CN205404410U - 一种双光路法海岸带水体叶绿素原位监测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种双光路法海岸带水体叶绿素原位监测装置，基于荧光法检测原理，通过直接测量荧光强度在线监测叶绿素α浓度；由光源模块、测量模块，参考模块和信号处理模块四部分组成。在LED光源激发下，测量叶绿素发射的荧光强度，通过系统模型计算的线性相关系数和校正黄色物质CDOM的补偿数值，计算出被测海岸带水体叶绿素浓度。本实用新型能够现场实时、快速、大面积监测水体中叶绿素浓度，并且重量轻，体积小，便于携带，准确度和灵敏度高，操作简单，成本低，可用于多种检测领域。

Description

一种双光路法海岸带水体叶绿素原位监测装置

技术领域

本实用新型属于水环境光学法原位检测技术领域，具体是一种双光路法海岸带水体叶绿素原位监测的装置。

背景技术

叶绿素几乎存在于所有浮游植物中，是估量浮游植物和藻类的含量和分布状况主要指标之一。叶绿素a的浓度可用于监测站与研究机构了解、分析水质富营养化程度和海洋生物的分布状态等，并且还与水产养殖业和渔业等密切相关，是检测水质质量的常规检测项目。

目前我国测量水体叶绿素含量的主要方法有分光光度法、高效液相色谱法和荧光法等。分光光度法和高效液相色谱法都需要实验室采样、萃取将水样中叶绿素提取出来后再用分光光度法进行分析测定，尽管测试数据准确可靠，但测量步骤繁琐，时间长、数据少，应用于现场实时监测时受限制。随着荧光法测量水体叶绿素研究的不断进展，研发具有高精准度、高灵敏度的实时在线叶绿素分析仪已经是现在水环境生态系统监测领域中一个热点。本实用新型采用的荧光法比分光光度法更适用于叶绿素含量极低的情况，检测灵敏度更高，并可用于河流、湖泊及海洋等多种水体现场检测，能够实时监测浮游植物、藻类等分布、生长以及变化状态。

传统叶绿素分析仪大部分为柜式结构，体积大，成本高，抽取水样进行采集测试。

实用新型内容

本实用新型采用荧光法检测原理，主要由光源模块、测量模块，参考模块和信号处理模块四部分组成，实现了现场实时、快速、大面积、精准监测水体叶绿素浓度的目的。由于被测水体中叶绿素α在外加蓝色光源的激发下，会在较长波长685nm附近释放荧光，通过直接测量荧光强度可以在线监测叶绿素α浓度。光源模块发出的蓝光经测量模块中的二向色分光片，大部分光被反射后由凸透镜在石英窗口前聚焦，形成的准直光通过光窗照射水体叶绿素产生荧光，反射回的荧光经二向色分光片透射后由信号处理模块中的光电探测器一进行检测。光源模块发出的小部分光束经二向色分光片透射入参考模块中光电探测器二作为评价光源能量变化的参考信号。

具体技术方案如下：

一种双光路法海岸带水体叶绿素原位监测方法，基于荧光法检测原理，通过直接测量荧光强度在线监测叶绿素α浓度；具体方法为：

(1)光源模块中的激发光源采用超亮蓝LED灯；

(2)采用双光路测试系统，LED光源发射的光平行入射到经过45°方向安装的二向色分光片后分成两束光，一束经二向色分光片反射与入射光成直角的探测光和一束与入射光平行的参考光；

(3)二向色分光片为45°方向安装，反射400-480nm波长的光并透射500-700nm的光，保证反射探测光并使其垂直入射到水体，激发的荧光透过分光片被光电探测器一接收，检测荧光与LED光源的入射光呈直角，与探测光平行；

(4)探测光垂直通过聚焦透镜一和光学石英窗口，变为准直光照射入水样，叶绿素受激发发出的荧光再经光学石英窗口、聚焦透镜一、二向色分光片和聚焦透镜二被光电探测器一接收；

