CN109406460B - 一种水体中叶绿素a含量检测装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种水体中叶绿素a检测装置及方法。该装置由外壳、微流控芯片、微泵、储水罐、光源、二合一光纤、检测显示模块、锂电池组成。通过微泵抽取水样进入微流控芯片中，在芯片的检测区依次照射650nm和940nm的光源，并由检测显示模块依次接收透射的光信号，通过信号处理获得水体中叶绿素a的含量并输出到显示屏上。本发明操作简单、便携廉价，提高了检测的自动化程度，可应用于富营养化水区的快速、自动、现场检测。
Description
技术领域
本发明涉及微流控技术和光电检测技术，具体涉及一种水体中叶绿素a检测装置及方法。
背景技术
叶绿素a大量的存在于水体中的蓝藻、绿藻、硅藻等小型浮游生物中，通过测量水体中叶绿素a的含量可以预测藻类的生长状况，以此来判断水体的富营养化程度，以便采取相应的措施，以防止藻类的爆发。
传统的便携式叶绿素检测仪多为夹持式检测，通过夹具夹住叶片来获取叶绿素信息。此类装置无法对液体进行检测，且藻类浮游生物体型为50微米至1毫米，体积过小，传统的检测装置根本无法进行检测。
此外，现有的技术通常对水质进行取样，再使用大型仪器进行理化分析。这种方法无法实现现场、快速的检测，且过程繁琐，不易操作。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种便携、快速的水体中叶绿素a检测装置及方法。为解决上述存在的缺陷，设计了一款便携、快速的水体中叶绿素a的检测装置，为富营养化水区的现场检测提供了新的途径。
本发明的技术方案为：一种水体中叶绿素a检测装置，包括外壳、微流控芯片(3)、微泵(10)、储水罐(11)、光源、二合一光纤(5)、检测显示模块(8)、显示屏(23)；
所述外壳的一侧设置吸水管(1)，吸水管(1)与微流控芯片(3)相连且与微流控芯片(3)的进水通道(15)之间设有滤网层(2)，所述微流控芯片(3)上设置了曲型的相连通的进水通道(15)、检测区(4)和出水通道(16)；在进水通道(15)和出水通道(16)上分别设置了第一橡胶圈(17)、第二橡胶圈(18)，进水通道(15)处用软管连接滤网层(2)，出水通道(16)处用软管连接微泵(10)的前端；微泵(10)的后端用软管连接储水罐(11)，用于抽取水样，并将多余的水样存储到储水罐(11)中；
所述光源通过二合一光纤(5)上设有的窄带滤光片传导照射到检测区(4)，通过检测物由检测显示模块(8)接收透射的光信号，经过信号处理将叶绿素a含量数据显示在显示屏(23)上。
进一步，所述光源为650nm光源(6)、940nm光源(7)，相对应的窄带滤光片为650nm窄带滤光片(20)和940nm窄带滤光片(19)，用于限制光源波段，使光源更加纯净，提升检测精度。
进一步，所述检测显示模块(8)内设有依次相连接的PIN光电管(9)、I/V转换、滤波电路、放大电路、A/D转换和MCU，并用导线分别连接光源、取样按钮(13)、检测按钮(14)、显示屏(23)、开关(25)、微泵(10)和锂电池(12)，用于水样抽取控制以及光信号的接收并处理，最终将叶绿素a的含量显示到显示屏(23)上。
进一步，PIN光电管(9)设置在微流控芯片检测区(4)的正上方，二合一光纤(5)的光源出口(21)在微流控芯片(3)的检测区(4)正下方。
(1)进一步，所述取样按钮(13)、检测按钮(14)和显示屏(23)设置在外壳的上端面，外壳的前端面与储水罐(11)连接，外壳的后端面设有充电口(24)和开关(25)，这样设置使得装置体积小，易携带，可实现现场快速检测。
进一步，滤网层(2)的滤网孔径为1mm，使藻类顺利通过并滤除大孔径杂质。
进一步，进水通道(15)和出水通道(16)的直径为1mm，检测区(4)为对边相距10mm的六边形。
进一步，二合一光纤(5)的光源出口(21)在微流控芯片(3)的检测区(4)正下方相距5mm，PIN光电管(9)设置在微流控芯片检测区(4)的正上方，相距5mm。
