CN112161959B

CN112161959B - 一种基于荧光光谱全局重构的叶绿素浓度测量方法

Info

Publication number: CN112161959B
Application number: CN202011023546.0A
Authority: CN
Inventors: 王阳; 张丽; 王婧茹
Original assignee: Shandong Dafeng Marine Technology Co ltd
Current assignee: Shandong Dafeng Marine Technology Co ltd
Priority date: 2020-09-25
Filing date: 2020-09-25
Publication date: 2022-10-25
Anticipated expiration: 2040-09-25
Also published as: CN112161959A

Abstract

本发明提出一种基于荧光光谱全局重构的叶绿素浓度测量方法，采用纯水拉曼光谱、叶绿素荧光光谱与高斯光谱等构建多个光谱组分；利用多个光谱组分的线性组合对水样荧光光谱信号实施全局重构拟合；依据获得的水分子拉曼强度参数、叶绿素荧光强度参数对叶绿素浓度实施测量。本发明的叶绿素浓度测量方法不仅包含了叶绿素荧光信号，而且充分考虑了其它可溶性有机物的荧光干扰信号，改善荧光法抗干扰能力，提升叶绿素测量精度。

Description

一种基于荧光光谱全局重构的叶绿素浓度测量方法

技术领域

本发明涉及光谱法海水水质快速分析技术，具体涉及一种叶绿素浓度检测方法。

背景技术

叶绿素含量反映水体中藻类、浮游植物等初级生产力情况及水体富营养化水平，是水质监测的重要参数。荧光法具有操作简便、高灵敏度、检测下限低、适用于原位在线检测等特点，已经成为一种叶绿素含量的重要测量方法。目前基于荧光法的叶绿素测量仪器中，普遍采用波长为400-480 nm的蓝光作为激发光源，检测680 nm附近的叶绿素荧光强度，实现叶绿素浓度测量。由于地表水成分复杂，含有可溶性有机物如腐殖酸等其它荧光物质，在蓝光的激发下，可产生宽带荧光辐射，与680 nm附近的叶绿素荧光形成重叠干扰，导致荧光法检测叶绿素的准确度问题。

现有技术CN106092895A一种水体叶绿素浓度原位检测装置及其检测方法，具体是在石英水样室底部设有水样室进水口装置，石英水样室外部设有不锈钢外壳，探测器、滤光片及聚焦透镜设置于石英水样室正上方，光源、光源横向调节支座、光源横向调节机构及光源方向调节机构设置在石英水样室侧面位置，探测器、光源、光源横向调节机构及光源入射角调节机构分别通过导线与主机相连接。方法：先采集激发光源关闭状态下测量水体背景荧光信号，再采集激发光源开启状态下水体荧光信号，通过运算自动扣除背景荧光干扰。该专利通过简单的相减以削减其他因素对叶绿素浓度测量精度的影响，但这种方法无法完全避免其他因素的影响，测量精度不高。

综上，现需要设计一种基于荧光光谱全局重构的叶绿素浓度测量方法来解决现有技术中叶绿素测量精度低的问题。

发明内容

为解决上述现有技术中问题，本发明提出了一种基于荧光光谱全局重构的叶绿素浓度测量方法，能够将叶绿素的荧光光谱与其它干扰物质光谱实施分离与测量，消除湖泊、河流、海洋等水体中其它可溶性有机物的荧光干扰，改善荧光法抗干扰能力，提升叶绿素测量精度。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于荧光光谱全局重构的叶绿素浓度测量方法，包括以下步骤：

步骤一、采用纯水拉曼光谱、叶绿素荧光光谱与高斯光谱构建若干个光谱组分；

步骤二、采集待测水样的荧光光谱E；

步骤三、利用步骤S1中的若干个光谱组分对荧光光谱E实施全局重构拟合，得到重构光谱S，重构光谱S的计算公式为：

S₁…S_n为光谱组分，每个光谱组分表示为一维列向量；其中，S₁为单位光谱组分，S₂为纯水拉曼光谱的光谱组分，S₃为叶绿素荧光光谱的光谱组分，S₄…S_n为若干个高斯光谱的光谱组分，C₁、C₂…C_n为S₁、S₂…S_n的光谱强度的拟合参数；

