CN114518351A - 一种海水中目标物质浓度的检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于海洋环境监测领域，公开了一种海水中目标物质浓度的检测装置，包括依次连接的压圈、前筒、后筒及后端盖；压圈与前筒之间设置光学玻璃窗片，前筒内部设置荧光探头；荧光探头上开设入射通道和探测通道，入射通道内设置入射单元，入射单元包括依次设置的光源汇聚透镜和光源，探测通道内设置探测单元，探测单元包括依次设置的荧光收集透镜、滤光片和荧光探测器；后筒内部设置目标物质浓度检测电路，后端盖上开设安装孔，安装孔内设置连接器，连接器伸入后筒内部与目标物质浓度检测电路连接，光源的中心波长为目标物质的荧光激发波长，滤光片的中心波长为目标物质的激发荧光的中心波长，实现整个检测装置的小型化设计，操作简便，使用便携。

Description

一种海水中目标物质浓度的检测装置

技术领域

本发明属于海洋环境监测领域，涉及一种海水中目标物质浓度的检测装置。

背景技术

有害藻华是近海最突出的生态灾害之一，近几年大规模有害藻华不断出现，藻华表现出多样化、小型化和有害化的演变趋势，对沿海地区社会经济发展和生态系统健康构成严重威胁。海洋中叶绿素a含量是评价海水水质、营养化程度的重要参数，能够反应海水的藻类和浮游植物等生产者的数量，通常用其代表海水中藻类和浮游植物的含量。因此，使用仪器测量海水中的叶绿素浓度可以用于海洋生态研究与有害藻华监测和预警等方面。

通过荧光法检测海水中叶绿素a浓度的方式，由于操作简便、检测速度快及精度高等优点，近年来被广泛应用。然而，现有针对叶绿素a浓度的检测装置，普遍体积较大，不便于携带和使用。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种海水中目标物质浓度的检测装置。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种海水中目标物质浓度的检测装置，包括依次连接的压圈、前筒、后筒以及后端盖；压圈与前筒之间设置光学玻璃窗片，前筒内部设置荧光探头；荧光探头上开设入射通道和探测通道，入射通道内设置入射单元，入射单元包括依次设置的光源汇聚透镜和光源，探测通道内设置探测单元，探测单元包括依次设置的荧光收集透镜、滤光片和荧光探测器；后筒内部设置目标物质浓度检测电路，后端盖上开设安装孔，安装孔内设置连接器，连接器一端伸入后筒内部与目标物质浓度检测电路连接；目标物质浓度检测电路与荧光探测器均连接，用于根据荧光探测器探测的目标物质的荧光信号，输出目标物质的浓度；其中，光源的中心波长为目标物质的荧光激发波长，滤光片的中心波长为目标物质的激发荧光的中心波长；其中，沿前筒至后筒的方向上，入射通道向探测通道方向倾斜。

可选的，将入射通道、入射单元、探测通道、探测单元和目标物质浓度检测电路定义为一组探测组，当目标物质包括n种时，设置n组与n种目标物质一一对应的探测组，n≥1；且各探测组内的入射单元的光源的中心波长为该探测组对应的目标物质的荧光激发波长，各探测组内的探测单元的滤光片的中心波长为该探测组对应的目标物质的激发荧光的中心波长，各探测组内的目标物质浓度检测电路用于根据该探测组内荧光探测器探测的该探测组对应的目标物质的荧光信号，输出该探测组对应的目标物质的浓度。

可选的，所述目标物质包括种，分别为叶绿素a和示踪剂罗丹明B；其中，与叶绿素a对应的探测组内的光源的中心波长为470nm；与叶绿素a对应的探测组内的滤光片的中心波长为685nm；与示踪剂罗丹明B对应的探测组内的光源的中心波长为525nm；与示踪剂罗丹明B对应的探测组内的滤光片的中心波长为595nm。

可选的，所述光源为LED，所述荧光探测器为硅光电二极管。

可选的，所述入射通道的倾斜角度为30°～40°，探测通道的轴线与前筒的轴线平行。

可选的，所述前筒内部还设置一级放大电路，荧光探测器通过一级放大电路与目标物质浓度检测电路连接。

可选的，所述后筒内部还设置固定架，所述目标物质浓度检测电路通过固定架固定在后筒内部。

可选的，所述光学玻璃窗片与前筒之间设置第一密封圈，所述前筒与后筒之间设置第二密封圈，所述后筒和后端盖之间设置第三密封圈。

可选的，所述光源汇聚透镜和光源与入射通道卡槽连接，且光源汇聚透镜和光源与入射通道之间设置光学胶；荧光收集透镜、滤光片和荧光探测器与探测通道卡槽连接，且荧光收集透镜、滤光片和荧光探测器与探测通道之间设置光学胶。