本发明的方法的技术方案为：水体中叶绿素a检测装置的检测方法，包括以下步骤：
步骤1，取样：打开开关(25)，将吸水管(1)置入水体中，按下取样按钮(13)，微泵(10)将水样抽进微流控芯片(3)中，并将多余的水样排进储水罐(11)中；
步骤2，检测：按下检测按钮(14)，650nm光源(6)、940nm光源(7)的光依次点亮，通过二合一光纤(5)的传导照射微流控芯片(3)的检测区(4)，检测显示模块(8)依次接收透射的光信号；
步骤3，处理：将接收到的两个波段的信号进行处理，并转换为水体中叶绿素a的含量，输出到显示屏(23)上；
步骤4，排液：拔掉储水罐(11)，再次按吸水按钮，排除装置中的水，一次检测结束
本发明的有益效果：
(2)体积小，易携带：可实现现场快速检测。
(3)操作简单：装置全自动完成取样、检测过程，无需专业的操作人员。
(4)消耗少：微流控芯片检测区所需的样本量很小。
(5)结构稳定：装置内无机械移动部件，不易受外界机械振动影响。
附图说明
图1是本发明装置的透视图；
图2是本发明装置中微流控芯片的结构图；
图3是本发明装置中二合一光纤的结构图；
图4是本发明装置中光源的结构图；(a)为950nm光源；(b)为650nm光源；
图5是本发明装置中储水罐的结构图；
图6是本发明装置的外观；
图7是本发明装置中检测显示模块的原理框图；
图8是本发明装置的工作流程图；
附图中各部件的序号和名称：
1：吸水管，2：滤网层，3：微流控芯片，4：检测区，5：二合一光纤，6：650nm光源，7：950nm光源，8：检测显示模块，9：PIN光电管，10：微泵，11：储水罐，12：锂电池，13：取样按钮，14：检测按钮，15：进水通道，16：出水通道，17：第一橡胶圈，18：第二橡胶圈，19：940nm窄带滤光片，20：650nm窄带滤光片，21：光源出口，22：入水口，23：显示屏，24：充电口，25：开关。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
本实施例中，用于水体中叶绿素a检测装置包括外壳、微流控芯片3、微泵10、储水罐11、650nm光源6、940nm光源7、二合一光纤5、检测显示模块8、锂电池12。
整体设计布局如图1和6所示，本发明一种水体中叶绿素a检测装置外部有一个外壳，外壳的最左侧为吸水管1和滤网层2，上端面上设置了取样按钮13、检测按钮14和显示屏23，后端面上有充电口24和开关25，前端面有储水罐11。所述锂电池12用于整机的供电，用导线连接检测显示模块8和充电口24。
如图1和2，在装置的内部微流控芯片3水平放置，其上有进水通道15、检测区4和出水通道16。其左右两端分别用软管连接滤网层2和微泵10。微流控芯片3与软管的连接处有橡胶圈18和19。在芯片检测区4的正上方是PIN光电管9，正下方为二合一光纤5的光源出口21。
如图1和5，微泵10有进水口和出水口，入水口连接微流控芯片3的进水通道15，出水口连接储水罐11的入水口22。
如图3，二合一光纤5在入口处有650nm的窄带滤光片20和940nm的窄带滤光片19，入口卡槽用于装配光源。
如图4，光源有两个波段的光源组成，分别是650nm的光源6和940nm的光源7，其通过导线和检测显示模块8连接。
如图7，检测显示模块上有PIN光电管9、I/V转换、滤波电路、放大电路、A/D转换和MCU，还通过导线连接650nm光源6、940nm光源7、取样按钮13、检测按钮14、开关25、显示屏23、微泵10、锂电池12。
如图8，本发明还公开了一种水体中叶绿素a检测方法，具体检测过程为：
步骤1，打开开关，将吸水管置入水体中，按下取样按钮，水样被微泵抽取到微流控芯片中，并将多余的水样排入储水罐中。
步骤2，按下检测按钮，650nm的光源点亮，通过光纤照射到微流控芯片的检测区上，检测显示模块接收透射的光信号。然后650nm的光源熄灭，940nm的光源点亮，检测显示模块再次接收透射的光信号。
步骤3，检测显示模块将接收到的两个波段的信息进行处理，并转换成水体中叶绿素a的含量，输出到显示屏上。计算公式：
