JP4904505B2 - 植物プランクトンの分布計測方法及びその装置 - Google Patents

Description

本発明は、水中に測定装置を自由落下させて植物プランクトンの分布を測定する植物プランクトンの分布計測方法及びその装置に関する。

海水の温暖化に伴い、鞭藻類、鞭毛類、繊毛類、珪藻類等の植物プランクトンが大量に増殖して、魚介類や海草に多大な被害を与える赤潮の発生が頻発している。近年では魚介類の養殖が盛んになっているため、赤潮の発生を早期に知って、魚介類を移動させることが必要となっている。

このため、水中に投げ込んで自由落下させ、水中における実際の植物プランクトンの分布状況を測定する水中投入式プランクトン検出器が種々提案されている。

従来、計測器の側面に発光ダイオードと受光部とを設け、発光ダイオードから水中プランクトンの色素を励起する波長の光を照射し、この光を受けて水中プランクトンが発する蛍光を受光部で受光し、受光量によって水中プランクトンの量を定量する水中のプランクトンセンサが知られている（特開平８−１５１５７号公報参照）。

しかし、上記従来のプランクトンセンサは、先端面が陥没した筒状に形成されているので、水中を落下する際に周辺に乱流が発生し、このため、植物プランクトンが乱れて正確な分布状況を計測できない。

また、センサ部には、拡散光を照射する発光ダイオードと受光領域が遠ざかるほど広がる受光部とを互いに近づけて配置してあるので、計測領域を正確に限定しにくく、そのため、センサ部の近くに分布した植物プランクトンが発した蛍光も、センサ部から遠くに分布した植物プランクトンが発した蛍光も検出してしまい、計測結果が不正確になりやすい。

そこで、計測領域を限定するために、検出器本体の側面に受光窓を設けると共に、その受光窓を囲んで複数の送光窓を環状に設け、送光窓の奥に発光ダイオードを、その光照射方向が受光孔の中心線と交差するよう配置した蛍光検出器が提案されている（特開平８−２６１９３４号公報参照）。

しかし、この蛍光検出器も、発光部として通常の発光ダイオードを用いているので、照射した光が拡散し、受光部の受光領域と重なる領域（すなわち計測領域）が広くなるため、限定された領域における植物プランクトンの分布密度を正確に計測することができず、どうしても測定精度が粗くなっている。

また、この蛍光検出器は円筒形のプローブに搭載されているので、投入地点周辺の水流の乱れを防ぐことはできない。

本発明の目的は、装置投入個所の水流が乱れにくく、計測範囲を狭く規定することができるため、自然に近い状態できめ細かい計測が可能な、植物プランクトンの分布計測装置を提供することにある。

本発明の植物プランクトンの分布計測方法は、下端部が流線型で、レーザー発光部及び該レーザー発光部の下方に配置された受光部が内部に搭載されたプローブを、直立状態で水中を自由落下させ、落下中に、前記レーザー発光部によりクロロフィル色素を励起する波長のパルスレーザー光を、前記プローブの側面から水中へ、前記受光部の受光領域と交差する角度で斜め下方に照射し、前記パルスレーザー光を受けて、前記受光部の受光領域とレーザー発光部の照射領域とが交差する交差領域の植物プランクトンが発する蛍光を前記受光部で検出し、前記受光部で検出した受光量によって植物プランクトンの量を水深方向に測定し、前記レーザー発光部のプローブに対する傾斜角度を調整することにより、前記交差領域の前記プローブからの距離を調整する。