可选的，所述连接器为水密头；所述检测装置为圆柱体，直径为45～47mm，长度为147～150mm；所述荧光探头为圆柱体，直径为24～26mm，长度为13～15mm。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明海水中目标物质浓度的检测装置，通过在前筒内部设置荧光探头；荧光探头上开设入射通道和探测通道，入射通道内设置入射单元，入射单元包括依次设置的光源汇聚透镜和光源，探测通道内设置探测单元，探测单元包括依次设置的荧光收集透镜、滤光片和荧光探测器；后筒内部设置目标物质浓度检测电路，后端盖上开设安装孔，安装孔内设置连接器，连接器一端伸入后筒内部与目标物质浓度检测电路连接；目标物质浓度检测电路与荧光探测器均连接，用于根据荧光探测器探测的目标物质的荧光信号，输出目标物质的浓度，通过设置合理中心波长的光源和滤光片，即可实现不同目标物质浓度的有效检测。并且通过荧光探头的设计，实现整个检测装置的小型化设计，操作简便，使用便携。

进一步的，荧光探头的光路结构为双光路，两光路相同，分别对叶绿素a和示踪剂罗丹明B进行浓度探测，实现了海水中两种物质的一体化检测，实时检测海水中叶绿素a和示踪剂罗丹明B浓度，对海洋环境监测和预警具有重要意义。

进一步的，入射通道的倾斜角度为30°～40°，探测通道的轴线与前筒的轴线平行，便于荧光的收集，结构紧凑，提高荧光收集效率。

附图说明

图1为本发明实施例的海水中目标物质浓度的检测装置结构示意图；

图2为本发明实施例的荧光探头结构示意图；

图3为本发明实施例的荧光探头仰视图；

图4为本发明实施例的荧光探头俯视图；

图5为本发明实施例图4沿A-A方向的剖视图；

图6为本发明实施例的海水中目标物质浓度的检测装置外部结构示意图。

其中：1-压圈；2-前筒；3-后筒；4-后端盖；5-光学玻璃窗片；6-第一密封圈；7-荧光探头；8-一级放大电路；9-走线孔；10-第二密封圈；11-固定架；12-目标物质浓度检测电路；13-第三密封圈；14-连接器；15-光源；16-光源汇聚透镜；17-荧光收集透镜；18-滤光片；19-荧光探测器。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，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的实施例，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，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参见图1至6，本发明实施例中提供一种海水中目标物质浓度的检测装置，包括依次连接的压圈1、前筒2、后筒3以及后端盖4。

压圈1与前筒2之间设置光学玻璃窗片5，前筒2内部设置荧光探头7；荧光探头7上开设入射通道和探测通道，入射通道内设置入射单元，入射单元包括依次设置的光源汇聚透镜16和光源15，探测通道内设置探测单元，探测单元包括依次设置的荧光收集透镜17、滤光片18和荧光探测器19；后筒3内部设置目标物质浓度检测电路12，后端盖4上开设安装孔，安装孔内设置连接器14，连接器14一端伸入后筒3内部与目标物质浓度检测电路12连接；目标物质浓度检测电路12与荧光探测器19均连接，用于根据荧光探测器19探测的目标物质的荧光信号，输出目标物质的浓度；其中，光源15的中心波长为目标物质的荧光激发波长，滤光片18的中心波长为目标物质的激发荧光的中心波长。

其中，沿前筒2至后筒3的方向上，入射通道向探测通道方向倾斜，基于这样的设计，一方面提高收集荧光的性能，另一方面实现了小型化设计。若入射通道与探测通道呈180°或90°等，所收集的荧光强度高，但入射光的干扰也高，且这样设计的仪器尺寸较大，不利于仪器的方便携带及搭载其他载体使用。

其中，光学玻璃窗片5在荧光探头7前端放置，用来进行透光，可选的，压圈1与前筒2、前筒2与后筒3以及后筒3和后端盖4，均可以采用螺丝连接。入射通道中光源15的光经光源汇聚透镜16打到海水中，所激发的荧光经探测通道的荧光收集透镜17汇聚，再经滤光片18滤光，使得荧光波段的光进入荧光探测器19进行探测。

