CN107828646A - 便携式藻类组分鉴定并显示的装置及鉴定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了便携式藻类组分鉴定并显示的装置。本发明还公开了一种基于傅里叶拉曼光谱在单细胞水平快速鉴定藻类的方法。采集微藻细胞建立拉曼光谱数据库，以连续波He‑Ne激光器作为激发光源，根据被测水体中微藻单细胞的拉曼光谱数据，与已建立的微藻单细胞拉曼光谱数据库进行比较，从而能够鉴定出单细胞微藻的组份或突变体的筛选。将以上检测到的数据收集，并通过光纤传输至接收器中，接收器识别出藻类组分。然后利用机身带有的蓝牙设备，传输至显示器或手机中，并以不同的颜色分别代表不同的藻类。本发明利用单细胞拉曼光谱技术鉴定藻类，实现了快速、便捷、准确且方法简单，能更直观地显示藻类组份及鉴定方法。

Description

便携式藻类组分鉴定并显示的装置及鉴定方法

技术领域

本发明涉及藻类鉴定与显示领域，具体涉及便携式藻类组分鉴定并显示的装置及鉴定方法。

背景技术

现有藻类检测技术主要是在实验室对含藻类水样进行抽滤萃取，然后再显微镜下观测计数或用分光光度法、荧光检测法及高效液相色谱法测定藻类叶绿素及其降解产物。这些方法虽然精确但是耗时长，操作较为复杂，对监测条件也比较高，存在明显的时间滞后性。所以，提供一种能够克服上述现有技术中的局限和缺陷且快速准确地预警水华爆发的测量装置及监测方法，成为本领域技术人员亟待解决的问题。

发明内容

发明目的：本发明所要解决的技术问题是提供了便携式藻类组分鉴定并显示的装置。

本发明还要解决的技术问题是提供了藻类组分鉴定方法。

技术方案：本发明采用以下技术方案实现：本发明提供了便携式藻类组分鉴定并显示的装置，所述便携式藻类组分鉴定并显示的装置包括水底测件单元和水上控制单元，所述水底测件单元包括设置在水底测件单元底部的副箱、在水底测件单元底部从下至上依次设置微型潜式抽水机和水泵、在水底测件单元的外部左侧设有第一卷轴、在副箱外部底部右侧设有第二卷轴、包裹在第二卷轴上的卷材、设置在水底测件单元内部上部的测量架、测量架上设有激光光源和红外接收器，所述水上控制单元包括微设备箱和无线通讯器，所述微设备箱内部底部设有储水箱、在储水箱底部和顶部设有齿纹，在储水箱上设有依次连接的微处理器、启停装置和发动机，所述无线通讯器中设有相连的微型单片机和蓝牙设备，在无线通讯器上方设有拉绳。

其中，上述水底测件单元和水上控制单元通过设置凹陷部连接。

其中，所述便携式藻类组分鉴定并显示的装置还包括遥控器。

本发明的装置的水底测件单元和水上控制单元之间凹陷部为放置电池位置，凹陷下去的设计，操作人员手持时感受更佳。

其中，上述卷材为间隔分布的防水粘性膜，卷材边缘有柔性尼龙绳，防水粘性膜固定在尼龙绳上。卷材的宽度D、每片防水粘性膜的长度L1以及防水粘性膜间隔长度L2的尺寸大计算得D＝D1-10cm；L2＝L3+H；L1＝L8D1为储水箱的宽度，L3为储水箱的长度，H为储水箱的高度，单位均为cm。

优选地，所述副箱底面均匀地分布有多个小孔，副箱内有藻类絮凝剂，藻类絮凝剂通过采集箱底面的小孔渗出，形成胶滴，所述胶滴附着在储水箱底面，用以粘附垂向迁移上浮的藻类细胞。

其中，上述副箱内部有一个通过电磁铁控制的可上下活动的齿板，板上分布有密集均匀的小齿；当齿板下落时，其上的小齿与采集箱底面上的小孔咬合，小齿穿过小孔，将副箱底面的附有藻类的胶滴打离副箱底面。为达到齿板可以通过电磁铁控制而上下活动，采取如下技术方案：齿板上表面的四角各固定有一个竖直的细杆，细杆的顶端固接一个磁铁，当电磁铁正向通电时，电磁铁下端的磁铁与磁铁上端的磁极相异，电磁铁吸引磁铁，使连杆上移，从而带动齿板上移；电磁铁反向通电时，电磁铁下端的磁极与磁铁上端的磁极相同，电磁铁排斥磁铁，使连杆下移，从而带动齿板下移。