本発明の植物プランクトンの分布計測装置は、水中に直立した状態で落下する、下端部が流線型のプローブと、前記プローブ内に配置され、該プローブの側面から水中へ、クロロフィル色素を励起する波長のパルスレーザー光を斜め下方に所定周期で照射するレーザー発光部と、前記プローブ内において前記レーザー発光部の下方に配置され、前記プローブの側面から入光する蛍光を検出する受光部とを備え、前記受光部の受光領域に対して、前記レーザー発光部のレーザー光照射方向を交差させ、前記レーザー発光部から照射されるパルスレーザー光を受けて、前記受光部の受光領域とレーザー発光部の照射領域とが交差する交差領域の植物プランクトンが発する蛍光を前記受光部で受光し、その受光量によって植物プランクトンの量を水深方向に測定し、前記レーザー発光部のプローブに対する傾斜角度を調整可能として、前記交差領域の、前記プローブからの距離を調整可能としてある。

本発明によれば、プローブの下端部を流線型としたので、計測個所の水流が乱れにくく、このため、自然に近い状態で植物プランクトンの分布を計測することが可能となり、計測精度が増す。

また、発光部から集束性の高いパルスレーザー光を、受光部の受光領域と交差するよう照射するので、測定領域を非常に限定して狭くでき、この結果、各水深毎の植物プランクトンの分布状況をきめ細かく正確に測定できる。

本発明による植物プランクトンの分布計測装置の一実施例を組み込んだ水中測定装置の断面図である。 図１の水中測定装置の下端に取り付けられた植物プランクトンの分布計測装置の断面図である。 図２の植物プランクトンの分布計測装置の要部断面図である。 図２の植物プランクトンの分布計測装置を取り付けた実験用水中測定装置の断面図である。 図４の実験用水中測定装置の水温センサが検知した水温と水槽に満たした水の温度との偏差の経時変化を示す図である。 図４の実験用水中測定装置に取り付けた植物プランクトンの分布計測装置における受光部が検出した蛍光光度の経時変化を示す図である。 測定した温度（図５）及び蛍光光度（図６）のパワースペクトルを示す図である。

以下、本発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。

図１に示すように、本発明の植物プランクトンの分布計測装置１は、水中に投入されて自由落下する水中測定装置２の下端に、その軸方向に沿って設置される。水中測定装置２の上部には、水中を下降する際にバランスをとり、下降速度を調節するために浮体３が装着されている。

また、水中測定装置２の下端には、分布計測装置１のほかに、深度センサ、温度計等の他のセンサ４、及び、分布計測装置１や他のセンサ４より長い保護棒５が取り付けられる。保護棒５は、分布計測装置１や他のセンサ４が落下中に物体と衝突して破損するのを防ぐためのものである。なお、他のセンサ４及び保護棒５は、全て周辺の水流を乱さないように先端が流線型となっている。

植物プランクトンの分布計測装置１は、図２に示すように、水中測定装置２の下端に取り付けられたパイプ状の支持部６と、支持部６の下端に装着されたレーザー蛍光プローブ７とから構成され、レーザー蛍光プローブ７の内部には、レーザー発光部８、受光部９及び制御回路（図示せず）が収納されている。

レーザー蛍光プローブ７は、下端部が流線型の筒体より成り、その側面に発光窓１０と受光窓１１とが上下に並んで形成される。また、発光窓１０の内側にはレーザー発光部８が設置され、受光窓１１の内側には受光部９が設置される。

図３に示すように、レーザー発光部８は、放熱ハウジング１２，レーザー発光素子１３及び集光レンズ１４から成る。

レーザー蛍光プローブ７の発光窓１０に集光レンズ１４が設置され、その奥に放熱ハウジング１２が配設され、放熱ハウジング１２内にレーザー発光素子１３が照射部を集光レンズ１４に向けて収納されている。

レーザー発光素子１３で発振したレーザー光は集光レンズ１４により直径２ｍｍ程度に集束され、レーザー発光部８からは、植物プランクトンのクロロフィル色素を励起する波長４０７ｎｍにピークを持つパルスレーザー光を、パルス幅２．７７８×１０^-4 秒、パルス周期５．５５６×１０^-4 秒で照射するようになっている。

