CN214122000U - 一种浮游藻类检测设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种浮游藻类检测设备及检测方法，包括系统控制件，具有复色光源、采样组件和荧光探测器；检测组件，具有激发光纤辐射件和发射光纤探测件，所述激发光纤辐射件包括与复色光源耦合的光纤跳线一和多模光纤束一，所述发射光纤探测件包括与荧光探测器耦合的光纤跳线二和多模光纤束二；其中，所述激发光纤辐射件藉由复色光源的宽波段光信号汇集至采样组件的待测样品上，并通过发射光纤探测件将待测样品的宽波段荧光信号汇集至荧光探测器。本实用新型通过采用激发光纤辐射件和发射光纤探测件实现对区域范围内的浮游藻类检测，从根本上消除了外界环境干扰，提高了系统信噪比。

Description

一种浮游藻类检测设备

技术领域

本实用新型涉及浮游藻类检测技术领域，具体为一种浮游藻类检测设备。

背景技术

浮游植物作为水体中最主要的初级生产者、食物链源头，是水体健康状况综合指示剂，从根本上影响着全球生物地球化学循环与气候变化。因此，水体中的浮游植物生产态势和分布是评价水体富营养化的一项重要指标。对于过渡泛滥的藻群落会使得水环境最终形成淡水系“水华"或海洋系“赤潮"，并且造成的危害主要有以下几个方面：

1：耗尽水中的溶解氧，使鱼类等水生生物大量死亡；

2：破坏环境景观；

3：过量的浮游植物残体降解，使水体发黑发臭，无法饮用；

4：部分浮游植物向水体释放藻毒素，严重威胁人类健康。

目前，基于荧光探测技术被广泛用于藻类叶绿素a含量的检测，通过特定的光波激发方式可以快速、无损地检测水体叶绿素a含量，在水环境监测领域、水生态环境预警系统以及湖泊河流富营养化检测和水体综合毒性识别领域等应用中都具有非常重要的意义。由于常规藻类监测设备只能满足浮游植物总体含量的测量或者单一藻门类的识别和单一藻门类浓度测量，并且测量的结果很不稳定，受外界的影响很大，无法满足浮游植物群落生长状态的实时在线监测功能。

随着社会的发展，水生态环境的健康发展越来越引起大众的注意。例如太湖、巢湖等由于富营养化，每年都会爆发大规模“蓝藻”，给周边的工农业生产造成极大损失，给人民的生命健康造成严重的危害。对于浮游植物的测量和预警，常规的水质监测设备在测量的范围和精度上都不能满足人类生产生活需要，市场急需要一款不仅可以满足水体浮游植物的含量，还要可以实现藻群落的识别和根类测量的设备。因为，控制浮游植物危害的主要途径是“控制生长"+“早期预警"。预警分为短期预警和中长期预警，短期预警就是实时采集监测点的浮游植物浓度信息，当浮游植物浓度到达一定的警戒线时发出藻类爆发的预警信息。此种短期预警通常发生在藻类大爆发的前夕，相应地留给相关部门采取应对措施的时间也很短。中长期预警则是根据实时测量得到的浮游植物种群浓度结合水文水质参数以及一定的气象参数(如温度、风向、风速等)形成”水华“或者“赤潮”预测数学模型，预报今后较长一段时期内浮游植物种群生长情况，从根本上解决藻类富营养化问题。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种浮游藻类检测设备，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：

一种浮游藻类检测设备，包括系统控制件，具有复色光源、采样组件和荧光探测器；检测组件，具有激发光纤辐射件和发射光纤探测件，所述激发光纤辐射件包括与复色光源耦合的光纤跳线一和多模光纤束一，所述发射光纤探测件包括与荧光探测器耦合的光纤跳线二和多模光纤束二；其中，所述激发光纤辐射件藉由复色光源的宽波段光信号汇集至采样组件的待测样品上，并通过发射光纤探测件将待测样品的宽波段荧光信号汇集至荧光探测器。

所述多模光纤束一和多模光纤束二的材质相同，且多模光纤束一数目和截面积均不大于多模光纤束二的数目和截面积。

所述发射光纤探测件的输出端与激发光纤辐射件的输出端呈垂直向放置。

所述发射光纤探测件与待测样品的距离为0-3cm。

所述激发光纤探测件与待测样品的距离为0-3cm。

由上述技术方案可知，本实用新型通过采用激发光纤辐射件和发射光纤探测件实现对区域范围内的浮游藻类检测，从根本上消除了外界环境干扰，提高了系统信噪比，具体有益效果如下：

