一種快速在線水體熒光儀的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明是一種快速在線水體熒光儀，涉及在線水質(zhì)分析儀器領(lǐng)域，主要用于水體中葉綠素a或其它熒光物質(zhì)如水中礦物油等物質(zhì)的現(xiàn)場快速測定，本發(fā)明采用的技術(shù)方案包含，采用高強(qiáng)度LED激發(fā)光聚焦照射在水體產(chǎn)生激發(fā)熒光、熒光聚焦裝置將熒光收集并匯聚在熒光分光部件上，由熒光分光部件得到熒光光譜，對采集到的熒光光譜進(jìn)行二階導(dǎo)數(shù)變換得到二階導(dǎo)數(shù)熒光光譜，二階導(dǎo)數(shù)的極小值點(diǎn)處的強(qiáng)度與水體中葉綠素a的濃度成正比。
【專利說明】一種快速在線水體熒光儀
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于在線水質(zhì)儀表監(jiān)測領(lǐng)域，具體涉及水體中葉綠素a或其它熒光物質(zhì)的濃度測量。
【背景技術(shù)】
[0002]目前太湖、巢湖等內(nèi)陸湖體藍(lán)藻水華事件頻發(fā)、在合適的溫度下、藍(lán)綠藻在在富營養(yǎng)化水體中瘋長引起水體中氧份耗盡、水體中水生生物死亡、水生生物死亡后產(chǎn)生營養(yǎng)釋放的循環(huán)又近一步加劇了湖體的富營養(yǎng)化，藍(lán)藻群體上浮、聚集在水表面形成水華，而生在水面以下的藻類群體卻明顯減少，而在水華形成前后，同一水柱中的葉綠素總量可能并沒有很大變化，在大多數(shù)情況下，這種突然出現(xiàn)的“水華”只不過是已存在、分散在水體中的藻類群體在適宜條件下的上浮、聚集、遷移至水面并為人們?nèi)庋鬯姷倪^程，因此，實(shí)時監(jiān)測水體中的葉綠素a的含量是能反映水華發(fā)生發(fā)展的程度。
[0003]目前國內(nèi)各湖區(qū)采用葉綠素a、水中溶解氧、濁度、總磷、總氮、pH值等一系列水質(zhì)參數(shù)推斷水體的綜合營養(yǎng)指數(shù)，采用合適的模型推斷水體的營養(yǎng)狀況，但多個水質(zhì)參數(shù)一方面設(shè)備成本、維護(hù)成本投入高，在區(qū)、縣地方很難普及；另一方面，水文、水質(zhì)的監(jiān)測參數(shù)反映水體的各層面特定情況，水質(zhì)的各參數(shù)如葉綠素、溶解氧、濁度、透明度、PH值相互關(guān)聯(lián)，重復(fù)監(jiān)測造成建設(shè)成本的浪費(fèi)和分析數(shù)據(jù)的冗余，因此，在基層藍(lán)藻監(jiān)測中通常只需監(jiān)測葉綠素a的含量來表征水體的富營養(yǎng)化程度。
[0004]目前在線葉綠素a的監(jiān)測儀器主要是特征熒光光譜法，如專利CN101403695A采用350nm的LED激發(fā)水體葉綠素，通過光學(xué)濾光片收集620nm_715nm波段范圍內(nèi)的熒光強(qiáng)度，根據(jù)收集的熒光量探測水體葉綠素a的濃度；在CN102253018A中采用470nm的LED光源激發(fā)水體葉綠素a，通過光學(xué)濾光片采集610nm-715nm波段的熒光，根據(jù)激發(fā)熒光量來探測水體葉綠素a的濃度，在CN102539394A中采用激發(fā)光陣列照射水體中的葉綠素，收集不同種激發(fā)光在685nm處的熒光光強(qiáng)，根據(jù)不同種激發(fā)光對熒光的貢獻(xiàn)量來探測水體中葉綠素a的濃度，在專利CN101403695A和專利CN102253018A中未考慮激發(fā)光對其它熒光物質(zhì)(如葉綠素b、葉綠素C、核黃素等)的激發(fā)而引起的熒光，熒光光譜帶寬較大，專利CN102539394A從不同種波長激發(fā)光對熒光物質(zhì)的激發(fā)效率不同而將熒光細(xì)化以提高葉綠素a的探測精度；本專利對熒光光譜進(jìn)行分析，采用光譜范圍內(nèi)變化最快區(qū)域內(nèi)熒光代表葉綠素a產(chǎn)生的熒光，減小的熒光光譜的帶寬，提高了探測的精度和增強(qiáng)了儀器的檢出限。