲传感上游检测通道连接，储液孔D与阻抗脉冲传感下游检测通道连接，阻抗脉冲传感上游检测通道和阻抗脉冲传感下游检测通道分别与检测通道相连接；储液孔A、储液孔B、储液孔C和储液孔D中均插入铂电极，储液孔A中的铂电极与直流电驱动的正极相连，储液孔B中的铂电极与直流电驱动的负极相连，储液孔C和储液孔D中的铂电极分别与差分放大器的输入端相连接；

所述激发光源组件包括LED光源、滤光片A和过光孔，LED光源的下方为滤光片A，滤光片A的下方为过光孔，过光孔的下方为微流控芯片的检测通道；

所述光检测组件包括滤光片B和光电二极管；微流控芯片检测通道的下方为滤光片B，滤光片B的下方为光电二极管；

所述的数据处理组件包括滤波放大电路、差分放大电路、直流驱动电路、数据采集电路和ARM微处理器；光检测组件输出端与滤波放大电路连接，储液孔A和储液孔B中的铂电极与直流驱动电路连接，储液孔C和储液孔D中的铂电极与差分放大前路连接；

所述的自动采样组件包括控制阀、导管A、导管B、过滤网和控制阀驱动电路，所述的导管A的输出端和导管B的输入端分别与控制阀连接，导管A的输入端与海水连接，导管B的输出端与微流控芯片的储液孔A连接；导管17内设有过滤网；

所述的水下环境信息采集组件包括温度传感器、深度传感器、盐度传感器、GPS传感器和ARM微处理器，所述的温度传感器与ARM微处理器连接,深度传感器与ARM微处理器连接，盐度传感器与ARM微处理器连接,GPS传感器与ARM微处理器连接。

本发明所述的LED光源为LED蓝光光源。

一种海水中浮游植物粒径检测装置的检测方法，包括如下步骤：

A、自动采样组件将检测装置周围的海水样品通过导管B输入储液孔A中，储液孔A中的样品沿着主通道经过检测通道流向储液孔D中；

B、当海水样品中的一个微藻经过检测通道时，微藻细胞内叶绿素被激发光源组件激发产生瞬时光子辐射，再经滤光片B滤除杂光，滤除后的荧光信号经过光检测组件转换成一个电压脉冲信号；在微藻经过检测通道的同时，由于微藻在检测通道中瞬间取代相同体积的电解液，导致储液孔C和储液孔D中铂电极之间的电位差发生变化，经差分放大电路的处理，库尔特计数组件会产生一个阻抗脉冲信号；

C、当海水样品中的一个泥沙颗粒经过检测通道时，因为泥沙颗粒中不含叶绿素，所以泥沙颗粒不会被激发产生瞬时光子辐射，光检测组件不会输出电压脉冲信号；在泥沙颗粒经过检测通道的同时，由于泥沙颗粒经在检测通道中瞬间取代相同体积的电解液，导致储液孔C和储液孔D中的铂电极之间的电位差发生变化，库尔特计数组件产生一个阻抗脉冲信号；

D、把光检测组件输出的电压脉冲信号和库尔特组件的输出的阻抗脉冲信号通过数据处理组件进行处理；光检测组件的输出电压脉冲信号判断流经检测通道颗粒的是微藻还是泥沙；库尔特组件的输出信号的幅度变化推算出粒子的体积、等效球径、等效球体的表面积参数。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、由于本发明采用微流控芯片作为浮游植物粒径谱的检测微装置，相关的光电检测组件和数据处理组件体积较小，并且检测装置内含有自动采样组件和数据传输及显示组件等一套完整的检测系统，使该检测装置可以方便的运送到现场，放入水下检测区域进行水下浮游植物粒径的现场实时检测。因此，相对于现有大型粒径检测设备，本发明具有便于携带、成本低廉，能够进行水下浮游植物粒径的现场实时检测等优点。

2、本发明通过观测LED激发光源激发叶绿素诱导出的荧光信号和库尔特计数法的阻抗脉冲信号同时对海水中浮游植物的粒径大小进行检测，叶绿素的荧光信号可以判断流经检测通道的颗粒是微藻还是泥沙颗粒。库尔特脉冲信号幅度变化可以推算出粒子的体积、等效球径、等效球体的表面积等参数。此方法克服了库尔特计数法无法将浮游植物和泥沙等其它粒子自动区分开的缺点。从而提高了检测浮游植物粒径谱的精确度和坚定指标的稳定性。

3、激发光源用LED光源替代了传统的激光器，库尔特计数法和流式细胞术法分别与微流控芯片相结合克服了目前库尔特计数仪和流式细胞术仪器器体积庞大的缺点，且操作简单，无需在检测前对微藻样品进行染色等复杂处理，具有工作量小的特点。

