CN108181273A - 一种船载式多功能双探头藻类荧光参数在线检测装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种船载式多功能双探头藻类荧光参数在线检测装置，包括避光密封箱，设置在避光密封箱内的带有抽水排水装置的水样池，水样池侧壁上设有LED激发光源模块、双探头荧光检测模块；LED激发光源模块包括多波长LED阵列、激发光检测探头和光源控制电路模块；双探头荧光检测模块包括一号探头组合、二号探头组合、信号分析与处理电路模块，一号探头组合接收特征波长为675nm荧光，二号探头组合接收特征波长为780nm荧光。利用本发明可以实现未知水域优势藻种的在线快速识别、藻类浓度实时分类测量及藻类光合作用活性检测，大大提高了水体藻类优势藻种的在线识别的速度和精度。

Description

一种船载式多功能双探头藻类荧光参数在线检测装置
技术领域
本发明属于叶绿素荧光检测技术领域，特别是涉及一种船载式多功能双探头藻类荧光参数在线检测装置。
背景技术
目前，世界各地海洋、湖泊、河流、水库等各个水域水质污染日益严重，由富营养化导致的水体污染、藻类水华问题现阶段仍缺乏有效的治理手段，藻类水华的预警和预防是减小水华危害的主要措施。
水体中的藻类光合作用活性及藻类浓度是作为影响藻类水华的重要因素，并且在未知的复杂水域中由于藻类水华的差异性，需要对不同的优势藻类进行在线识别，进行藻类浓度的分类测量。传统检测方法一般将其放在实验室中进行分光光度计，高压液相色谱法等进行测量，但是这些方法都存在着测量时间长，取样困难，非实时数据等问题，故而需要发展快速，实时的原位在线检测技术，来检测这些参数，从而预测藻类水华的发生。
藻类在线识别、藻类浓度分类测量、藻类光合作用活性参数检测等技术和发明目前已经得到了一定范围的应用。
公开号为CN102928390A的中国专利文献公开了基于双探测器的水体叶绿素浓度在线检测方法和装置，包括：激发光单元、接收荧光单元、信号处理单元、窗口清洁装置、防水密闭空腔、环境光防护罩；接收荧光单元为两个间距为d平行放置的光电探测器T1、T2，且垂直于激发光的平行光束；信号处理单元，用于对激发光信号和接收到的两路荧光信号进行处理。该装置通过双探测器同时检测单一特征波长的荧光，从而减小测量误差，但是并没有实现识别不同藻类的作用，同时该装置仅能实现叶绿素浓度的在线检测。
公开号为CN102539394A的中国专利文献公开了基于荧光法的水体藻类光合作用活性原位检测装置及方法，以高亮LED为激发光源，通过接收不同激发光强作用下藻类的荧光信号实现对藻类光合作用活性状态的表征，为水体藻类光合作用活性的快速、原位测量提供了一种有效的监测手段，装置中采用调制技术解决了荧光信号受外界环境光干扰的问题，以恒流驱动消除了光源强度波动对荧光激发稳定性的影响。该方法具有操作方便、快速自动、对分析样品无损等优点，适用于不同的水流域及不同深度水体的实时、原位监测。但是该方法仅使用一个探头检测单一波长激发的荧光来反映光合作用的活性，并没有区分不同藻类的功能。
公开号为CN102103084A的中国专利文献公开了一种基于叶绿素分析藻类分类和鉴别的仪器和方法，提出使用光谱分析法，使用混合双光束光源照射，并根据藻类的吸收光谱波长和光强度变化，与其预选的不同藻类吸收波长对比，从而实现藻类分类。该方法区分不同藻类的原理是利用光波长强度变化和预选的藻类吸收波长进行对比，从而达到分类的效果；然而其检测精度还有待进一步提高。
公开号为CN107037022A的中国专利文献公开了一种浸入式光学探头及淡水蓝藻生物量检测系统，提供了一种浸入式的光学探头，两个探头分别检测叶绿素a和藻蓝蛋白的荧光，规避了以往借助叶绿素a和藻蓝蛋白的关系来实现蓝藻的检测，提高了检测精度。但是该方法中双探头检测的是单一中心波长的荧光，仅能实现蓝藻与其他藻种的区分检测。