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對現(xiàn)有技術(shù)中的不足，本發(fā)明的目的在于提供新的方法設(shè)計一種快速在線水體熒光儀，采用熒光分光部件檢測水體葉綠素a或其它熒光物質(zhì)在各個波長處的熒光強(qiáng)度，對各個波長處熒光強(qiáng)度進(jìn)行變換得二階導(dǎo)數(shù)熒光光譜，二階導(dǎo)數(shù)熒光光譜的極值點(diǎn)反映了原始光譜的極大值點(diǎn)，二階導(dǎo)數(shù)光譜的正或負(fù)過零點(diǎn)反映了原始光譜強(qiáng)度增加或減小最快的點(diǎn)，其正和負(fù)過零點(diǎn)區(qū)域內(nèi)所包含的熒光強(qiáng)度面積代表了激發(fā)的葉綠素a的濃度，通過過零點(diǎn)熒光強(qiáng)度面積表征葉綠素a濃度的方式減少了其它熒光物質(zhì)所發(fā)熒光對葉綠素a的干擾，壓縮原始熒光光譜的帶寬并將不同種物質(zhì)熒光區(qū)分開來。
[0006]一種快速在線水體熒光儀的技術(shù)方案包含以下步驟:
[0007]步驟SlOl:激發(fā)光部件發(fā)射激發(fā)光束照射在水體，水體中的葉綠素a或其它熒光物質(zhì)由于受到激發(fā)產(chǎn)生熒光。
[0008]步驟S102:熒光聚集裝置采集激發(fā)的熒光，并將熒光照射到熒光分光部件上，由熒光分光部件記錄下熒光光譜。
[0009]步驟S103:根據(jù)采集到的熒光計算水體中的葉綠素a或其它熒光物質(zhì)的含量。
[0010]如上所述的一種快速在線水體熒光儀，其特征在于:在SlOl步驟中，采用365nm的高強(qiáng)度紫外發(fā)光二極管照射水體產(chǎn)生葉綠素a的熒光或其它波段二極管照射產(chǎn)生其它熒光物質(zhì)，高強(qiáng)度紫外二極管經(jīng)過聚焦透鏡匯聚在水體探測點(diǎn)。
[0011]如上所述的一種快速在線水體熒光儀，其特征在于:在S102步驟中，熒光儀的熒光分光部件，采用衍射光柵的方式實(shí)現(xiàn)熒光色散，分光部件將熒光按照波長大小照射在探測器單元上，探測器單元采用線陣CCD陣列。
[0012]如上所述的一種快速在線水體熒光儀，其特征在于:在S103步驟中，對步驟2中的熒光光譜做二階導(dǎo)數(shù)變換得到二階導(dǎo)數(shù)熒光光譜，將二階導(dǎo)數(shù)光譜極值點(diǎn)附近的正、負(fù)過零點(diǎn)所包含的導(dǎo)數(shù)光譜的面積和上傳至微控制器，由微控制器采集二階導(dǎo)數(shù)熒光光譜來計算葉綠素a的濃度。
[0013]如上所述的一種快速在線水體熒光儀，由微控制器控制激發(fā)光激發(fā)水體中葉綠素產(chǎn)生熒光，微控制器采集經(jīng)過熒光分光部件分光后所得到的二階導(dǎo)數(shù)熒光光譜極值點(diǎn)附近的正、負(fù)過零點(diǎn)的二階導(dǎo)數(shù)光譜面積并據(jù)此計算水體中葉綠素a的濃度，將葉綠素a的濃度通過modbus協(xié)議傳輸至上位機(jī)，并可在上位機(jī)上設(shè)定水體葉綠素濃度熒光儀的底層參數(shù)和查詢熒光儀的工作狀態(tài)。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]圖1為本發(fā)明一種快速在線水體熒光儀的流程圖；
[0015]圖2為本發(fā)明一種快速在線水體熒光儀框架圖；
[0016]圖3為本發(fā)明實(shí)施例中水體中葉綠素濃度熒光儀的一種脈沖恒亮度激發(fā)光的控制電路圖。
[0017]圖4為本發(fā)明實(shí)施例中水體中葉綠素濃度熒光儀的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0018]圖5為一種快速在線水體熒光儀的熒光光譜采集系統(tǒng)。
[0019]圖6為本發(fā)明實(shí)施例中激發(fā)突光光譜；
[0020]圖7為本發(fā)明實(shí)施例中二階導(dǎo)數(shù)熒光光譜；
[0021]圖8為本發(fā)明實(shí)施例中二階導(dǎo)數(shù)熒光光譜和原始熒光光譜的性能對比；
【具體實(shí)施方式】
[0022]下面結(jié)合說明書附圖與【具體實(shí)施方式】對本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
[0023]圖1為本發(fā)明一種快速在線水體葉綠素?zé)晒鈨x的流程圖，具體包括以下步驟:
[0024]步驟SlOl:激發(fā)光部件發(fā)射激發(fā)光束照射在水體，水體中的葉綠素a或其它熒光物質(zhì)由于受到激發(fā)產(chǎn)生熒光。