本发明海水中目标物质浓度的检测装置，通过在前筒2内部设置荧光探头7；荧光探头7上开设入射通道和探测通道，入射通道内设置入射单元，入射单元包括依次设置的光源汇聚透镜16和光源15，探测通道内设置探测单元，探测单元包括依次设置的荧光收集透镜17、滤光片18和荧光探测器19；后筒3内部设置目标物质浓度检测电路12，后端盖4上开设安装孔，安装孔内设置连接器14，连接器14一端伸入后筒3内部与目标物质浓度检测电路12连接；目标物质浓度检测电路12与荧光探测器19均连接，用于根据荧光探测器19探测的目标物质的荧光信号，输出目标物质的浓度，通过设置合理中心波长的光源15和滤光片18，即可实现不同目标物质浓度的有效检测。并且通过荧光探头7的设计，实现整个检测装置的小型化设计，操作简便，使用便携。

在一种可能的实施方式中，将入射通道、入射单元、探测通道、探测单元和目标物质浓度检测电路12定义为一组探测组，当目标物质包括n种时，设置n组与n种目标物质一一对应的探测组，n≥1；且各探测组内的入射单元的光源15的中心波长为该探测组对应的目标物质的荧光激发波长，各探测组内的探测单元的滤光片18的中心波长为该探测组对应的目标物质的激发荧光的中心波长，各探测组内的目标物质浓度检测电路12用于根据该探测组内荧光探测器19探测的该探测组对应的目标物质的荧光信号，输出该探测组对应的目标物质的浓度。

以下以两种目标物质为例说明，但不以此为限，其他数量的目标物质同样适用。具体的，采用双探测组即双光路设计，两光路相同，对两种目标物质分别进行浓度探测，提高了检测效率及检测装置空间利用率。

其中，一种目标物质为叶绿素a，另一种目标物质为示踪剂罗丹明B。另外随着工业生产的不断发展，大量排入海洋的离子状态污染物质会随水体运动而扩散到很远的地方。因此，在海洋污染监测的过程中，对于污染物的流向是环境监测的重点和难点，海洋中罗丹明B作为示踪剂，是监测以离子状态存在的污染物质的流向的重要手段，可以很好地代表离子状态污染物质的运动规律。

根据叶绿素a和示踪剂罗丹明B的本身属性，其中，与叶绿素a对应的探测组内的光源15的中心波长为470nm；与叶绿素a对应的探测组内的滤光片18的中心波长为685nm；与示踪剂罗丹明B对应的探测组内的光源15的中心波长为525nm；与示踪剂罗丹明B对应的探测组内的滤光片18的中心波长为595nm。

叶绿素a的探测组主要分为入射通道和探测通道，入射通道里有光源15和光源汇聚透镜16，光源15的光经光源汇聚透镜16打到海水中，其中光源15的中心波长为470nm，适用于激发叶绿素a。探测通道有荧光收集透镜17，滤光片18和荧光探测器19，所激发的荧光经荧光收集透镜17汇聚，再经滤光片18滤光，使得荧光波段的光进入荧光探测器19进行探测。其中滤光片18为中心波长685nm，OD5的窄带通滤光片，使得470nm的光照射叶绿素a时所激发的685nm左右的荧光进入荧光探测器19。

示踪剂罗丹明B的探测组与叶绿素a的探测组类似，包括入射通道和探测通道，入射通道里有光源15和光源汇聚透镜16，光源15的光经光源汇聚透镜16打到海水中放置的罗丹明B，其中光源15的中心波长为525nm，适用于激发罗丹明B。探测通道有荧光收集透镜17，滤光片18和荧光探测器19，所激发的荧光经荧光收集透镜17汇聚，再经滤光片18滤光，使得荧光波段的光进入荧光探测器19进行探测。其中滤光片18为中心波长595nm，OD5的窄带通滤光片，使得525nm的光照射罗丹明B时所激发的595nm左右的荧光进入荧光探测器19。

具体的，叶绿素a浓度的检测光路是：入射通道中激发叶绿素a的光源15的光经光源汇聚透镜16打到海水中，所激发的荧光经探测通道的荧光收集透镜17汇聚，再经适用于叶绿素a的荧光的滤光片18滤光，使得叶绿素a荧光波段的光进入荧光探测器19进行探测。示踪剂浓度的检测光路是：入射通道中激发示踪剂的光源15的光经光源汇聚透镜16打到海水中，所激发的荧光经探测通道的荧光收集透镜17汇聚，再经适用于示踪剂的荧光的滤光片18滤光，使得示踪剂荧光波段的光进入荧光探测器19进行探测。