发明内容
本发明提供一种船载式多功能双探头藻类荧光参数在线检测装置，实现未知水域优势藻种的在线快速识别、藻类浓度实时分类测量及藻类光合作用活性检测，大大提高了水体藻类优势藻种的在线识别的速度和精度。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：
一种船载式多功能双探头藻类荧光参数在线检测装置，包括避光密封箱，设置在避光密封箱内的带有抽水排水装置的水样池，所述的水样池侧壁上设有LED激发光源模块、双探头荧光检测模块，LED激发光源模块、双探头荧光检测模块均由MCU控制单元控制；其特征在于：
所述的LED激发光源模块包括多波长LED阵列、激发光检测探头和光源控制电路模块；多波长LED阵列发出的光通过光源通道入射到水样池中心区域。
所述的双探头荧光检测模块包括一号探头组合、二号探头组合、信号分析与处理电路模块，所述一号探头组合和二号探头组合与所多波长LED阵列发出的光呈垂直布置，一号探头组合接收特征波长为675nm荧光，二号探头组合接收特征波长为780nm荧光。
由于不同的藻类在中心波长为675nm处均会产生荧光，传统的单探头荧光检测需要通过复杂的算法来对藻类进行识别。本装置利用绿藻在中心波长为530nm的激发光照射下，产生的荧光在特征波长为675nm和780nm处均有强荧光峰的原理以及叶绿素a、藻胆蛋白和类胡萝卜素等藻类的主要吸光色素的激发光吸收峰不同的特点，结合简单的算法快速对水体中的优势藻种进行在线识别。同时，双探头荧光检测模块可在装置进行藻类浓度分类测量和光合作用活性检测时，通过测量特征波长为780nm的荧光参数为相关测量提供算法补充，提高了检测精度。
所述的LED激发光源模块，还包括圆形铝基板、水冷式散热片和光源通道；所述光源通道依次布置有滤光片、凸透镜，LED阵列激发光经所述光源通道滤光片过滤和凸透镜聚集后，入射到水样池中心区域，激发水体中的藻类产生微弱荧光，激发光检测探头与多波长LED阵列相对布置在水样池侧壁上，用于检测激发光光强与频率。
所述的多波长LED阵列由第一LED阵列和第二LED阵列组成，所述第一LED阵列由4组不同中心波长的小功率的LED组成，每组LED数量为3，呈等边三角形分布，不同波长LED沿所述的圆形铝基板边缘等间距布置；所述第二LED阵列由若干个高亮LED组成，呈方形均匀布置于圆形铝基板中心。
优选的，所述的第一LED阵列由中心波长为440nm、470nm、530nm、620nm的4组小功率的LED组成。
叶绿素a的最大吸收峰位于440nm左右；叶绿素b的最大吸收峰位于470nm左右，通过该波长激发光可区分出含叶绿素b的藻类和不含叶绿素b的藻类。类胡萝卜素的最大吸收峰位于530nm左右，且特征波长为530nm的激发光照射绿藻时，绿藻在780nm处有强荧光峰出现，而其他藻类在780nm处的荧光强度则较弱，通过该波长激发光配合双探头荧光检测模块可显著区分出绿藻与其他藻种。藻胆蛋白的最大吸收峰位于620nm左右，且特征波长为620nm的激发光并非其他色素的吸收峰，因此可显著区分出蓝藻和其他藻种。
通过以上条件可知，多波长激发光配合双探头荧光检测模块可快速将优势藻种进行识别。
所述第二LED阵列可以由9块功率为5W的高亮LED组成，呈方形均匀布置于圆形铝基板中心，在一些较佳的实施例中，所述第二LED阵列由16块功率为5W的高亮LED组成。第二LED阵列中心波长不同于所述第一LED阵列所述波长且小于650nm即可。
