CN106680249B - 流通式在线微藻叶绿素荧光测量模块 - Google Patents

Abstract

本发明公开了流通式在线微藻叶绿素荧光测量模块，由模块框架，测量管，LED光源对，滤光片，光电传感器，控制电路等组成。模块框架为不透明材料制成，作为测量管、LED光源对、光电传感器等的支撑结构，测量管为透明材质的玻璃、石英或塑料圆管；LED光源对为蓝色或红色LED；滤光片为能够滤掉波长小于680nm的光并透过波长大于680nm的光的高通滤光片；检测器为能检测波长大于680nm的光的光电二极管检测器或自带放大电路的光电二极管检测器；控制电路按照测量需求控制LED光源对的开关并且通过测量来自检测器的信号。本发明可以在微藻培养过程中，在线连续测量微藻的叶绿素荧光值及相关参数，为微藻的连续培养提供监测数据以及作为微藻培养时微藻生理状态的一种指标。

Description

流通式在线微藻叶绿素荧光测量模块

技术领域

本专利涉及一种流通式在线微藻叶绿素荧光测量模块，本装置可用于微藻培养过程中叶绿素荧光的变化，为微藻的生理状态分析提供参考。

背景技术

目前微藻叶绿素荧光测量仪器多为离线式且普遍体积较大，在在线应用中并不方便。在线式微藻叶绿素荧光测量仪器价格昂贵，限制其在微藻培养中的规模应用。目前的微藻叶绿素荧光仪器光源多采用单LED或LED环形包围的照射方式，单LED照射有光强不足的缺点，在叶绿素荧光测量过程中易随微藻浓度的变化产生偏差，LED环形包围的照射方式解决了光强不足的问题但会有一部分激发光光直射入检测器，虽然有滤光片过滤但由于滤光片并不能完全截止激发光，会有部分激发光进入检测器造成信号失真，若选用多级滤光片或更好的滤光片则增加了仪器成本。检测器有光电本增管和硅光电二极管，光电倍增管体积大，驱动电路复杂，灵敏度高，适合用于微量藻的测量，不适合微藻培养时的高浓度测量。硅光电二极管体积小，驱动电路简单，适合微藻培养时的高浓度测量。

目前多数仪器因体积及价格问题不适合作为微藻大规模培养的在线测量，且结构上需要一些改进，现在需要一种价格便宜、易于集成、结构更合理的微藻荧光在线测量仪。

发明内容

为了在微藻培养过程中提高连续藻叶绿素荧光测量的精确度：1.本专利中通过将光源分两部分成对设置，放置于以检测光通过孔对称的光源放置槽对内,LED光源的照射方向与检测光通过孔轴线的夹角小于90度，减少测量光的影响，同时节省滤光片成本。2.测量模块结构简单可靠，适用于低成本规模培养使用3.检测器采用硅光二极管，简化了电路，同时在电路中通过调节不同的信号放大级别也提高了信号的相应范围，从而在微藻培养中微藻浓度从低浓度到高浓度的过程中都能有良好的信号响应。

流通式在线微藻叶绿素荧光测量模块，包括测量管、模块框架上板、模块框架中板、模块框架下板、光电传感器、LED光源对、滤光片、控制电路。

模块框架上板、模块框架中板、模块框架下板通过定位孔定位后，中部的孔即为测量管定位孔，测量管从中穿过；在模块框架中板的侧面中部设有传感器放置槽，并在传感器放置槽的底端设有检测光通过孔，孔朝向测量管定位孔的中轴；在模块框架中板的中部设有光源放置槽对，光源放置槽对为大小相同的两部分，并且以检测光通过孔为轴相互对称；滤光片工作面紧贴传感器放置槽底部，并朝向检测光通过孔；光电传感器工作面朝向检测光透过孔，紧贴滤光片，且中轴与检测光透过孔轴线重合；LED光源对包括一对大小相同，参数相同的一对LED光源，其中每个LED光源由多个蓝色LED组成，两个LED光源分别放置于光源放置槽对的两个光源放置槽内，并与光源放置槽的侧壁紧密贴合，最终使LED光源对形成的圆弧的中线与测量管孔的中线重合，使LED光源对发出的激发光射向测量管的中心；

