CN111122526A - 一种基于激光诱导荧光及流体动态显微摄影的水体藻类检测方法 - Google Patents

一种基于激光诱导荧光及流体动态显微摄影的水体藻类检测方法 Download PDF

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    • G01N21/6456—Spatial resolved fluorescence measurements; Imaging
    • G01N21/6458—Fluorescence microscopy

Abstract

本发明公开了一种基于激光诱导荧光及流体动态显微摄影的水体藻类检测方法，包括：S1：利用激光激发动态水体中藻类颗粒，使藻类颗粒产生荧光。S2：选择相机镜头参数，保证单个像素单元的成像面积与水体中藻类的尺寸接近，当藻类颗粒进出像素单元的成像面积范围时，会产生强度涨落变化的动态散斑；S3：采用短爆光和长采样的相机工作模式连续采集散斑图像；S4：通过算法减去图像信号中的背景信号，获得藻类颗粒的动态荧光信号，实现对水体中藻类的检测。本发明能对水体中的藻类进行显微动态成像，可以用来分析藻类丰度和计数，有效提高检测效率，且检测方便、快捷。

Description

一种基于激光诱导荧光及流体动态显微摄影的水体藻类检测 方法
技术领域
本发明涉及藻类检测技术领域，更具体地，涉及一种基于激光诱导荧光及流体动态显微摄影的水体藻类检测方法。
背景技术
水环境生物由于其独特的生活环境是目前很多科学家重点的研究内容，尤其是在水环境生物资源探索、基因分析和碳循环研究中。其中的微型生物，如藻类等，以及生物碎屑等形成的颗粒性有机碳是水环境食物链和碳循环过程的主要承担者，这些颗粒有机碳通过水环境食物链维持生态系统的物质循环、完整性和稳定性，最终经过沉积过程将碳固定并有部分永久性封存。由于微型生物种类多、量大，不同类微型生物对于生态系统碳循环的贡献分量和过程目前还有很多未知，需要进行进一步研究，尤其是微型生物的动态变化方面。在检测技术方面，由于水环境生态系统是一个开放的生态系统，各种微型生物颗粒的形成、输入和输出过程非常复杂多变，因此目前的检测技术很难对这些过程进行精确监测。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于激光诱导荧光及流体动态显微摄影的水体藻类检测方法，能在野外现场对水体中的藻类进行显微动态成像，以分析藻类丰度和计数。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种基于激光诱导荧光及流体动态显微摄影的水体藻类检测方法，包括以下步骤：
S1：利用激光激发动态水体中藻类颗粒，使藻类颗粒产生荧光。
S2：选择相机镜头参数，保证单个像素单元的成像面积与水体中藻类的尺寸接近，当藻类颗粒进出像素单元的成像面积范围时，会产生强度涨落变化的动态散斑；
S3：采用短爆光和长采样的相机工作模式连续采集散斑图像；
S4：通过算法减去图像信号中的背景信号，获得藻类颗粒的动态荧光信号，实现对水体中藻类的检测。
优选地，在所述步骤S2中，相机镜头采用5-10倍显微物镜，进行流体动态显微放大摄影。
优选地，所述的相机镜头上设置有可通透685nm的滤光片。
优选地，在所述步骤S1中，利用波长为443nm的激光对水体中的藻类颗粒进行直接激发。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
本发明采用激光诱导荧光及流体动态显微摄影技术，通过激光激发水体中藻类的内在荧光，并通过显微成像技术采集荧光图像，采用算法将图像信号中的背景信号减去，获得流动藻类的荧光信号，增强了目标水体中藻类颗粒的特异性检测和动态成像质量，因而提高了检测精度和效率。
本发明能在野外现场对水体中的藻类进行显微动态成像，可以用来分析藻类丰度和计数，有效提高检测效率，且检测方便、快捷。
附图说明
图1是本发明的检测方法的流程图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
请参照图1所示，一种基于激光诱导荧光及流体动态显微摄影的水体藻类检测方法，主要包括以下步骤：