所述一号探头组合和二号探头组合都包括带通滤光片、凸透镜、硅光电二极管；一号探头组合位于水样池外侧上方中心位置，带通滤光片的截止波长为650nm，可阻止来自激发光的干扰，接收特征波长为675nm荧光。二号探头组合位于水样池外侧下方中心位置，与所述一号探头组合相对，带通滤光片的截止波长为750nm左右，可阻止来自激发光的干扰，接收特征波长为780nm荧光。所述信号分析与处理电路模块接收两路荧光信号，进行电流电压转换、前置放大、滤波等处理。
所述水冷式散热片布于圆形多波长LED阵列激发光源模块圆形铝基片背部，并且与抽水排水装置连通，在设备运行过程中持续通过流动水对LED灯组散热，规避了传统散热片体积过大，重量过重的缺点，大大减小了整体装置的体积。
所述抽水排水装置包括阀门控制电路模块和进出水管道；所述进水管道和水样池入口之间设置一号阀门，所述出水管道和水样池出口之间设置三号阀门，实现水样采集；所述进水管道和水冷式散热片进水口之间设置二号阀门，所述出水管道和水冷式散热片出水口之间设置四号阀门；所述阀门控制电路模块实现各阀门的开关控制。
该装置可大大节约散热片空间，同时散热效果良好。所述阀门控制电路模块实现各阀门的开关控制以及提供外接接口控制箱外水泵。抽水排水装置可外接水箱，通过阀门控制电路模块控制阀门，实现水样池及水冷式散热器的全自动清洗。
所述避光密封箱为可拆卸式结构，方便在检测结束后清洗内部设备防止水藻和其他杂质留在水样池内，对下一次的检测结果造成影响。可拆卸式结构方便定时维护维修设备。
所述的水样池由高透光石英玻璃制成，水样池外侧未与所述LED激发光源模块、一号探头组合和二号探头组合连接的部分均涂有避光材料，且内侧涂有高反光材料，可大大提高激发光的利用率。水样池涂覆避光材料及避光密封箱可极大地避免可见光的干扰。
未知水域优势藻种在线识别与藻类浓度分类测量流程如下：
使用所述阀门控制电路模块控制抽水排水装置打开所述一号阀门和三号阀门，发动抽水电机向所述水样池取水样，取样结束后关闭一号阀门和三号阀门，并进行暗反应1-10min；通过所述阀门控制电路模块控制抽水排水装置打开所述二号阀门和四号阀门，发动抽水电机持续工作，实现散热功能；依次点亮所述4组不同中心波长的LED，所述一号探头组合和二号探头组合分别接收特征波长为675nm和780nm的荧光，并进行信号处理；所述信号分析与处理电路模块储存对应的荧光强度参数，得出特征波长为675nm和780nm处的离散荧光激发光谱信息，关闭LED灯，30s后依次关闭抽水电机和各个阀门，检测结束。
本发明装置可置于无人船或其他移动式水上设备中，采用抽水方式采集水样，降低了设备对防水性能的要求。高度集成的光源模块和水冷式散热片极大的节约了光源模块的体积和重量，使整体装置具有成本低、高度集成化的特点。双探头荧光检测模块大大提高了水体藻类优势藻种的在线识别的速度和精度。本发明装置可实现未知水域优势藻种的在线快速识别、藻类浓度实时的分类测量及藻类光合作用活性检测。
附图说明
图1为一种船载式多功能双探头藻类荧光参数在线检测装置；
图2为多波长LED阵列示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的描述：
如图1和图2所示，本发明提供的一种船载式多功能双探头藻类荧光参数在线检测装置100，包括LED激发光源模块110、双探头荧光检测模块120、抽水排水装置130、MCU控制单元140、避光密封箱150及立方体水样池160。
LED激发光源模块110，包括圆形铝基板111、多波长LED阵列112、水冷式散热片113、光源通道114、激发光检测探头115和光源控制电路模块116；所述多波长LED阵列112由第一LED阵列和第二LED阵列组成。所述光源通道114依次布置有滤光片、凸透镜。滤光片选用低通滤光片，截止波长为650nm±10nm，有效避免了入射光对荧光造成的干扰。多波长LED阵列112激发光经所述光源通道114滤光片过滤和凸透镜聚集后，入射到立方体水样池160中心区域，激发水体中的藻类产生微弱荧光。激发光检测探头115用于检测激发光光强与频率。