(5)光源模块发出的光经测量模块中的二向色分光片分成两束光，其中的一束参考光由光电探测器二进行检测，再由数据采集单元进行处理；

(6)控制单元与数据采集单元控制光源发光，使被测水体叶绿素受激发发射荧光；光电探测器一将接收到的荧光转换为相应的电信号，数据处理单元再对光电探测器一转换的电信号进行处理，并计算出被测水体叶绿素a的含量，同时将数据传输至控制单元进行显示；

(7)数据处理单元由采集的荧光信号计算出被测水体叶绿素a的含量按照如下公式：

C＝a×(E-F)

其中，C是被测水体藻类叶绿素a浓度，单位为mg/L；E是计算得到的位于特征中心波长685nm处的荧光强度；a是线性相关系数；F是校正被测水体中黄色物质CDOM的补偿数值，补偿数值F储存在控制处理模块内部。

被测水体荧光信号数据预处理后，经系统数学模型分析处理，计算得到荧光强度E，并根据储存在数据处理模块内部的黄色物质CDOM的补偿数值系数F结合现场CDOM实测值，进行叶绿素荧光强度校正，去除了被测水体其他发荧光物质的干扰。叶绿素荧光信号数据再由系统数学模型内光源漂移、偏最小二乘法等算法分析处理后，计算得到校正荧光强度(E-F)与叶绿素浓度C间的线性相关系数a，最后由浓度反演算法得出被测水体叶绿素a的含量，同时将数据传输至控制单元进行显示。

本实用新型进一步公开了一种实现所述方法的装置，包括信号处理模块、光电探测器一、聚焦透镜二、光源、光电探测器二、二向色分光片、聚焦透镜一、石英光窗、外壳，外壳与前端主体采用双层硅橡胶圈密封，光源和光电探测器二都用固定座安装在前端主体上，前端主体的下方为石英光窗，石英光窗下方为水样池,聚焦透镜一设置在石英光窗的上方；二向色分光片采用45°方向安装在聚焦透镜一上方，光源和光电探测器二分别位于二向色分光片两侧，并且光源模块的LED灯和光电探测器二平行同心，保证LED光源发出的光经二向色分光片后分成探测光和参考光这两束光，光电探测器一固定在聚焦透镜二上方，聚焦透镜二固定在二向色分光片的上方；信号处理模块分别与光电探测器一、光源模块和光电探测器二相连接；参考光被光电探测器二检测到，探测光经聚焦透镜一聚集到水样池，水样池内激发的荧光经聚焦透镜一和聚焦透镜二由光电探测器一接收；信号处理模块设置RS232数据模拟输出端口，与温度仪、深度仪、数据采集器或其他参数传感器等一起接入系统使用，在控制器中设定改变增益系数、数据平均次数和校准系数。

二向色分光片厚度为1.2mm。

本实用新型的优点如下：

本实用新型采用超亮蓝LED灯作为激发光源，具有发光强度高，体积小，使用寿命长的特点。

本实用新型采用双光路测试系统，光源发出的光经二向色分光片分成探测光和参考光，探测光激发荧光，参考光由光电探测器二进行检测。此方法去除了光源波动及光源衰减带来的影响，提高了系统稳定性和准确度。

本实用新型的荧光法数学模型通过计算的线性相关系数，增加了黄色物质CDOM补偿功能，可以校正被测水体中黄色物质CDOM对采集的荧光信号的影响，准确计算出被测水体叶绿素浓度。

本实用新型的双光路法海岸带水体叶绿素原位监测系统及方法体积小，重量轻，携带方便，功耗小，准确度和灵敏度高，适合在线监测。

本实用新型的技术效果：本实用新型的双光路法海岸带水体叶绿素原位监测系统及方法能够现场实时、快速、大面积监测水体中叶绿素浓度，并且重量轻，体积小，准确度和灵敏度高。与传统检测叶绿素的仪器相比，可以实现快速实时连续的测量，更便于携带，使用操作简单，有效的减少了生产和测量成本，应用范围广，可用于海洋环境调查、海产养殖、污染指标估量及赤潮监测等重要领域，利于实现产业化。