1：利用光纤的独特性代替了传统自由空间复杂光学系统设计，消除了外界环境干扰提高了系统信噪比，由于结构简化，也进一步的提高了产品的经济效益。

2：实现对远距离藻群落网格化在线检测，不仅可以实现对浮游植物总量的测量，同时可以实现对藻群落浓度分类的检测，在水体富养化或水华预警监控方面具有很好的应用前景。

3：通过特征荧光光强的叠加效应实现对藻群类荧光光强分布数据的获取，相对于传统的全光谱分析方式，避免了计算数据冗量，缩短了大量无关数据的分析时间，简化了算法的同时提高了系统的准确度和测量效率；

4：采用的采样组件可具备自动进样、自动清洗、自动排废功能，可满足实时在线水环境检测的应用需求。

附图说明

图1为本实用新型结构示意框图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型做进一步说明：

请参见图1，本案提供了一种浮游藻类检测设备，包括有系统控制件和检测组件，具体的为，包括有：

系统控制件，具有复色光源15、采样组件和荧光探测器16。这里所述的系统控制件还包括有驱动电路13、信号处理器14、控制器12和上位机软件系统11。具体的为，所述上位机软件系统11连接控制器12，所述控制器12分别连接有驱动电路13、采样组件和信号处理器14，所述驱动电路13连接复色光源15，所述信号处理器14连接荧光探测器16；这里，所述的采样组件包括由泵组件17、清洗组件18和阀组件19，所述的控制器12分别连接泵组件17、清洗组件18和阀组件19，在实施采集待测样品时，通过控制器12控制泵组件17，将待测样品提供到预设位置，测试完成后由阀组件19启动排废夹管阀，依靠重力排出废水，在排空后，再通过控制器12控制泵组件17和阀组件19切换系统流路，将清洗液注入预设位置，最后以同样的方式排空。

检测组件，具有激发光纤辐射件21和发射光纤探测件22，所述所述激发光纤辐射件21包括与复色光源15耦合的光纤跳线一212和多模光纤束一211，所述发射光纤探测件22包括与荧光探测器16耦合的光纤跳线二222和多模光纤束二221。具体的为，激发光纤辐射件21具备准直汇聚效果，通过传导复色光源15的宽波段光信号汇集到待测样品23上，所述的发射光纤探测件22具备准直汇聚效果，通过传导于激发光纤辐射件21辐射光路垂直角度的宽波段荧光信号汇集到系统控制件1中，实现全光纤光路系统的检测，即实现浮游藻类检测。这里，所述的发射光纤探测件22的输入端与激发光纤辐射件21的输出端呈垂直向放置，该种放置效果在于可防止系统主光路对微弱荧光探测造成背景干扰。

进一步的，所述多模光纤束一211和多模光纤束二221的材质相同，且多模光纤束一211数目和截面积均不大于多模光纤束二221的数目和截面积。该种设置可进一步提高系统微弱荧光信号的探测，通过降低激发光纤辐射件21的发射广角，以提高发射光纤探测件22的探测广角。

进一步的，所述发射光纤探测件22与待测样品的距离为0-3cm。该种设置可以进一步保证微弱光信号的探测效率和传输损耗，以及防止自由空间光纤的干扰。

进一步的，所述激发光纤探测件21与待测样品的距离为0-3cm。该种设置可以进一步保证微弱光信号的探测效率和传输损耗，以及防止自由空间光纤的干扰。

于本实施例中，该种浮游藻类检测设备还具有一种浮游藻类检测方法，其检测步骤包括如下：

步骤1：获取标准藻群类特征荧光分布数据，该所述标准藻群类特征荧光分布数据包含各个藻类的特征荧光光谱分析数据。具体的为，获取标准藻群类特征荧光分布数据的方法为：

S11：培养各种藻门类的标准溶液，该标准溶液为预设浓度的单一藻纯溶液；

S12：藉由国际标准分光光度法获取各个藻门类的叶绿素a浓度；

S13：藉由浮游藻类检测设备对各个藻门类测量，获取每种藻类单位浓度的荧光光谱分布数据，并对该数据归一化处理。在实施检测过程中，通过采样组件分别获取各种藻类，基于激发光纤辐射件21具备准直汇聚效果，通过传导复色光源15的宽波段光信号汇集到各个藻类上，发射光纤探测件22具备准直汇聚效果，通过传导于激发光纤辐射件21辐射光路垂直角度的宽波段荧光信号汇集到荧光探测器16，而后依次通过信号处理器14和控制器12并传输至上位机软件系统11，从而获取每种藻类单位浓度的荧光光谱分布数据。这里采用的数据归一化处理，本领域技术人员即可以理解为，采用的数据归一化处理包含有两种形式，一种是把数变为(0，1)之间的小数，一种是把有量纲表达式变为无量纲表达式。主要为了数据处理方便，把数据映射到0-1范围之内处理，更加便捷快速。