为达到上述齿板下落带动支架升起的目的，采取如下技术方案：齿板上的细杆通过连杆与支架竖直杆的末端相连，连杆中心铰接在副箱的侧壁，支架的每根竖直杆上都套有一个套筒，套筒固定在副箱的侧壁，套筒内侧面有一圈橡胶，使竖直杆在摩擦力作用下保证卷材传输时支架静止不动；当齿板下落时，拉动连杆使支架的竖直杆上升，从而支架上升，推动连杆使支架的竖直杆下落，从而支架下落。

测量架上安装有激光光源和红外接收器，用以检测卷材上所附的藻类种类，激光光源和红外接收器均做防水处理。激光光源发出的激光波长范围为400nm到700nm，光强范围为8mW到12mW，较佳选择10mW，投射的光斑中心在测量架的中心，投射在卷材上的光照范围大于卷材的面积。

本发明内容还包括藻类组分鉴定方法，采用上述的便携式藻类组分鉴定并显示的装置进行藻类的鉴定，步骤如下：

1)无线通讯器接受信号，设定采集时间间隔△t，启动水底测件单元下放到水中使得藻类细胞粘附于副箱底面；

2)△t时间之后，粘附于副箱底面的藻类细胞脱离，而附着于卷材上；将不同种类的微藻在不同条件下培养至不同的生长时期，利用拉曼光谱捕获不同种类不同条件下不同生长时期的微藻单细胞，同时瞬间淬灭细胞内的色素，采集细胞的拉曼光谱，进而获得不同种类微藻中每一种微藻所对应的一组拉曼光谱数据，构建微藻的拉曼光谱数据库；将未知待测藻株或突变体的拉曼光谱与相应的微藻拉曼光谱数据库中的拉曼光谱进行比对进而在单细胞水平实现微藻鉴定或突变体筛选。

3)以连续波He-Ne激光器作为激发光源，傅里叶红外光谱扫描收集到的藻类，其产生的信号被接受；所述步骤中激发光源波长为532nm，功率为100w，拉曼光谱采集时间为2秒。所述步骤中数据处理包括扣除背景值、基线校准、归一化处理等，多维数据分析方法为主成分分析，线性判别式分析、支持向量机分析等。同时在单细胞水平上实现对绿藻、蓝藻、硅藻、隐藻的鉴别。

4)无线蓝牙将接收到的信号传输至信号接受器端，最后以数字信号的形式进行储存。

其中，上述具体步骤如下：

1)将便携式藻类组分鉴定并显示的装置的水底测件单元放入水中，检测人员通过控制遥控器开启抽水机进行抽水，进水泵提升至储水箱中；电磁铁通电，藻类絮凝剂通过副箱下底面小孔渗出，形成胶滴附着在底面上，当有藻类上浮到达副箱底面时，就会被粘附住；

2)采集人员自定采集时间，到达所限定时间后，微型发动机自动启动，卷材开始从第一卷轴向第二卷轴传输，当齿板上的小齿穿过副箱底面的小孔，将粘附有藻类的胶滴打离副箱的底面，粘在防水粘性膜上；

3)随后从第二卷轴往第一卷轴传输，到粘住有藻类防水粘性膜竖直位于测量架左侧，微型发动机停止运行，各测件单元回到初始状态；

4)测量架上的激光光源打开，发出激光照射在竖直位于测量架左侧壁中间的防水粘性膜上，光线范围大于一片防水粘性膜面积，将待测藻的拉曼光谱与实验室已测出的蓝藻、绿藻、硅藻、隐藻光谱图进行比对，筛选出被测水体中是否含有此四类藻；

5)所得信息传输给设备箱中的处理器，处理器采用微型单片机，用于控制水底测件单元所含各个设备的启动和停止，并接收测量架上红外接收器接收的红外信号，将红外信号转换为藻类数量与组分，并将不同藻类分别以不同颜色表示，最后将以上信息转为数字信号；

6)处理器把数字信号存储，并传输给顶端无线通讯器，无线通讯器接受到信号后，通过无线蓝牙设备将其传输到水面上的手机电脑等无线终端接受器；

7)终端接收到蓝藻以蓝色柱状条显示，绿藻以绿色柱状条显示，硅藻以棕色柱状条显示，隐藻以红色柱状条显示，柱状条长度表示水体中藻类的数量，此设备仅仅监测显示以上四类藻，并同时在无线终端设备上以相平行的四条柱状体显示出来，直观体现水中不同藻类影响。