附图说明

图1是本实用新型的装置的结构示意图，其中1、信号处理模块，2、光电探测器一，3、聚焦透镜二，4、光源，5、光电探测器二，6、二向色分光片，7、聚焦透镜一，8、石英光窗，9、外壳；10、前端主体，11、水样池。

图2是本实用新型系统装置的工作流程示意图；

图3是双光路法海岸带水体叶绿素原位监测系统模型的数据处理分析过程示意图。

具体实施方式

本实用新型通过直接测量水体中叶绿素受激释放的荧光强度来检测叶绿素浓度，主要由光源模块、测量模块，参考模块和信号处理模块四部分组成。

如图1所示，本实用新型所述的装置包括信号处理模块1、光电探测器一2、聚焦透镜二3、光源4、光电探测器二5、二向色分光片6、聚焦透镜一7、石英光窗8、外壳9，外壳9与前端主体10采用双层硅橡胶圈密封，光源4和光电探测器二5都用固定座安装在前端主体上，前端主体10的下方为石英光窗8，石英光窗8下方为水样池11,聚焦透镜一7设置石英光窗8的上方；二向色分光片6采用45°方向安装在聚焦透镜一7上方，光源4和光电探测器二5分别位于二向色分光片6两侧，并且光源模块4的LED灯和光电探测器二5平行同心，保证LED光源4发出的光经二向色分光片6后分成探测光和参考光这两束光，光电探测器一2固定在聚焦透镜二3上方，聚焦透镜二3固定在二向色分光片6的上方；信号处理模块1分别与光电探测器一2、光源模块4和光电探测器二5相连接；参考光被光电探测器二5检测到，探测光经聚焦透镜一7聚集到水样池11，水样池内激发的荧光经聚焦透镜一7和聚焦透镜二3由光电探测器一2接收；信号处理模块1设置RS232数据模拟输出端口，与温度仪、深度仪、数据采集器或其他参数传感器等一起接入系统使用，在控制器中设定改变增益系数、数据平均次数和校准系数。

二向色分光片6厚度为1.2mm。

如图2所示，本实用新型的仪器开始工作时，系统程序先完成初始化，然后信号处理模块中的控制单元与数据采集单元控制LED光源输出能量发射蓝光，由于本实用新型采用双光路测试系统，LED光源发射的光平行入射到45°方向安装的二向色分光片后分成两束光，一束是经二向色分光片反射后与入射光成直角的探测光，另一束是入射光经二向色分光片透射后的参考光。其中，参考光是由光电探测器二进行检测，再由信号处理模块中的数据采集单元进行处理，用来去除系统大部分杂散光的影响，提高了系统稳定性和准确度。探测光垂直通过聚焦透镜一在光学石英窗口前聚焦，变为准直光照射入水样中叶绿素，叶绿素受激发射出荧光，反射的荧光再经光学石英窗口被同一聚焦透镜一收集，透过二向色分光片和聚焦透镜二聚焦耦合后被光电探测器一接收。反射荧光在被光电探测器一接受之前，还需先通过红色滤光片滤除偏离特定波长685nm的光，使进入光电探测器一的光信号全部为叶绿素荧光信号，去除外部杂散光影响。光电探测器一将接收到的荧光信号转换为相应的电信号，数据处理单元再对光电探测器一转换的电信号和进行处理，并计算出被测水体叶绿素a的含量，同时将数据传输至控制单元进行显示。

本实用新型系统的数据处理中心为单片机，光电探测器一把荧光信号转化为电压脉冲，再由积分器输出后通过A/D转换器转换传输至单片机，用来完成对数据的采集、计算和校准等。