S1：利用激光激发动态水体中藻类颗粒，使得藻类颗粒产生荧光。
S2：选择相机镜头参数，保证单个像素单元的成像面积与水体中藻类的尺寸接近，当藻类颗粒进出像素单元的成像面积范围时，会产生强度涨落变化的动态散斑。
如此，可有效增强目标水体中藻类颗粒的检测精度和成像质量，因而提高了检测精度和效率。
S3：采用短爆光和长采样的相机工作模式连续采集散斑图像。
采用短曝光，相机曝光时间小于动态散斑的干涉光信号周期，例如，曝光时间设为50us，根据采样定理能够采集10KHz以下的动态散斑的变化。采用长采样的方式，相机采样时间远大于动态散斑干涉光信号周期，像素单元采集的时间序列信号通过傅立叶变换转换到频域，静止散射粒子的信号和背景噪声主要集中在零频、低频部分，而运动荧光粒子的信号由于散斑强度涨落调制效应主要分布在高频部分，选择合适的截止频率，将两者进行分离。需要说明的是，曝光时间和采样时间需要根据水体流速进行确定。
S4：通过算法减去图像信号中的背景信号，获得藻类颗粒的动态荧光信号，实现对水体中藻类的检测。
由于总信号中存在一定的杂质，需要对总信号中的杂质进行处理，从而得到更加精准的检测结果。目前主要采用matlab软件，对图像进行处理，将背景信号减去，获得藻类的荧光信号，减少了背景荧光的干扰，可以有效提高检测精度和图像清晰度。
其中，在步骤S2中，相机镜头采用5-10倍显微物镜，进行流体动态显微放大摄影。由于检测的藻类主要为5-10um，从目前相机的像素来看，有的可以达到4.14um，配上5-10倍的物镜，可以检测到亚微米的结构。需要说明的是，像素大小和藻类颗粒大小也相匹配。
另外，在步骤S2中，相机的镜筒中设置有可通透685nm的滤光片。在本申请中，采用可通透685nm的滤光片对产生的荧光进行检测时，可以避开其它波长光的影响。
其中，在步骤S1中，利用波长为443nm的激光透过石英窗口玻璃，对水体中的藻类颗粒进行直接激发。例如，可以在发明人的在先申请CN201810517807.0所示检测仪的基础上增加相应的显微镜和高速数码相机即可。
需要说明的是，在本技术方案中，在激光诱导荧光方面，采用激光直接激发海水，考虑到目前的成熟性和市场可购买到以及性价比等因素，本发明专利主要采用443nm的激光，对水体中的目标生物颗粒(藻类)进行激发，由于藻类等生物颗粒体内含有叶绿素a等含有芳香环等物质，在激光的激发下，在685nm处产生荧光，通过检测这段荧光光谱，可以了解水体中藻类的含量和计数。
另外，在步骤S1中，含有藻类颗粒的水体是流动的，可以是自然水体，从而可以监测自然环境中的水体。
上述实施例只是为了说明本发明的技术构思及特点，其目的是在于让本领域内的普通技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡是根据本发明内容的实质所做出的等效的变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种基于激光诱导荧光及流体动态显微摄影的水体藻类检测方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1：利用激光激发动态水体中藻类颗粒，使藻类颗粒产生荧光；
S2：选择相机镜头参数，保证单个像素单元的成像面积与水体中藻类的尺寸接近，当藻类颗粒进出像素单元的成像面积范围时，会产生强度涨落变化的动态散斑；
S3：采用短爆光和长采样的相机工作模式连续采集散斑图像；
S4：通过算法减去图像信号中的背景信号，获得藻类颗粒的动态荧光信号，实现对水体中藻类的检测。
2.根据权利要求1所述的一种基于激光诱导荧光及流体动态显微摄影的水体藻类检测方法，其特征在于：在所述步骤S2中，相机镜头采用5-10倍显微物镜，进行流体动态显微放大摄影。
3.根据权利要求2所述的一种基于激光诱导荧光及流体动态显微摄影的水体藻类检测方法，其特征在于：所述的相机镜头上设置有可通透685nm的滤光片。
4.根据权利要求1所述的一种基于激光诱导荧光及流体动态显微摄影的水体藻类检测方法，其特征在于：在所述步骤S1中，利用波长为443nm的激光对水体中的藻类颗粒进行直接激发。
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