如图2所示，多波长LED阵列112布置于圆形铝基板111上，包括第一LED阵列和第二LED阵列。第一LED阵列由第一LED灯组10，第二LED灯组20，第三LED灯组30和第四LED灯组40组成。每组特定中心波长LED数量为3块，呈等边三角形分布，不同波长LED沿所述的圆形铝基板边缘等间距布置；第二LED阵列50由9块功率为5W的高亮LED组成，呈方形均匀布置于圆形铝基板111中心。
第一LED阵列四组LED中心波长分别为440nm、470nm、530nm、620nm。
水冷式散热片113布置于圆形铝基板111上，与圆形铝基板111紧密贴合，在检测过程中，会通过持续不断的水流实现LED的散热功能，规避了传统散热片体积过大，重量过重的缺点，大大减小了整体装置的体积。
双探头荧光检测模块120包括一号探头组合121、二号探头组合122、信号分析与处理电路模块123。一号探头组合121包括带通滤光片、凸透镜和硅光电二极管，与多波长LED阵列112发出的光呈垂直布置，位于立方体水样池160外侧上方中心位置，滤光片为高通滤光片，截止波长为650nm，可阻止来自激发光的干扰，接收特征波长为675nm荧光。二号探头组合122包括带通滤光片、凸透镜、硅光电二极管，与多波长LED阵列112发出的光呈垂直布置，位于所述一号探头组合121对面，立方体水样池160外侧下方中心位置。滤光片为高通滤光片，截止波长为750nm左右，可阻止来自激发光的干扰，接收特征波长为780nm荧光。所述信号分析与处理电路模块123接收两路荧光信号，进行电流电压转换、前置放大、滤波等处理。
所述的双探头藻类荧光模块120，分别检测特征中心波长为675nm和780nm处的荧光。
所述抽水排水装置130包括阀门控制电路模块135和进出水管道；所述进水管道和立方体水样池160入口之间设置一号阀门131，所述出水管道和立方体水样池160出口之间设置三号阀门133，实现水样采集；所述进水管道和水冷式散热片113进水口之间设置二号阀门132，所述出水管道和水冷式散热片113出水口之间设置四号阀门134；所述阀门控制电路模块135实现各阀门的开关控制以及提供外接接口控制箱外水泵。抽水排水装置130可外接水箱，通过阀门控制电路板135控制阀门，实现立方体水样池160及水冷式散热片113的全自动清洗。
避光密封箱150为可拆卸式结构，方便在检测结束后清洗内部设备防止水藻和其他杂质留在水样池内，对下一次的检测结果造成影响。可拆卸式结构方便定时维护维修设备。
立方体水样池160由高透光石英玻璃制成，未与光源通道114、一号探头组合121和二号探头组合122连接的部分均涂有避光材料，且内侧涂有高反光材料，可大大提高激发光的利用率。水样池涂覆避光材料及避光密封箱150可极大地避免可见光的干扰。
未知水域优势藻种在线识别与藻类浓度分类测量流程如下：
1、阀门控制电路模块135控制抽水排水装置130打开一号阀门131和三号阀门133，发动抽水电机向立方体水样池160取水样。其中抽水电机需要装置外另行安装。
2、30s后依次关闭抽水电机、一号阀门131和三号阀门133。
3、暗反应2min。
4、阀门控制电路模块135控制抽水排水装置130打开二号阀门132和四号阀门134，发动抽水电机持续工作，冷水在水冷式散热片中持续流动。
5、点亮中心波长为530nm的LED。
6、一号探头组合121、二号探头组合122分别接收特征波长为675nm和780nm的荧光，并进行信号处理。
7、信号分析与处理电路模块123储存荧光强度F530,675和F530,780。