附图说明

本发明共有附图6张，其中：

图1为下实时在线检测粒径谱的装置的结构示意图；

图2为流控芯片结构示意图；

图3为自动采样组件结构示意图；

图4为水下信息环境采集组件结构示意图；

图5为微藻的叶绿素荧光检测结果示意图；

图6为不同微藻的库尔特原理阻抗脉冲示意图。

图中：1、微流控芯片，2、LED光源，3、滤光片A，4、滤光片B，5、光电二极管，6、水下环境信息采集组件，7、库尔特计数组件，8、数据处理组件，9、数据传输及显示组件，10、载玻片，12、检测通道，13、主通道，14、阻抗脉冲传感上游检测通道，15、阻抗脉冲传感下游检测通道，16、控制阀，17、导管A，18、导管B，19、过滤网，20、自动采样组件，21、温度传感器，22、深度传感器，23、盐度传感器，24、GPS传感器，25、ARM微处理器。

具体实施方式

下面结合附图和实例对本发明作进一步描述。

图1示出了本发明的整体结构框图，由图1可见，本发明由微流控芯片1、LED光源2、滤光片A3、滤光片B4、光电二极管5、自动采样组件20、水下环境信息采集组件6、库尔特计数组件7、数据处理组件8和数据传输及显示组件9等组成。因为LED光源2为LED蓝光光源，滤光片A3的中心波长为480nm，带宽为30nm，因为激发光源2激发微藻叶绿素所发的荧光为绿光，所以滤光片B4的中心波长为530nm，带宽为40nm。检测通道12中的微藻发出的荧光经过滤光片B4最后打到光检测器件5上，光检测器件5会把荧光信号转换成电信号给数据处理组件8进行分析处理。库尔特计数组件7包括四个插在储液孔A、储液孔B、储液孔C和储液孔D中的铂电极、直流电驱动和差分放大电路等。储液孔C、储液孔D的铂电极的电位差经差分放大电路给数据处理组件8进行分析处理。

图2中微流控芯片1包括载玻片10、储液孔A、储液孔B、储液孔C、储液孔D、主通道13、检测通道12、阻抗脉冲传感上游检测通道14和阻抗脉冲传感下游检测通道15，储液孔A与主通道13连接，储液孔B与主通道13连接，储液孔C与第阻抗脉冲传感上游检测通道连接14，储液孔D与阻抗脉冲传感下游检测通道连接15，阻抗脉冲传感上游检测通道14和阻抗脉冲传感下游检测通道15分别与检测通道12相连接。储液孔A、储液孔B、储液孔C和储液孔D中均插入铂电极，储液孔A中的铂电极与直流电驱动的正极相连，储液孔B中的铂电极与直流电驱动的负极相连，储液孔C和储液孔D中的铂电极分别差分放大器输入端相连接。

图3中自动采样组件20包括控制阀16、导管A17、导管B18和过滤网19等组成。控制阀和导管A配合采集检测装置周围的海水，海水经过过滤网并在控制阀的控制下通过导管B18送到储液孔A中。

图4中的水下环境信息采集组件包括温度传感器21、深度传感器22、盐度传感器23、GPS传感器24和ARM微处理器25。温度传感器21、深度传感器22、盐度传感器23和GPS传感器24以某一频率向ARM微处理器25传送采集到的检测装置周围海水的温度、检测装置位于海面下的深度、检测装置周围海水的盐度和检测装置的GPS地理位置信息。

本发明的具体工作步骤如下：

1、将10μL缓冲液加入到储液孔B、储液孔C和储液孔D中，将微流控芯片1放入微流控芯片承载平台内，把整个设备放入将要检测的海水区域中，通过通信组件开启设备的自动采样组件20、激发光源2、光检测组件5、库尔特计数组件7和数据处理组件8。自动采样组件20将设备周围的海水样品通过导管B输入储液孔A中，储液孔A中的样品沿着主通道13经过检测通道12流向储液孔D，样品中的微藻经过检测通道12时，微藻细胞内叶绿素被激发光激发产生瞬时光子辐射，产生荧光信号。同时，微藻颗粒通过阻抗脉冲传感检测区域时产生阻抗脉冲信号；微藻经过检测区域时产生的阻抗脉冲信号如图6所示。

2、荧光信号和阻抗脉冲信号经过数据处理组件8进行分析，通过荧光信号排除泥沙颗粒的干扰，通过阻抗脉冲信号得出不同微藻的粒径大小。微藻经过检测区域时产生的荧光脉冲信号如图5所示。

Claims (3)