受光部９は、フィルタ１５と、受光素子１６とを備える。フィルタ１５は、波長６１０ｎｍ以上の光を選択的に透過し、受光窓１１にはめ込んだ透明耐圧プラスチック板１８の内面に重ねて設置され、その背後に受光素子１６が受光面を受光窓１１に向けて設置される。

また、受光部９の受光領域は、水中測定装置２の中心軸に直交する軸ａを中心として、受光窓１１から遠ざかるほど広がっており、受光領域の頂部の角度は２０度となっている。

そして、受光部９の受光領域に対して、レーザー発光部８から照射される所定幅のパルスレーザー光ｐが交差することで、その交差した領域（図３の斜線で示す）が測定領域ｂとなる。

レーザー発光部８はプローブ７に、プローブ７の中心軸（水中測定装置２の中心軸に平行）に対して傾斜角度調整可能に取り付けられている。そのため、受光部９の受光領域の中心軸ａとレーザー発光部８から照射されるパルスレーザー光ｐとの交差角度は変更可能である。図３に示すように、パルスレーザー光ｐの照射方向をプローブ７の中心軸に対してほぼ４５°下向きに調整すると、プローブ７に比較的接近した位置に測定領域ｂ（受光部９の受光領域とレーザー発光部８の照射領域とが交差する領域）が形成され、かつ分布計測装置１を水から引き上げた時にパルスレーザー光ｐが人の目を照射して障害を与える等の事故を防ぐことができる。この測定領域ｂの、プローブ７からの距離は、レーザー発光部８の取り付け角度を調整することによって変更することができる。

植物プランクトンの分布は次のように測定する。

浮体３の上端にケーブル１７を付けて水中測定装置２を水中に投入すると、水中測定装置２は、植物プランクトンの分布計測装置１及び他のセンサ４を下にして、直立状態で水中を自然落下する。

落下中にレーザー発光部８で発信されたパルスレーザー光ｐが、レーザー蛍光プローブ７の側面から水中へ斜め下方に向けて照射される。

植物プランクトンのクロロフィル色素は、波長４３０ｎｍ程度の励起光によって蛍光を発するので、レーザー発光部８の照射範囲にある植物プランクトンは、照射されたパルスレーザー光ｐを受けてパルスレーザー光ｐと同じ周期で蛍光を明滅させる。

測定領域ｂに分布する植物プランクトンがパルスレーザー光ｐを受けて発する蛍光は、レーザー蛍光プローブ７の側面に形成された受光窓１１に達する。受光窓１１を通過する蛍光の波長は６７７ｎｍなので、受光窓１１の内面に設置されたフィルタ１５を透過して入光し、受光素子１６により検出される。波長が６００ｎｍに達しない光はフィルタ１５で遮断され、受光素子１６で検出されない。

受光素子１６が検出した蛍光は、制御回路において検波され、レーザー発光部８から照射されるパルスレーザー光ｐと同じ周期で明滅する光のみが、測定対象の蛍光であると識別され、制御回路から信号として取り出され、信号処理コンピュータによって定量される。

レーザー発光部８から照射されるパルスレーザー光ｐの強さは一定なので、測定範囲ｂに分布する植物プランクトンの量と、この植物プランクトンが発する蛍光の量は比例する。従って、受光部９の受光量によって植物プランクトンの量を計測することができる。

植物プランクトンの分布計測装置１の解像度の検定を行うため、次のような実験を行った。

図４に示すように、植物プランクトンの分布計測装置１と隣接して高感度水温センサ１９を取り付け、実験用水中測定装置２０とした。

高感度水温センサ１９のセンサ部は、推定測定位置（レーザー発光部８のパルスレーザ照射方向と、受光部９の中心軸ａとの交点）と非常に接近して配置され、レーザー蛍光プローブ７の側面からの水平距離が１０ｍｍであって、受光素子１６の中心軸から５ｍｍ上方に位置している。