步骤四、根据步骤S3中的拟合参数，所述待测水样的叶绿素浓度ρ的计算公式为：

其中，d为线性回归系数，C₂为S₂的光谱强度的拟合参数，C₃为S₃的光谱强度的参数。

在本发明的一些实施例中，所述纯水拉曼光谱的光谱组分S₂的构建过程为先将激光入射至纯水中，采集纯水拉曼光谱，然后归一化处理后构建所述纯水拉曼光谱的光谱组分S₂。

在本发明的一些实施例中，所述叶绿素荧光光谱的光谱组分S₃的构建过程为先在纯水中加入叶绿素，再将激光入射至纯水中，采集叶绿素荧光光谱，然后归一化处理后构建所述叶绿素荧光光谱的光谱组分S₃。

在本发明的一些实施例中，所述步骤三中，若干个高斯光谱的光谱组分S₄、S₅…S_n由下列公式得到：

其中，λ为光谱仪每像素对应的波长，λ_n为峰位参数，W_n为峰宽参数。

在本发明的一些实施例中，所述步骤一中纯水拉曼光谱和叶绿素荧光光谱的采集步骤均为：

开启激光器后采集光谱，然后关闭激光器，采集暗光谱，最后将光谱与暗光谱相减得到对应的光谱。

在本发明的一些实施例中，所述步骤二中荧光光谱E的采集步骤为：

开启激光器后采集光谱，然后关闭激光器，采集暗光谱，最后将光谱与暗光谱相减得到荧光光谱E。

在本发明的一些实施例中，所述步骤三中的各个拟合参数采用光谱迭代的方式计算，具体采用以下公式：

其中，k表示迭代次数；点除法“./”表示两个列向量中的对应的元素相除，其结果仍为一维列向量；S_n’表示对列向量S_n实施转置；sum表示对列向量中所有元素求和。

在本发明的一些实施例中，所述单位光谱组分由数值1组成。

在本发明的一些实施例中，所述步骤一中的各个光谱组分的维度相同。

在本发明的一些实施例中，所述步骤一中的高斯光谱为可溶性有机物荧光光谱。

本发明的技术方案相对现有技术具有如下技术效果：

本发明的方法充分考虑了水体中其它荧光物质对叶绿素荧光光谱的干扰因素，通过荧光光谱全局重构与拟合，将叶绿素荧光信号与其它荧光物质的干扰信号实施分离测量，其有益效果在于著提升抗干扰能力，提高叶绿素测量精度，可适用于地表水叶绿素的快速在线分析。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为纯水拉曼光谱光谱组分与叶绿素荧光光谱的光谱组分的构建原理示意图。

图2为高斯光谱构建可溶性有机物荧光光谱示意图。

图3为利用多组分光谱对水样荧光光谱信号实施全局重构的效果图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明所涉及的一种基于荧光光谱全局重构的叶绿素浓度测量方法，包括以下步骤：

步骤一、采用纯水拉曼光谱、叶绿素荧光光谱与高斯光谱构建若干个光谱组分，具体包括以下步骤：

1）本实施例中，采用405 nm的半导体激光器作为激发光源，激发样品产生荧光与拉曼散射信号，经430 nm带通滤光片过滤后，采用光纤光谱仪测量430~850 nm范围的光谱。

2）确定光谱仪测量的波长数量，利用数值1，组成相同元素数量的列向量S₁，构建单位光谱组分S₁。本实施例中，430~850 nm光谱范围内共有1100个像素，故S₁为1100个元素且数值全部为1的列向量。

3）开启激光器，将激光入射至纯水中，采集光谱；关闭激光器，设置相同积分时间，采集暗光谱；二者相减可扣除暗光谱，获得纯水拉曼光谱；如图1所示，经归一化处理后，获得纯水拉曼光谱的光谱组分S₂。

4）开启激光器，将激光入射至叶绿素溶液，采集光谱；关闭激光器，设置相同积分时间，采集暗光谱；二者相减扣除暗光谱后，将波长小于610 nm的光谱强度设置为零，可获得叶绿素荧光光谱；如图1所示，此光谱中已排除水分子拉曼光谱信号，仅为叶绿素荧光信号，经归一化处理后，获得叶绿素荧光光谱的光谱组分S₃。

5）如图2所示，实施例中采用6个高斯光谱，构建可溶性有机物荧光光谱组分S₄、S₅、…、S₉，具体公式为：

(1)

其中λ为430~850 nm光谱范围内光谱仪每个像素对应的波长，λ_n为峰位参数， W_n为峰宽参数；本例中λ₄至λ₉分别取420 nm、490 nm、560 nm、600 nm、650 nm与710 nm，W₄至W₉分别取15 nm、30 nm、45 nm、25 nm、20 nm与40 nm。

步骤二、采集待测水样的荧光光谱E；具体包括以下步骤：

1）开启激光器，将激光入射至水样中，采集光谱；关闭激光器，设置相同积分时间，采集暗光谱；二者相减扣除暗光谱后，获得待测水样的荧光光谱E；如图3所示，待测水样荧光光谱中包含水分子拉曼、叶绿素荧光、可溶性有机物荧光等多种组分。