本发明工作原理：在本发明装置的副箱的底面分布有密集均匀的小孔，副箱内装有藻类絮凝剂，絮凝剂会由箱底的小孔渗出，在水解作用下生成胶体，从而形成一层密集的粘性胶状物粘附在箱底，用以粘附从底泥垂向迁移上浮的藻细胞。副箱内部有一个通过电磁铁控制的可上下活动的齿板，板上分布有密集均匀的小齿；当齿板下落时，其上的小齿与采集箱底面上的小孔咬合，小齿穿过小孔，将副箱底面的附有藻类的胶滴打离副箱底面。右侧卷轴释放卷材，左侧卷轴移至最下端，接住右侧卷轴释放的卷材，打离的藻类落在该卷材上，采集时间约为1小时左右。到达设定的采集时间后，卷材顶端由左侧卷轴带至左边最高处，卷材贴着箱体，且与其平行。整个设备，为透明外观，激发光源发出，测量架上的激光光源打开，发出激光照射在竖直位于测量架左侧的藻类上，光线范围大于左侧侧壁卷材面积。左侧红外接收器接受卷材释放的信号，所得信息传输给设备箱中的处理器，处理器用于控制水底测件单元所含各个设备的启动和停止，并接收测量架上红外接收器接收的红外信号，将红外信号转换为藻类数量与组分，并将不同藻类分别以不同颜色表示，最后将以上信息转为数字信号。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：本发明利用拉曼光谱技术的简单、快速、非侵入的单细胞水平鉴定微藻。与传统细胞鉴定技术相比，单细胞拉曼光谱技术具有以下优势：无需添加化学染料及其他标记；快速简单不需要复杂的分析步骤；拉曼光谱反应了整个细胞的化学物质指纹图像，如核酸、蛋白质、脂质和糖类等，可用于监测细胞的代谢过程。本发明装置简单，易于操作，能够与无限蓝牙、物联网技术结合，可用于远程全自动监测系统，具有广阔应用前景。

附图说明

图1为本发明的总体结构示意图；1、拉绳 2、无线通讯器 3、蓝牙设备 4、微设备箱5、启停装置、6、发动机 7、储水箱 8、齿纹 9、水泵、10、激光光源 11、测量架 12、第二个卷轴 13、微型潜式抽水机 14、微型单片机 15、微处理器 17、第一个卷轴 18、红外激光接收器 19、副箱；

图2为水底测件测量架与副箱部分的示意图；20、支架21、卷材；

图3为副箱内部示意图；22副箱齿板、23电磁铁、24连杆、25套筒。

具体实施方式

实施例1：

本发明的便携式藻类组分鉴定并显示的装置，包括水底测件单元和水上控制单元，所述水底测件单元包括设置在水底测件单元底部的副箱19、在水底测件单元底部从下至上依次设置微型潜式抽水机13和水泵9、在水底测件单元的外部左侧设有第一卷轴17、在副箱19外部底部右侧设有第二卷轴12、包裹在第二卷轴12上的卷材21、设置在水底测件单元内部上部的测量架11、测量架11上设有激光光源10和红外接收器18，所述水上控制单元包括微设备箱4和无线通讯器2，所述微设备箱4内部底部设有储水箱7、在储水箱7底部和顶部设有齿纹8，在储水箱7上设有依次连接的微处理器15、启停装置5和发动机6，无线通讯器2中设有相连的微型单片机14和蓝牙设备3，在无线通讯器2上方设有拉绳1。卷材21为间隔分布的防水粘性膜，卷材边缘有柔性尼龙绳，防水粘性膜固定在尼龙绳上。

本发明的装置中部凹陷下去部位为放置电池位置，凹陷下去的设计，操作人员手持时感受更佳。

本发明的具体的鉴定藻类的方法如下：检测人员手中的遥控器控制微设备箱4，开启微型潜式抽水机13进行抽水，并将所抽水储存于储水箱7中，电磁铁通电，藻类絮凝剂通过副箱19下底面小孔渗出，形成胶滴附着在底面上，当有藻类上浮到达副箱19底面时，就会被粘附住，采集时间较佳选择为1小时左右。采集人员自定采集时间，到达所限定时间后，发动机6自动启动，卷材21开始从第一卷轴17向第二卷轴12传输，当齿板22上的小齿穿过副箱19底面的小孔，将粘附有藻类的胶滴打离副箱19的底面，粘在防水粘性膜上。随后从第二卷轴12往第一卷轴17传输，到粘住有藻类防水粘性膜竖直位于测量架11左侧，发动机6停止运行。各测件单元回到初始状态。测量架11上的激光光源10打开，发出激光照射在竖直位于测量架11左侧壁中间的防水粘性膜上，光线范围大于一片防水粘性膜面积，将待测藻的拉曼光谱与实验室已测出的蓝藻、绿藻、硅藻、隐藻光谱图进行比对，筛选出被测水体中是否含有此四类藻。所得信息传输给微设备箱4中的处理器，处理器采用微型单片机，用于控制水底测件单元所含各个设备的启动和停止，并接收测量架上红外接收器接收的红外信号，将红外信号转换为藻类数量与组分，并将不同藻类分别以不同颜色表示，最后将以上信息转为数字信号。处理器把数字信号存储，并传输给顶端无线通讯器，无线通讯器接受到信号后，通过无线蓝牙设备将其传输到水面上的手机电脑等无线终端接受器。终端接收到蓝藻以蓝色柱状条显示，绿藻以绿色柱状条显示，硅藻以棕色柱状条显示，隐藻以红色柱状条显示，柱状条长度表示水体中藻类的数量，此设备仅仅监测显示以上四类藻，并同时在无线终端设备上以相平行的四条柱状体显示出来，直观体现水中不同藻类影响。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.便携式藻类组分鉴定并显示的装置，其特征在于，所述便携式藻类组分鉴定并显示的装置包括水底测件单元和水上控制单元，所述水底测件单元包括设置在水底测件单元底部的副箱（19）、在水底测件单元底部从下至上依次设置微型潜式抽水机（13）和水泵（9）、在水底测件单元的外部左侧设有第一卷轴（17）、在副箱（19）外部底部右侧设有第二卷轴（12）、包裹在第二卷轴（12）上的卷材（21）、设置在水底测件单元内部上部的测量架（11）、测量架（11）上设有激光光源（10）和红外接收器（18），所述水上控制单元包括微设备箱（4）和无线通讯器（2），所述微设备箱（4）内部底部设有储水箱（7）、在储水箱（7）底部和顶部设有齿纹（8），在储水箱（7）上设有依次连接的微处理器（15）、启停装置（5）和发动机（6），所述无线通讯器（2）中设有相连的微型单片机（14）和蓝牙设备（3），在无线通讯器（2）上方设有拉绳（1）。