[0025]其中，激發(fā)光源I的波長為365nm、高亮度、穩(wěn)定的發(fā)光二極管，發(fā)光二極管經(jīng)過透鏡101的聚焦后照射到水體，在透鏡前由光窗102密封。
[0026]步驟S102:熒光聚集裝置采集激發(fā)的熒光，并將熒光照射到熒光分光部件上，由熒光分光部件記錄下熒光光譜。
[0027]其中，穿過光窗105的熒光經(jīng)過聚焦透鏡103聚焦到一點(diǎn)，經(jīng)過傳導(dǎo)光纖106將熒光傳輸?shù)酵还夥止獠考?07。
[0028]步驟S103:根據(jù)采集到的熒光計算水體中的葉綠素a或其它熒光物質(zhì)的含量。
[0029]將采集到的熒光光譜傳輸?shù)轿⒖刂破髦?，?jīng)過微控制器的變換得到二階導(dǎo)數(shù)熒光光譜，用二階導(dǎo)數(shù)光譜中正、負(fù)過零點(diǎn)所包含的面積表征計算葉綠素a的濃度，壓縮熒光光譜帶寬、排除了其它熒光物質(zhì)對葉綠素a的干擾。
[0030]圖2是一種快速在線水體葉綠素?zé)晒鈨x框架圖，包含微控制器發(fā)出指令控制恒亮度電路，由電路控制發(fā)光二極管從而得到恒定亮度的激發(fā)光源；激發(fā)光激發(fā)水體產(chǎn)生的熒光經(jīng)過熒光聚焦模塊后照射到分光模塊，得到激發(fā)熒光光譜，熒光光譜傳輸?shù)轿⒖刂破?，?jīng)過微控制計算出葉綠素a的濃度并顯示，同時微控制器和上位機(jī)通信，在檢測到不同濃度的葉綠素a時發(fā)出報警信號。
[0031]圖3是一種快速在線水體葉綠素?zé)晒鈨x的一種恒功率、恒亮度電路，由于發(fā)光二極管的光強(qiáng)由輸入到二極管的電流決定，本熒光儀的光源電路采用恒流源電路的方式驅(qū)動發(fā)光二極管，通過在R2上的電壓來穩(wěn)定流經(jīng)發(fā)光二極管的電流，當(dāng)改變比較器的同向輸入端的電壓來實(shí)現(xiàn)發(fā)光二極管的脈沖橫流輸出。
[0032]圖4是一種快速在線水體葉綠素?zé)晒鈨x的結(jié)構(gòu)示意圖，熒光儀由圓柱型鋼管120構(gòu)成，尾端通過防水航空插頭121將線纜引出，實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的通信與供電。
[0033]光源發(fā)出模塊經(jīng)過透鏡101和光窗102聚焦在水體，熒光接收模塊通過光窗105和聚焦透鏡103聚焦在傳導(dǎo)光纖106的一端，通過傳導(dǎo)光纖106將突光傳輸至分光部件107,分光部件和微控制器6相互通信計算出葉綠素a的濃度并通過modbu s協(xié)議傳輸至上位機(jī)。
[0034]本熒光儀采用刮塊108清除密封光窗102和105上的淤泥或水藻滋生物。
[0035]圖5是一種快速在線水體熒光儀的熒光光譜采集系統(tǒng)，在樣品池中放置不同濃度的葉綠素溶液，得到不同濃度的葉綠素的激發(fā)熒光光譜圖，在365nm紫外LEDl經(jīng)過透鏡101聚焦照射在樣品池3上，樣品池中的葉綠素受到激發(fā)后產(chǎn)生熒光，在光線束垂直方向上收集熒光，熒光通過聚光透鏡103照射到光纖106上，通過光纖傳輸?shù)焦庾V儀8上，通過USB線7傳輸?shù)轿⒖刂破?上得到熒光光譜圖。
[0036]光纖導(dǎo)入的熒光通過接口 111進(jìn)入狹縫110以控制入光通量，再經(jīng)過濾光片11以濾除不在該光譜儀波長范圍內(nèi)的光，準(zhǔn)直反光鏡114將入射光準(zhǔn)直并反射到光柵衍射元件115上，不同波長的光在光柵115上發(fā)射衍射并照射到聚光鏡116上，116將光反射到線陣(XD118上，118前由聚光透鏡聚光以提高分辨率。
[0037]圖6是微控制器所得到的分光部件107的熒光光譜，測量了在0μ g/L、10y g/L、50μ g/L、80y g/L、100y g/L、150y g/L、200y g/L、240y g/L、6600y g/L 下的熒光光譜，熒光光譜在365nm光譜附近是激發(fā)光源的散射光，在680nm光譜附近的是葉綠素a的激發(fā)熒光光譜，葉綠素濃度越大，熒光光譜強(qiáng)度越大，在730nm附近有一熒光肩峰，熒光肩峰的強(qiáng)度大小與葉綠素a濃度成正比，730nm光譜處的熒光是680nm處熒光經(jīng)過PSII后所嚴(yán)生的延遲突光。