本实用新型的仪器具有RS232数据模拟输出端口，可以与温度仪、深度仪、数据采集器和其他参数传感器等一起接入系统使用。在控制器中可以设定改变增益系数、数据平均次数和校准系数等。

如图3所示，本实用新型通过测量水体中叶绿素受激反射的荧光来检测叶绿素浓度，此过程的系统模型的数据处理分析步骤如图3所示，控制单元控制光源发光得到反射荧光，由数据采集单元通过光电探测器一进行数据采集，数据处理单元再将采集得到的数据进行预处理，预处理去噪是通过平滑、信号平均等算法。预处理后的数据最后由系统数学模型分析处理计算得到叶绿素荧光相关系数，系统数学模型的数据分析处理算法主要有光源漂移校准、偏最小二乘法，并根据储存在数据处理模块内部的黄色物质CDOM的补偿数值系数结合现场CDOM实测值，进行叶绿素荧光强度校正，最后由浓度反演算法得出被测海岸带水体叶绿素a的含量，同时将数据传输至控制单元进行显示。

仪器校准

本实用新型的双光路法海岸带水体叶绿素原位监测系统装置可以完全浸入水中工作，也可以安装在管路中使用。使用本实用新型系统进行测试时，先确定传感器已经通电并开始正常工作，如果仪器正常工作，测试纯水(不含黄色物质CDOM)时，读数应该为零。为防止直接测试水样不准确，可以先用纯水测试进行校准。进一步校准可把叶绿素α溶于90％丙酮中分别配制出浓度为10，20，100和200μg/L的标准液，标准液放置在玻璃容器内，仪器距离容器底部至少8-10cm进行测试，得到校准系数。仪器校准后，可以完全浸入到被测水体中进行测量，系统的控制单元控制光源发光来激发水体中叶绿素得到反射荧光，再由数据采集单元通过光电探测器一进行数据采集，并将采集的数据进行预处理，然后由数据处理单元计算出被测水体叶绿素a的含量，同时将数据传输至控制单元进行显示。本系统结构设计具备体积小，功耗低，操作简单，便于船载，系统采用双光路检测系统，用参考光扣除了大部分干扰杂散光，并通过储存在数据处理模块内部的黄色物质CDOM的补偿数值系数结合现场CDOM实测值，进行叶绿素浓度校正，使得本系统检测叶绿素浓度稳定可靠。

本实用新型中所采用的信号处理模块、光电探测器一、聚焦透镜二、光源、光电探测器二等均可采用市购产品。

Claims (2)

1.一种双光路法海岸带水体叶绿素原位监测装置，其特征在于：包括信号处理模块、光电探测器一、聚焦透镜二、光源、光电探测器二、二向色分光片、聚焦透镜一、石英光窗、外壳，外壳与前端主体采用双层硅橡胶圈密封，光源和光电探测器二都用固定座安装在前端主体上，前端主体的下方为石英光窗，石英光窗下方为水样池,聚焦透镜一设置在石英光窗的上方；二向色分光片采用45°方向安装在聚焦透镜一上方，光源和光电探测器二分别位于二向色分光片两侧，并且光源模块的LED灯和光电探测器二平行同心，保证LED光源发出的光经二向色分光片后分成探测光和参考光这两束光，光电探测器一固定在聚焦透镜二上方，聚焦透镜二固定在二向色分光片的上方；信号处理模块分别与光电探测器一、光源模块和光电探测器二相连接；参考光被光电探测器二检测到，探测光经聚焦透镜一聚集到水样池，水样池内激发的荧光经聚焦透镜一和聚焦透镜二由光电探测器一接收；信号处理模块设置RS232数据模拟输出端口，与温度仪、深度仪、数据采集器或其他参数传感器一起接入系统使用，在控制器中设定和改变增益系数、数据平均次数和校准系数。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：二向色分光片厚度为1.2mm。