步骤三、利用步骤S1中的若干个光谱组分对荧光光谱E实施全局重构拟合；具体包括以下步骤：

1）在430~850 nm光谱范围，利用已构建的光谱组分S₁、S₂、S₃…S₉对待测水样荧光光谱信号E实施全局重构拟合，S₁、S₂、S₃、…、S₉光谱组分的线性组合S为重构光谱，可表示为：

(2)

其中C₁、C₂…C₉为各组分光谱强度的，通过光谱拟合，使荧光光谱E与重构光谱S间残差最小时，可获得各组分光谱强度的拟合参数数值。

2）在本实施例中，采用光谱迭代的方法求解C₁、C₂、…、C₉：

（3）

(4)

3）设置C₁、C₂、…、C₉拟合参数的初始值均为1，按公式（3）与公式（4）实施迭代。随着迭代次数的增加，重构光谱S^k逐渐趋于测量获得的水样光谱E。如图3所示，经8000次迭代后，本例中全局重构光谱与测量的水样荧光光谱基本一致。

步骤四、根据步骤S3中的拟合参数，计算所述待测水样的叶绿素浓度ρ：

1）迭代后获得光谱强度的拟合参数C₂和C₃，分别代表水分子拉曼信号与叶绿素荧光信号在全局光谱中的权重。叶绿素荧光强度的拟合参数C₃与样品中叶绿素浓度成正比；可取C₃对C₂的归一化强度(C₃/ C₂)，抑制激光强度变化、样品中颗粒物散射等外部环境影响，叶绿素浓度ρ的计算公式为：

(5)

通过标定实验可获得线性回归系数d，即测量已知浓度的叶绿素样品，建立回归关系，确定系数d后，可对任意水样的叶绿素浓度实施测量。

对于λ_n和W_n的取值能够覆盖待测水样的荧光光谱即可，之后通过迭代计算可以获得与待测水样的荧光光谱一致的重构光谱。本发明所涉及的叶绿素浓度的测量方法具有检测速度快、准确等优点，该方法步骤简单，适用于海洋、湖泊、河流的原位在线应用，其抗干扰能力强的特点，尤其适用于高荧光干扰水域、高浓度可溶性有机物水域的叶绿素现场测量。

以上仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims

1.一种基于荧光光谱全局重构的叶绿素浓度测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤二、采集待测水样的荧光光谱E；

步骤三、利用步骤一中的若干个光谱组分对荧光光谱E实施全局重构拟合，得到重构光谱S，重构光谱S的计算公式为：

S＝C₁·S₁+C₂·S₂+C₃·S₃+...+C_n·S_n

ρ＝d·(C₃/C₂)

其中，d为线性回归系数，C₂为S₂的光谱强度的拟合参数，C₃为S₃的光谱强度的参数；

所述纯水拉曼光谱的光谱组分S₂的构建过程为先将激光入射至纯水中，采集纯水拉曼光谱，然后归一化处理后构建所述纯水拉曼光谱的光谱组分S₂；

所述叶绿素荧光光谱的光谱组分S₃的构建过程为先在纯水中加入叶绿素，再将激光入射至纯水中，采集叶绿素荧光光谱，然后归一化处理后构建所述叶绿素荧光光谱的光谱组分S₃；

所述步骤三中的各个拟合参数采用光谱迭代的方式计算，具体采用以下公式：

C_n ^k+1＝b_n ^k·C_n ^k

其中，k表示迭代次数；点除法“./”表示两个列向量中的对应的元素相除，其结果仍为一维列向量；S_n’表示对列向量S_n实施转置；sum表示对列向量中所有元素求和；

所述单位光谱组分由数值1组成。

2.根据权利要求1所述的一种基于荧光光谱全局重构的叶绿素浓度测量方法，其特征在于，所述步骤一中纯水拉曼光谱和叶绿素荧光光谱的采集步骤均为：

3.根据权利要求1所述的一种基于荧光光谱全局重构的叶绿素浓度测量方法，其特征在于，所述步骤二中荧光光谱E的采集步骤为：

4.根据权利要求1所述的一种基于荧光光谱全局重构的叶绿素浓度测量方法，其特征在于，所述步骤一中的各个光谱组分的维度相同。

5.根据权利要求1所述的一种基于荧光光谱全局重构的叶绿素浓度测量方法，其特征在于，所述步骤一中的高斯光谱为可溶性有机物荧光光谱。