1.一种海水中浮游植物粒径检测装置，其特征在于：包括微流控芯片（1）承载平台、微流控芯片（1）、激发光源组件、光检测组件、库尔特计数组件（7）、数据处理组件（8）、水下环境信息采集组件（6）、自动采样组件（20）、数据传输及显示组件（9）；所述的微流控芯片（1）承载平台为无光封闭式结构，所述的微流控芯片（1）、激发光源组件、光检测组件和库尔特计数组件（7）固定在微流控芯片（1）承载平台内；所述的库尔特计数组件（7）的一端与微流控芯片（1）连接、另一端与数据处理组件（8）连接；所述的激发光源组件与微流控芯片（1）连接，所述的微流控芯片（1）还依次经过光检测器件与数据处理组件（8）连接；所述的数据处理组件（8）还分别与水下环境信息采集组件（6）和数据传输及显示组件（9）连接；所述的自动采样组件（20）与微流控芯片（1）的输入端连接；

所述的微流控芯片（1）包括载玻片（10）、储液孔A、储液孔B、储液孔C、储液孔D、主通道（13）、检测通道（12）、阻抗脉冲传感上游检测通道（14）和阻抗脉冲传感下游检测通道（15），所述的储液孔A与主通道（13）连接，储液孔B与主通道（13）连接，储液孔C与阻抗脉冲传感上游检测通道（14）连接，储液孔D与阻抗脉冲传感下游检测通道（15）连接，阻抗脉冲传感上游检测通道（14）和阻抗脉冲传感下游检测通道（15）分别与检测通道（12）相连接；储液孔A、储液孔B、储液孔C和储液孔D中均插入铂电极，储液孔A中的铂电极与直流电驱动的正极相连，储液孔B中的铂电极与直流电驱动的负极相连，储液孔C和储液孔D中的铂电极分别与差分放大器的输入端相连接；

所述激发光源组件包括LED光源（2）、滤光片A（3）和过光孔，LED光源（2）的下方为滤光片A（3），滤光片A（3）的下方为过光孔，过光孔的下方为微流控芯片（1）的检测通道（12）；

所述光检测组件包括滤光片B（4）和光电二极管（5）；微流控芯片（1）检测通道（12）的下方为滤光片B（4），滤光片B（4）的下方为光电二极管（5）；

所述的数据处理组件（8）包括滤波放大电路、差分放大电路、直流驱动电路、数据采集电路和ARM微处理器（25）；光检测组件输出端与滤波放大电路连接，储液孔A和储液孔B中的铂电极与直流驱动电路连接，储液孔C和储液孔D中的铂电极与差分放大前路连接；

所述的自动采样组件（20）包括控制阀（16）、导管A（17）、导管B（18）、过滤网（19）和控制阀（16）驱动电路，所述的导管A（17）的输出端和导管B（18）的输入端分别与控制阀（16）连接，导管A（17）的输入端与海水连接，导管B（18）的输出端与微流控芯片（1）的储液孔A连接；导管17内设有过滤网（19）；

所述的水下环境信息采集组件（6）包括温度传感器（21）、深度传感器（22）、盐度传感器（23）、GPS传感器（24）和ARM微处理器（25），所述的温度传感器（21）与ARM微处理器（25）连接,深度传感器（22）与ARM微处理器（25）连接，盐度传感器（23）与ARM微处理器（25）连接,GPS传感器（24）与ARM微处理器（25）连接。

2.根据权利要求1所述的一种海水中浮游植物粒径检测装置，其特征在于：所述的LED光源（2）为LED蓝光光源。

3.一种海水中浮游植物粒径检测装置的检测方法，其特征在于：包括如下步骤：

A、自动采样组件（20）将检测装置周围的海水样品通过导管B（18）输入储液孔A中，储液孔A中的样品沿着主通道（13）经过检测通道（12）流向储液孔D中；

B、当海水样品中的一个微藻经过检测通道（12）时，微藻细胞内叶绿素被激发光源组件激发产生瞬时光子辐射，再经滤光片B（4）滤除杂光，滤除后的荧光信号经过光检测组件转换成一个电压脉冲信号；在微藻经过检测通道（12）的同时，由于微藻在检测通道（12）中瞬间取代相同体积的电解液，导致储液孔C和储液孔D中铂电极之间的电位差发生变化，经差分放大电路的处理，库尔特计数组件（7）会产生一个阻抗脉冲信号；

C、当海水样品中的一个泥沙颗粒经过检测通道（12）时，因为泥沙颗粒中不含叶绿素，所以泥沙颗粒不会被激发产生瞬时光子辐射，光检测组件不会输出电压脉冲信号；在泥沙颗粒经过检测通道（12）的同时，由于泥沙颗粒经在检测通道（12）中瞬间取代相同体积的电解液，导致储液孔C和储液孔D中的铂电极之间的电位差发生变化，库尔特计数组件（7）产生一个阻抗脉冲信号；

D、把光检测组件输出的电压脉冲信号和库尔特组件的输出的阻抗脉冲信号通过数据处理组件（8）进行处理；光检测组件的输出电压脉冲信号判断流经检测通道（12）颗粒的是微藻还是泥沙；库尔特组件的输出信号的幅度变化推算出粒子的体积、等效球径、等效球体的表面积参数。

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