[0038]圖7是微控制器將熒光光譜變換后的二階導(dǎo)數(shù)熒光光譜，根據(jù)二階導(dǎo)數(shù)的理論，二階導(dǎo)數(shù)的極小值點(diǎn)對應(yīng)原函數(shù)的極大值點(diǎn)，過零點(diǎn)對應(yīng)原函數(shù)變化最快的點(diǎn)，二階導(dǎo)數(shù)熒光光譜在673nm附近極大點(diǎn)，在665nm和690nm附近正、負(fù)方向過零，其中730nm附近的熒光是延遲熒光的二階導(dǎo)數(shù)光譜，370nm光譜處是由于激發(fā)光的散射影響。
[0039]圖8是對應(yīng)的原始光譜、673nm光譜附近的二階導(dǎo)數(shù)熒光光譜、730nm光譜附近的二階導(dǎo)數(shù)延遲熒光光譜的線性、檢出限的比較，由圖可見，673nm光譜處的二階導(dǎo)數(shù)熒光光譜較原始熒光、延遲熒光的線性、檢出限為好。
[0040]本發(fā)明采用了 673nm處的二階導(dǎo)數(shù)熒光光譜計算葉綠素a的濃度，采用二階導(dǎo)數(shù)熒光光譜的形式應(yīng)用于在線熒光物質(zhì)檢測，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對本發(fā)明進(jìn)行各種改動和變型而不脫離本發(fā)明的精神和范圍。這樣，倘若本發(fā)明的這些修改和變型屬于本發(fā)明權(quán)利要求及其同等技術(shù)的范圍之內(nèi)，則本發(fā)明也意圖包含這些改動和變型在內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種快速在線水體熒光儀，其工作過程包含以下步驟: 步驟SlOl:激發(fā)光部件發(fā)射激發(fā)光束照射在水體，水體中的葉綠素a或其它熒光物質(zhì)由于受到激發(fā)產(chǎn)生熒光。 步驟S102:熒光聚集裝置采集激發(fā)的熒光，并將熒光照射到熒光分光部件上，由熒光分光部件記錄下熒光光譜。 步驟S103:根據(jù)采集到的熒光計算水體中的葉綠素a或其它熒光物質(zhì)的含量。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種快速在線水體熒光儀，其特征在于:在SlOl步驟中，采用365nm的高強(qiáng)度紫外發(fā)光二極管照射水體產(chǎn)生葉綠素的熒光或其它波段激發(fā)光源照射其它熒光物質(zhì)，高強(qiáng)度紫外二極管經(jīng)過聚焦透鏡匯聚在水體探測點(diǎn)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種快速在線水體熒光儀，其特征在于:在S102步驟中，熒光儀的分光部件，采用衍射光柵的方式實(shí)現(xiàn)熒光色散，分光部件將熒光按照波長大小照射在探測器單元上，探測器單元采用線陣CCD陣列。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種快速在線水體熒光儀，其特征在于:在S103步驟中，對步驟2中的熒光光譜做二階導(dǎo)數(shù)變換得到二階導(dǎo)數(shù)光譜，提取極小值點(diǎn)處的二階導(dǎo)數(shù)光譜光強(qiáng)，其光強(qiáng)與所處水體中葉綠素的濃度成正比。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種快速在線水體熒光儀的二階導(dǎo)數(shù)熒光光譜，其特征波長是熒光光譜的二階導(dǎo)數(shù)的極小值點(diǎn)，其極小值點(diǎn)在波長583nm附近。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種快速在線水體突光儀，其特征在于激發(fā)光部件和突光分光部件成一定角度放置并高度集成，為提高精度，控制電路對光源脈沖調(diào)制，在一定程度上降低了 LED光源老化、電源波動、探測器漂移的影響。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種快速在線水體熒光儀，采用刮片的方式清除光學(xué)鏡片上的淤泥和水藻滋生物，定時清潔鏡片，保證熒光儀工作在適當(dāng)?shù)沫h(huán)境。
【文檔編號】G01N21/64GK103472045SQ201310430781
【公開日】2013年12月25日 申請日期:2013年9月22日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月22日
【發(fā)明者】王雅娜, 晏光輝 申請人:王雅娜