所述LED光源对由一对LED光源组成，每个LED光源由多个蓝色LED组成。

滤光片是能透过波长大于680nm的高通滤光片。

测量管是由导光性能良好的材料制成的圆管，并在两端分别设有进样口和出样口。

模块框架上板、模块框架中板、模块框架下板为不透明材料制成并在四周设有定位孔，中部设有测量管放置孔；其中模块框架中板一个侧面的中部设有检测器放置槽，并在检测器放置槽的底部朝向测量管放置孔中线开有检测光透过孔；以检测光透过孔对称设有光源放置槽对，用于放置LED光源对。

光电传感器为对波长在680nm到900nm范围内光线敏感的硅光电二极管传感器。

为了可以适应微藻培养在线监测叶绿素荧光参数的应用，本专利通过LED作为激发光源，及硅光电二极管作为传感器，通过调节LED光源的强度及硅光电二极管传感器的放大倍数可适应不同浓度及不同类型的微藻培养在线监测叶绿素荧光参数的应用。本专利结构简单，价格低，体积小，非常适合作为模块集成于微藻培养监控系统中。

附图说明

图1为本专利流通式在线微藻叶绿素荧光测量模块示意图；

图2为本专利模块框架上板、模块框架中板、模块框架下板示意图；

图3为本专利模块框架中板示意图；

图4为本专利模块框架中板及LED光源对、滤光片、光电传感器示意图；

图5为本专利实际测量数据图；

图中：1测量管，2模块框架上板，3模块框架中板，4模块框架下板，5光电传感器，6LED光源对，7滤光片，8控制电路，9测量管放置孔，10定位孔，11传感器放置槽，12检测光透过孔，13光源放置槽对，14光源电源线通过孔。

图6为控制电路的框图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本专利进行进一步说明：

图1给出了本专利流通式在线微藻叶绿素荧光测量模块示意图，其中包括测量管1，模块框架上板2，模块框架中板3，模块框架下板4，光电传感器5，LED光源对6，滤光片7，控制电路8。所示的测量管1安装在由模块框架上板2、模块框架中板3、模块框架下板4组合后形成的测量管放置孔内，LED光源对6安装在模块框架中板3上设有的光源放置槽对内；滤光片7安装于设置在模块框架中板3上的传感器放置槽内，光电传感器5紧贴滤光片7安装于传感器放置槽内；LED光源对6通过电源线与控制电路8相连；光电传感器5通过信号线与控制电路8相连。

图2给出了本专利模块框架上板、模块框架中板、模块框架下板示意图，其中包括模块框架上板2，模块框架中板3，模块框架下4，测量管放置孔9，定位孔10，传感器放置槽11，检测光透过孔12，光源电源线通过孔14。所示的模块框架上板2，模块框架中板3，模块框架下4通过对齐四个定位孔10并通过螺丝杆固定后，由模块框架上板2，模块框架中板3，模块框架下4中部的开孔共同构成测量管放置孔9；在模块框架中板3的距离测量管放置孔9较远的侧面上的中部设有传感器放置槽11，传感器放置槽11的底部距离测量管放置孔9的边缘留有一定距离，保证结构强度和阻挡光线的作用；传感器放置槽11底部的中部开有检测光透过孔12，其中线与测量管放置孔9的中线垂直相交，其直径略大于光电传感器的感光面积。

图3给出了本专利模块框架中板示意图，其中包模块框架中板3，测量管放置孔9，定位孔10，传感器放置槽11，检测光透过孔12，光源放置槽对13，光源电源线通过孔14。定位孔10用于与模块框架上板、模块框架下板对齐固定；测量管放置孔9用于放置测量管；在模块框架中板3的距离测量管放置孔9较远的侧面上的中部设有传感器放置槽11，传感器放置槽11的底部距离测量管放置孔9的边缘留有一定距离，保证结构强度和阻挡光线的作用；传感器放置槽11底部的中部开有检测光透过孔12，其中线与测量管放置孔9的中线垂直相交，其直径略大于光电传感器的感光面积。在模块框架中板3上设有光源放置槽对13，光源放置槽对13位于测量管放置孔9的外围，并且以检测光透过孔12为轴对称，在模块框架中板3上与光源放置槽对13相对的侧面开有光源电源线通过孔14，使LED光源电源线通过光源电源线通过孔14将LED光源对与控制电路相连。