S14：基于三维数据处理算法(UVE无信息变量消除法或者PARAFAC法)对每种藻门类进行荧光光谱数据分析，并确定每种藻类的特征荧光光谱分布数据。

S15：通过每种藻类的特征荧光光谱分布数据确定标准藻群类特征荧光分布数据。

步骤2：将采样组件放置于待检测区域范围内的预设位置处，并分别采样。这里，基于对待检测区域范围内实施采样处理，需要结合使用到本案中采用的浮游藻类检测设备，具体如下：

首先，将该浮游藻类检测设备的各个模块安装在预设位置，包含采样组件和控制采样组件的系统控制件1，其中，将采样组件放置于待检测区域范围内的预设位置处，这里，通过控制器12控制泵组件17，并将待测样品23提供到预设位置处；然后，通过控制器12触发驱动电路13同时点亮复色光源15，并使复色光源15的光强度处于稳定状态。

步骤3：藉由激发光纤辐射件21辐射待检测区域，并通过待检测区域的发射光纤探测件22将荧光信号传输至荧光探测器16，获取不同光波段的光强大小信号。这里，所述的荧光信号是由荧光探测器16进行了光电转化和光谱分析，并将光谱数据输入到信号处理器14中进一步处理，根据不同的光波段信号脉冲数来衡量不同光波段的光强大小。

步骤4：所述不同光波段的光强大小信号藉由特征光强叠加定理结合标准藻群类特征荧光分布数据确定所述待检测区域范围内的藻群类荧光光强分布数据，该藻群类荧光光强分布数据包含有总荧光强度和特征荧光强度；这里，于实作中是通过上位机软件系统11获取下位机的控制器12的探测数据，从而获取藻群类特征荧光分布数据。

步骤5：根据总荧光强度确定所述待检测区域范围内的藻类总含量数据，根据特征荧光强度确定所述待检测区域范围内所含有的不同藻门类数据和不同藻门类的含量数据。这里，本领域技术人员即可理解为，在藻群类荧光光强的分布与藻群落浓度和藻门类均存在着良好的对应关系，即总荧光强度可以反演出藻类总含量，而特征荧光强度可以反演出不同藻门类数据和不同藻门类的含量数据，最终实现藻群类浓度的分类测量；

步骤5：将最终的测算结果显示在上位界面。

上述需要指出的在于，藻群类荧光光强的分布与藻群落浓度和藻门类均存在着良好的对应关系，可通过以下步骤获得：

S51：基于标准藻群类特征荧光分布数据，利用本案的浮游藻类检测设备获取待测样品的特征荧光分布模型；

S52：基于特征光强叠加定理，待测样品的特征荧光分布模型是由多种标准藻群落的特征光光谱分布叠加而成；

S53：利用多元线性拟合活着矩阵算法模型进行各特征点的荧光强求和；

S54：假设其中标砖藻群落的系数值小于0，则将该项藻门类的值置为0，即定该项藻门类浮游植物的叶绿素a等于0，即待测液中不包含该种藻；

S55：将接下来的算法中去除该种藻标准藻光谱特征，重复S53步骤求得剩余各藻类的叶绿素a的浓度；

S56：假设其中标准藻群落的系数值都大于0，即待测液包含该种藻门类，并分别求出各种藻类的叶绿素a浓度；

S57：根据S54、S55或S56求得的标准藻群落及藻门的系数值，即待测液包含该种藻门类，并分别求出各种藻类的叶绿素a的浓度；

S58：基于S57的计算结果，最终实现藻类群浓度的分类测量，将运算结果显示在上位界面。

以上所述的实施例仅仅是对本实用新型的优选实施方式进行描述，并非对本实用新型的范围进行限定，在不脱离本实用新型设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本实用新型的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本实用新型权利要求书确定的保护范围内。

Claims (5)

1.一种浮游藻类检测设备，其特征在于，包括：

系统控制件，具有复色光源、采样组件和荧光探测器；

检测组件，具有激发光纤辐射件和发射光纤探测件，所述激发光纤辐射件包括与复色光源耦合的光纤跳线一和多模光纤束一，所述发射光纤探测件包括与荧光探测器耦合的光纤跳线二和多模光纤束二；

其中，所述激发光纤辐射件藉由复色光源的宽波段光信号汇集至采样组件的待测样品上，并通过发射光纤探测件将待测样品的宽波段荧光信号汇集至荧光探测器。

2.根据权利要求1所述的一种浮游藻类检测设备，其特征在于：所述多模光纤束一和多模光纤束二的材质相同，且多模光纤束一数目和截面积均不大于多模光纤束二的数目和截面积。

3.根据权利要求1所述的一种浮游藻类检测设备，其特征在于：所述发射光纤探测件的输出端与激发光纤辐射件的输出端呈垂直向放置。

4.根据权利要求1所述的一种浮游藻类检测设备，其特征在于：所述发射光纤探测件与待测样品的距离为0-3cm。

5.根据权利要求1所述的一种浮游藻类检测设备，其特征在于：所述激发光纤探测件与待测样品的距离为0-3cm。

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