8、关闭LED灯，暗反应30s。
9、按照步骤5-8的操作方式，依次点亮中心波长为620nm、470nm、440nmLED并进行荧光检测。储存对应的荧光强度F620,675和F620,780，F470,675和F470,780，F440,675和F440,780。
10、依次关闭抽水电机，二号阀门132和四号阀门134，检测结束。

Claims (10)

1.一种船载式多功能双探头藻类荧光参数在线检测装置，包括避光密封箱，设置在避光密封箱内的带有抽水排水装置的水样池，所述的水样池侧壁上设有LED激发光源模块、双探头荧光检测模块，LED激发光源模块、双探头荧光检测模块均由MCU控制单元控制；其特征在于：
所述的LED激发光源模块包括多波长LED阵列、激发光检测探头和光源控制电路模块；多波长LED阵列发出的光通过光源通道入射到水样池中心区域；
所述的双探头荧光检测模块包括一号探头组合、二号探头组合、信号分析与处理电路模块，所述一号探头组合、二号探头组合与所述多波长LED阵列发出的光呈垂直布置，一号探头组合接收特征波长为675nm荧光，二号探头组合接收特征波长为780nm荧光。
2.根据权利要求1所述的船载式多功能双探头藻类荧光参数在线检测装置，其特征在于：
所述的多波长LED阵列由第一LED阵列和第二LED阵列组成，所述第一LED阵列由4组不同中心波长的LED组成，每组LED数量为3，呈等边三角形分布，不同中心波长LED沿所述的圆形铝基板边缘等间距布置；所述第二LED阵列由若干个LED呈方形均匀布置于圆形铝基板中心。
3.根据权利要求2所述的船载式多功能双探头藻类荧光参数在线检测装置，其特征在于：所述的第一LED阵列由中心波长为440nm、470nm、530nm、620nm的4组小功率的LED组成，所述第二LED阵列中心波长不同于第一LED阵列所述波长且小于650nm。
4.根据权利要求2或3所述的船载式多功能双探头藻类荧光参数在线检测装置，其特征在于：所述第二LED阵列由9块或者16块功率为5W的LED组成。
5.根据权利要求2所述的船载式多功能双探头藻类荧光参数在线检测装置，其特征在于：所述的LED激发光源模块还包括圆形铝基板和水冷式散热片；所述水冷式散热片位于圆形铝基板背部且与抽水排水装置连通。
6.根据权利要求5所述的船载式多功能双探头藻类荧光参数在线检测装置，其特征在于：所述抽水排水装置包括阀门控制电路模块和进出水管道；所述进水管道和水样池入口之间设置一号阀门，所述出水管道和水样池出口之间设置三号阀门，实现水样采集；所述进水管道和水冷式散热片进水口之间设置二号阀门，所述出水管道和水冷式散热片出水口之间设置四号阀门；所述阀门控制电路模块实现各阀门的开关控制。
7.根据权利要求1所述的船载式多功能双探头藻类荧光参数在线检测装置，其特征在于：所述激发光检测探头与多波长LED阵列相对布置在水样池侧壁上。
8.根据权利要求1所述的船载式多功能双探头藻类荧光参数在线检测装置，其特征在于：所述光源通道依次布置有滤光片、凸透镜，多波长LED阵列发出的光经滤光片过滤和凸透镜聚集后，入射到水样池中心区域。
9.根据权利要求1所述的船载式多功能双探头藻类荧光参数在线检测装置，其特征在于：所述一号探头组合和二号探头组合都包括带通滤光片、凸透镜、硅光电二极管；一号探头组合位于水样池外侧上方中心位置；二号探头组合位于水样池外侧下方中心位置，与所述一号探头组合相对。
10.根据权利要求1所述的船载式多功能双探头藻类荧光参数在线检测装置，其特征在于：所述水样池外侧未与所述LED激发光源模块、一号探头组合和二号探头组合连接的部分涂有避光材料，内侧涂有高反光材料。
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