图4给出了本专利模块框架中板及LED光源对、滤光片、光电传感器示意图，其中包括齿模块框架中板3,光电传感器5,LED光源对6,滤光片7,传感器放置槽11，光源放置槽对13。滤光片7放置于传感器放置槽11的底部，其工作面朝向传感器放置槽11的底部，光电传感器5工作面紧贴滤光片7放置于传感器放置槽11内，最后将光电传感器5及滤光片7通过粘合的方式固定于传感器放置槽11内；LED光源对6放置于光源放置槽对13内，LED光源对6包含两个LED光源，光源放置槽对13也由两个光源放置槽组成，两个LED光源分别放置于光源放置槽内，LED光源底部与光源放置槽底部粘合，LED光源的照射方向朝向模块框架中板3的中部。

图5为本专利实际测量数据图，其中横坐标轴为微藻培养时间单位小时，纵坐标轴为微藻叶绿素荧光的参数之一Fv/Fm可用来表示叶绿素最大光合作用潜在能力；图5中，箭头A表示在培养时打开光源，箭头B表示在培养时关闭光源，在图中可以看出光源打开和关闭对微藻的叶绿素荧光参数Fv/Fm产生了较大的影响，并且Fv/Fm随着光照时间及整个培养时间的变化也存在波动变化。图6为控制电路的框图；如图所示，虚线框内的部分为本电路的组成部分，包括电源输入滤波，光源电源，数字电路电源，模拟电路电源,光源开关电路，微控制器，通信电路，模数转换器，信号调理，模拟信号放大等。

其中电源输入滤波用于去除外部直流电源的干扰；光源电源为光源提供电源；数字电路电源为微控制器、通信电路供电；模拟电路电源为模拟信号放大、信号调理、模转换器供电；计算机或PLC等通过通信电路与微控制器通信，发送命令到微控制器；微控制器通过控制光源开关电路来控制光源的点亮与熄灭；来自光电传感器的信号通过模拟信号放大将信号放大后经过信号调理降低噪声后送入模数转换器，模数转换器将采集到的模拟信号转换为数字信号送入微控制器，并经过微控制器的计算后通过通信电路将数据发送至计算机或PLC。

本专利流通式在线微藻叶绿素荧光测量模块的使用方法为：

微藻样品通过测量管1的进样口流入测量管1后，控制电路8控制LED光源对6发出测量光并维持0.6秒到2秒的时间，测量光照射到测量管内部的微藻后，微藻内的叶绿素受到激发发射出荧光，荧光通过检测光透过孔12透过滤光片7照射在光电传感器5的工作面上产生电信号，光电传感器5产生的电信号通过信号线传递到控制电路8上被控制电路8采集并计算，最后传递给计算机或其他分析或记录设备。微藻样品通过测量管1的进样口与出样口与微藻培养的反应器相连，通过不断循环达到在线监测微藻培养叶绿素荧光参数的目的。

Claims (6)