2.根据权利要求1所述的便携式藻类组分鉴定并显示的装置，其特征在于，所述卷材（21）为间隔分布的防水粘性膜，卷材边缘有柔性尼龙绳，防水粘性膜固定在尼龙绳上。

3.根据权利要求1所述的便携式藻类组分鉴定并显示的装置，其特征在于，所述副箱（19）内部设有一个通过电磁铁控制的可上下活动的齿板，板上分布有密集均匀的小齿；当齿板下落时，其上的小齿与采集箱底面上的小孔咬合，小齿穿过小孔，将副箱底面的附有藻类的胶滴打离副箱底面。

4.一种藻类组分鉴定方法，其特征在于，其鉴定步骤如下：

1）无线通讯器接受信号，设定采集时间间隔△t，启动水底测件单元下放到水中使得藻类细胞粘附于副箱底部；

2）△t时间之后，粘附于副箱的藻类细胞脱离，而附着于卷材上；

3）以连续波He-Ne激光器作为激发光源，傅里叶红外光谱扫描收集到的藻类，其产生的信号被接受；

4）无线蓝牙将接收到的信号传输至信号接受器端，最后以数字信号的形式进行储存。

5.根据权利要求4所述的藻类组分鉴定方法，其特征在于，所述具体步骤如下：

1）将便携式藻类组分鉴定并显示的装置的水底测件单元放入水中，检测人员通过控制遥控器开启微型潜式抽水机进行抽水，进水泵提升至储水箱中；电磁铁通电，藻类絮凝剂通过副箱下底面小孔渗出，形成胶滴附着在底面上，当有藻类上浮到达副箱底面时，就会被粘附住；

2）采集人员自定采集时间，到达所限定时间后，发动机自动启动，卷材开始从第一卷轴向第二卷轴传输，当齿板上的小齿穿过副箱底面的小孔，将粘附有藻类的胶滴打离副箱的底面，粘在防水粘性膜上；

3）随后从第二卷轴往第一卷轴传输，到粘住有藻类防水粘性膜竖直位于测量架左侧，发动机停止运行，各测件单元回到初始状态；

4）测量架上的激光光源打开，发出激光照射在竖直位于测量架左侧壁中间的防水粘性膜上，光线范围大于一片防水粘性膜面积，将待测藻的拉曼光谱与实验室已测出的蓝藻、绿藻、硅藻、隐藻光谱图进行比对，筛选出被测水体中是否含有此四类藻；

5）所得信息传输给微设备箱中的处理器，处理器采用微型单片机，用于控制水底测件单元所含各个设备的启动和停止，并接收测量架上红外接收器接收的红外信号，将红外信号转换为藻类数量与组分，并将不同藻类分别以不同颜色表示，最后将以上信息转为数字信号；

6）处理器把数字信号存储，并传输给顶端无线通讯器，无线通讯器接受到信号后，通过无线蓝牙设备将其传输到水面上的无线终端接受器；

7）无线终端接受器接收到蓝藻以蓝色柱状条显示，绿藻以绿色柱状条显示，硅藻以棕色柱状条显示，隐藻以红色柱状条显示，柱状条长度表示水体中藻类的数量，此设备仅仅监测显示以上四类藻，并同时在无线终端设备上以相平行的四条柱状体显示出来，直观体现水中不同藻类影响。