其中，叶绿素a及示踪剂罗丹明B的检测装置中光源15与滤光片18选型不同，其余元器件光源汇聚透镜16、荧光收集透镜17和荧光探测器19选型均相同，光源汇聚透镜16和荧光收集透镜17均适用于可见光。叶绿素a及示踪剂罗丹明B浓度同时检测并读取数据，因测不同目标物质的两光路中滤光片18的中心波长不同，允许通过的光就不同，所以当不同中心波长的光源15同时激发时不会影响到两种目标物质的测量。

具体的检测步骤是：先接通电源，电源接通后检测装置开始工作，中心波长为470nm和525nm的光源15同时亮起，照射海水，两个荧光探测器19分别接收到两个光源15所激发的信号，作为海水叶绿素a及示踪剂罗丹明B的测量值，并通过485协议输出。

综上所述，本发明海水中目标物质浓度的检测装置的荧光探头7的光路结构为双光路，两光路相同，分别对叶绿素a和示踪剂罗丹明B进行浓度探测，实现了海水中两种物质的一体化检测，能实时检测海水中叶绿素a和示踪剂罗丹明B的浓度，对海洋环境监测和预警具有重要意义。

在一种可能的实施方式中，所述光源15为LED，所述荧光探测器19为硅光电二极管，其光谱响应范围为320-1000nm。

在一种可能的实施方式中，所述入射通道的倾斜角度为30°～40°，探测通道的轴线与前筒2的轴线平行。即探测通道垂直，入射通道中的光源15斜30°～40°入射，入射通道向探测通道方向倾斜，便于荧光的收集，结构紧凑，提高荧光收集效率。入射通道的光打到探测物质上后，探测物质激发出荧光进入探测通道进行检测，因为荧光的方向是四面八方的，因此入射通道与探测通道的位置关系是随意的，但为保证荧光收集的高效率及荧光探头的小型化设计，并且由于超过40°则荧光探头尺寸需增加，小于30°则荧光检测信号微弱，此处设计入射通道与探测通道角度为30°～40°。

在一种可能的实施方式中，所述前筒2内部还设置一级放大电路，荧光探测器19通过一级放大电路与目标物质浓度检测电路12连接，有助于保持荧光探测器19的信号稳定。一级放大电路板8上的电子线通过前筒2内的走线孔9出来，与目标物质浓度检测电路12进行连接，一级放大电路板8与目标物质浓度检测电路12相连，共同组成了检测装置的电路部分，保持信号稳定。

在一种可能的实施方式中，所述后筒3内部还设置固定架11，所述目标物质浓度检测电路12通过固定架11固定在后筒3内部。目标物质浓度检测电路12安装在固定架11上，且固定架11安装在前筒2后端，保持整体结构的稳定。

在一种可能的实施方式中，所述光学玻璃窗片5与前筒2之间设置第一密封圈6，所述前筒2与后筒3之间设置第二密封圈10，所述后筒3和后端盖4之间设置第三密封圈13，密封圈可以为O型密封圈，通过设置密封圈保证连接位置处的水密性能。

在一种可能的实施方式中，所述光源汇聚透镜16和光源15与入射通道卡槽连接，且光源汇聚透镜16和光源15与入射通道之间设置光学胶；荧光收集透镜17、滤光片18和荧光探测器19与探测通道卡槽连接，且荧光收集透镜17、滤光片18和荧光探测器19与探测通道之间设置光学胶。具体的，入射通道和探测通道构造相同，都为上下两头宽，中间部分窄。这样设计是为了形成一定尺寸的卡槽，来固定不同的元器件，包括光源15，光源汇聚透镜16，荧光收集透镜17，滤光片18和探测器19，各元器件之间的距离均通过仿真计算得出。将元器件固定在卡槽中后，再用光学胶进行二次固定，通过卡槽和光学胶的双层固定，保证元器件在荧光探头7里不移动，适用于海洋检测。

在一种可能的实施方式中，所述连接器14为水密头。在后端盖4上螺纹连接水密头14，以实现原位分析检测。

检测装置的整体结构体积较小，所述检测装置为圆柱体，直径为45～47mm，长度为147～150mm；所述荧光探头7为圆柱体，直径为24～26mm，长度为13～15mm。实现了小型化设计，方便携带，便于检测。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种海水中目标物质浓度的检测装置，其特征在于，包括依次连接的压圈(1)、前筒(2)、后筒(3)以及后端盖(4)；