1.流通式在线微藻叶绿素荧光测量模块，包括透明的测量管（1）、模块框架中板（3）、光电传感器（5）、LED光源对（6）、滤光片（7），其特征在于：

模块框架中板（3）为长方形平板，长方形平板中部设有作为测量管放置孔的圆形通孔；测量管（1）置于模块框架中板的测量管放置孔内；于模块框架中板（3）的一个侧壁面上设置有光电传感器放置槽，于放置槽中在朝向测量管放置孔的径向方向开设有作为检测光透过孔（12）的通孔，滤光片（7）放置于光电传感器放置槽内贴紧检测光透过孔处，光电传感器（5）的光线感应面紧贴滤光片（7）放置于光电传感器放置槽内；LED光源对（6）有2个以上蓝色或红色LED组成，并对称放置于模块框架中板（3）圆形通孔内壁面上设置的光源放置槽内，并与光源放置槽的侧壁紧密贴合，使LED光源对（6）形成的圆弧的中心与测量管孔的中线重合；LED光源对（6）与检测光透过孔（12）轴线的夹角小于90度；LED光源对（6）通过导线与电源相连；光电传感器（5）通过信号线与计算机或 PLC相连- 。

2.根据权利要求1所述流通式在线微藻叶绿素荧光测量模块，其特征在于：还包括有控制电路（8），

LED光源对（6）的电源线通过设置于模块框架中板（3）两侧的电缆孔与控制电路（8）相连；光电传感器（5）通过信号线与控制电路（8）相连；

控制电路包括电源输入滤波，光源电源，数字电路电源，模拟电路电源，光源开关电路，微控制器，通信电路，模数转换器，信号调理，模拟信号放大；

其中电源输入滤波用于去除外部直流电源的干扰；光源电源为光源提供电源；

数字电路电源为微控制器、通信电路供电；模拟电路电源为模拟信号放大、信号调理、模数转换器供电；

计算机或 PLC通过通信电路与微控制器通信，发送命令到微控制器；微控制器通过控制光源开关电路来控制光源的点亮与熄灭；

来自光电传感器的信号通过模拟信号放大将信号放大后经过信号调理降低噪声后送入模数转换器，模数转换器将采集到的模拟信号转换为数字信号送入微控制器，并经过微控制器的计算后通过通信电路将数据发送至计算机或 PLC。

3.根据权利要求1或2所述流通式在线微藻叶绿素荧光测量模块，其特征在于：于模块框架中板（3）上下二侧分别设有模块框架上板（2）和模块框架下板（4）；

模块框架上板（2）与模块框架中板（3）及模块框架下板（4）均为长方形平板，相互平行依次叠合放置，并可通过螺杆穿过它们四角分别对应设置的定位孔（10）定位后形成一个整体，模块框架上板（2）与模块框架中板（3）及模块框架下板（4）中部均设有作为测量管放置孔的圆形通孔；测量管（1）穿置于模块框架上板（2）与模块框架中板（3）及模块框架下板（4）的测量管放置孔内。

4.根据权利要求3所述流通式在线微藻叶绿素荧光测量模块，其特征在于：

所述测量管（1）由导光性能良好的透明材料制成的圆管，在两端分别设有用进样口与出样口。

5.根据权利要求3所流通式在线微藻叶绿素荧光测量模块，其特征在于：

模块框架上板（2）、模块框架中板（3）、模块框架下板（4）由不透光材料制成，在它们四角相同位置分别设有定位孔（10），在它们中部分别设有用于放置测量管（1）的测量管放置孔（9），测量管放置孔（9）的直径与测量管（1）的外直径相等或稍大但不超过1mm，模块框架中板（3）在其中一个外侧壁面设有传感器放置槽（11），在传感器放置槽（11）朝向测量管放置孔（9）的方向上开有检测光透过孔（12），在模块框架中板（3）圆形通孔内壁面上设有光源放置槽对（13），光源放置槽对（13）位于测量管放置孔（9）的外围，并且以检测光透过孔（12）为轴对称，在模块框架中板（3）上与光源放置槽对（13）相对的侧面开有光源电源线通过孔（14），使LED光源电源线通过光源电源线通过孔（14）将LED光源对（6）与控制电路（8）相连。

6.根据权利要求2所述流通式在线微藻叶绿素荧光测量模块，其特征在于：

滤光片（7）紧贴传感器放置槽（11）底面且滤光片（7）工作面朝向检测光透过孔（12）放置于传感器放置槽（11）内，光电传感器（5）工作面朝向检测光透过孔（12）并紧贴滤光片（7），光电传感器（5）通过信号线与控制电路（8）相连。