式中：SAPD表示叶绿素a含量，k为常数，IRt与IR0分别对应940nm光源照射下接收到的初始电压与透射电压，Rt与R0分别对应650nm光源照射下接收到的初始电压与透射电压。
步骤4，拔掉储水罐，按下取样按钮，通过微泵将水样从装置中排出，一次检测结束。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。
Claims (9)
1.一种水体中叶绿素a检测装置，其特征在于，包括外壳、微流控芯片(3)、微泵(10)、储水罐(11)、光源、二合一光纤(5)、检测显示模块(8)、显示屏(23)；
所述外壳的一侧设置吸水管(1)，吸水管(1)与微流控芯片(3)相连且与微流控芯片(3)的进水通道(15)之间设有滤网层(2)，所述微流控芯片(3)上设置了曲型的依次相连通的进水通道(15)、检测区(4)和出水通道(16)；在进水通道(15)和出水通道(16)上分别设置了第一橡胶圈(17)、第二橡胶圈(18)，进水通道(15)处用软管连接滤网层(2)，出水通道(16)处用软管连接微泵(10)的前端；微泵(10)的后端用软管连接储水罐(11)，用于抽取水样，并将多余的水样存储到储水罐(11)中；
所述光源通过二合一光纤(5)上设有的窄带滤光片传导照射到检测区(4)，通过检测物由检测显示模块(8)接收透射的光信号，经过信号处理将叶绿素a含量数据显示在显示屏(23)上。
2.根据权利要求1所述的一种水体中叶绿素a检测装置，其特征在于，所述光源为650nm光源(6)、940nm光源(7)，相对应的窄带滤光片为650nm窄带滤光片(20)和940nm窄带滤光片(19)。
3.根据权利要求1所述的一种水体中叶绿素a检测装置，其特征在于，所述检测显示模块(8)内设有依次相连接的PIN光电管(9)、I/V转换、滤波电路、放大电路、A/D转换和MCU，检测显示模块(8)分别通过导线连接光源、取样按钮(13)、检测按钮(14)、显示屏(23)、开关(25)、微泵(10)和锂电池(12)。
4.根据权利要求3所述的一种水体中叶绿素a检测装置，其特征在于，PIN光电管(9)设置在微流控芯片检测区(4)的正上方，二合一光纤(5)的光源出口(21)在微流控芯片(3)的检测区(4)正下方。
5.根据权利要求3所述的一种水体中叶绿素a检测装置，其特征在于，所述取样按钮(13)、检测按钮(14)和显示屏(23)设置在外壳的上端面，外壳的前端面与储水罐(11)连接，外壳的后端面设有充电口(24)和开关(25)。
6.根据权利要求1所述的一种水体中叶绿素a检测装置，其特征在于，滤网层(2)的滤网孔径为1mm。
7.根据权利要求1所述的一种水体中叶绿素a检测装置，其特征在于，进水通道(15)和出水通道(16)的直径为1mm，检测区(4)为对边相距10mm的六边形。
8.根据权利要求4所述的一种水体中叶绿素a检测装置，其特征在于，二合一光纤(5)的光源出口(21)在微流控芯片(3)的检测区(4)正下方相距5mm，PIN光电管(9)设置在微流控芯片检测区(4)的正上方，相距5mm。
9.一种根据权利要求3所述的水体中叶绿素a检测装置的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，取样：打开开关(25)，将吸水管(1)置入水体中，按下取样按钮(13)，微泵(10)将水样抽进微流控芯片(3)中，并将多余的水样排进储水罐(11)中；
步骤2，检测：按下检测按钮(14)，650nm光源(6)、940nm光源(7)的光依次点亮，通过二合一光纤(5)的传导照射微流控芯片(3)的检测区(4)，检测显示模块(8)依次接收透射的光信号；
步骤3，处理：将接收到的两个波段的信号进行处理，并转换为水体中叶绿素a的含量，输出到显示屏(23)上；
步骤4，排液：拔掉储水罐(11)，再次按取样按钮(13)，排除装置中的水，一次检测结束。
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