压圈(1)与前筒(2)之间设置光学玻璃窗片(5)，前筒(2)内部设置荧光探头(7)；荧光探头(7)上开设入射通道和探测通道，入射通道内设置入射单元，入射单元包括依次设置的光源汇聚透镜(16)和光源(15)，探测通道内设置探测单元，探测单元包括依次设置的荧光收集透镜(17)、滤光片(18)和荧光探测器(19)；后筒(3)内部设置目标物质浓度检测电路(12)，后端盖(4)上开设安装孔，安装孔内设置连接器(14)，连接器(14)一端伸入后筒(3)内部与目标物质浓度检测电路(12)连接；目标物质浓度检测电路(12)与荧光探测器(19)均连接，用于根据荧光探测器(19)探测的目标物质的荧光信号，输出目标物质的浓度；其中，光源(15)的中心波长为目标物质的荧光激发波长，滤光片(18)的中心波长为目标物质的激发荧光的中心波长；

其中，沿前筒(2)至后筒(3)的方向上，入射通道向探测通道方向倾斜。

2.根据权利要求1所述的海水中目标物质浓度的检测装置，其特征在于，将入射通道、入射单元、探测通道、探测单元和目标物质浓度检测电路(12)定义为一组探测组，当目标物质包括n种时，设置n组与n种目标物质一一对应的探测组，n≥1；且各探测组内的入射单元的光源(15)的中心波长为该探测组对应的目标物质的荧光激发波长，各探测组内的探测单元的滤光片(18)的中心波长为该探测组对应的目标物质的激发荧光的中心波长，各探测组内的目标物质浓度检测电路(12)用于根据该探测组内荧光探测器(19)探测的该探测组对应的目标物质的荧光信号，输出该探测组对应的目标物质的浓度。

3.根据权利要求2所述的海水中目标物质浓度的检测装置，其特征在于，所述目标物质包括(2)种，分别为叶绿素a和示踪剂罗丹明B；

其中，与叶绿素a对应的探测组内的光源(15)的中心波长为470nm；与叶绿素a对应的探测组内的滤光片(18)的中心波长为685nm；与示踪剂罗丹明B对应的探测组内的光源(15)的中心波长为525nm；与示踪剂罗丹明B对应的探测组内的滤光片(18)的中心波长为595nm。

4.根据权利要求1所述的海水中目标物质浓度的检测装置，其特征在于，所述光源(15)为LED，所述荧光探测器(19)为硅光电二极管。

5.根据权利要求1所述的海水中目标物质浓度的检测装置，其特征在于，所述入射通道的倾斜角度为30°～40°，探测通道的轴线与前筒(2)的轴线平行。

6.根据权利要求1所述的海水中目标物质浓度的检测装置，其特征在于，所述前筒(2)内部还设置一级放大电路，荧光探测器(19)通过一级放大电路与目标物质浓度检测电路(12)连接。

7.根据权利要求1所述的海水中目标物质浓度的检测装置，其特征在于，所述后筒(3)内部还设置固定架(11)，所述目标物质浓度检测电路(12)通过固定架(11)固定在后筒(3)内部。

8.根据权利要求1所述的海水中目标物质浓度的检测装置，其特征在于，所述光学玻璃窗片(5)与前筒(2)之间设置第一密封圈(6)，所述前筒(2)与后筒(3)之间设置第二密封圈(10)，所述后筒(3)和后端盖(4)之间设置第三密封圈(13)。

9.根据权利要求1所述的海水中目标物质浓度的检测装置，其特征在于，所述光源汇聚透镜(16)和光源(15)与入射通道卡槽连接，且光源汇聚透镜(16)和光源(15)与入射通道之间设置光学胶；荧光收集透镜(17)、滤光片(18)和荧光探测器(19)与探测通道卡槽连接，且荧光收集透镜(17)、滤光片(18)和荧光探测器(19)与探测通道之间设置光学胶。

10.根据权利要求1所述的海水中目标物质浓度的检测装置，其特征在于，所述连接器(14)为水密头；所述检测装置为圆柱体，直径为45～47mm，长度为147～150mm；所述荧光探头(7)为圆柱体，直径为24～26mm，长度为13～15mm。

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