５２ミクロンフィルタで濾過した青汁（株式会社ダイショー製、大麦若菜入り）を、１０℃の水７リットル中に溶解し、１ｐｐｂの青汁溶液を調製した。

０．７ｍ（Ｗ）×０．７５ｍ（Ｈ）×１３ｍ（Ｌ）の水槽に水温１２．７℃の水を満たし、この水槽中に上記青汁溶液を投入した。

水槽の上面には、その長手方向に沿ってガイドレールを設置してあり、ガイドレールに実験用水中測定装置２０を滑動可能に、且つ、水中に浸漬するよう取り付けた。

そして、レーザー発光部８から波長４０７ｎｍのパルスレーザー光ｐを、パルス幅２．７７８×１０^-4 秒、パルス周期５．５５６×１０^-4 秒、光束２ｍｍで照射した。また、受光素子１６としては、波長６７７ｎｍの光を選択的に受光するものを設置した。

実験用水中測定装置２０を、その下端を前にして、１０ｃｍ／ｓｅｃの速度でガイドレールに沿って移動させながら、高感度水温センサ１９が検知した水温と水槽に満たした水の温度（１２．７℃）との偏差、及び、受光部９が検出した蛍光光度を測定した。その結果を図５及び図６にそれぞれ示すと共に、両者のパワースペクトルを図７に示す。

溶液の水温と青汁による蛍光物質の水槽内の分布は、溶液投入直後において、ほぼ同一である。

図５と図６から明らかなように、受光素子１６が受光した蛍光光度と、高感度水温センサ１９が測定した水温とは、高い相関関係がある。

従って、受光素子１６は、高感度水温センサ１９のセンサ部と非常に近い位置、即ち、植物プランクトンの分布計測装置１自身と非常に近い位置の、きわめて狭い範囲内の蛍光光度を測定していることがわかる。

図７に示すパワースペクトルにより、植物プランクトンの分布計測装置１の解像度は、高感度水温センサ１９よりも高いことがわかる。

Claims (2)

1. 下端部が流線型で、レーザー発光部及び該レーザー発光部の下方に配置された受光部が内部に搭載されたプローブを、直立状態で水中を自由落下させる工程、
   前記プローブの落下中に、前記レーザー発光部によりクロロフィル色素を励起する波長のパルスレーザー光を、前記プローブの側面から水中へ、前記受光部の受光領域と交差する角度で斜め下方に照射する工程、
   前記パルスレーザー光を受けて、前記受光部の受光領域とレーザー発光部の照射領域とが交差する交差領域の植物プランクトンが発する蛍光を前記受光部で検出する工程、
   前記受光部で検出した受光量によって植物プランクトンの量を水深方向に測定する工程、を含む、植物プランクトンの分布計測方法において、
   前記レーザー発光部のプローブに対する傾斜角度を調整することにより、前記交差領域の前記プローブからの距離を調整することを特徴とする植物プランクトンの分布計測方法。
2. 水中に直立した状態で落下する、下端部が流線型のプローブと、
   前記プローブ内に配置され、該プローブの側面から水中へ、クロロフィル色素を励起する波長のパルスレーザー光を斜め下方に照射するレーザー発光部と、
   前記プローブ内において前記レーザー発光部の下方に配置され、前記プローブの側面から入光する蛍光を検出する受光部とを備え、
   前記受光部の受光領域に対して、前記レーザー発光部のレーザー光照射方向を交差させ、前記レーザー発光部から照射されるパルスレーザー光を受けて、前記受光部の受光領域とレーザー発光部の照射領域とが交差する交差領域の植物プランクトンが発する蛍光を前記受光部で受光し、その受光量によって植物プランクトンの量を水深方向に測定し、前記レーザー発光部のプローブに対する傾斜角度を調整可能として、前記交差領域の、前記プローブからの距離を調整可能としてある、
   植物プランクトンの分布計測装置。

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