本發(fā)明屬于傳感器領(lǐng)域，具體涉及一種海水葉綠素傳感器測(cè)量的懸浮顆粒物影響校準(zhǔn)方法。

背景技術(shù)：

葉綠素是浮游植物細(xì)胞內(nèi)的主要色素，海水中葉綠素含量能直接揭示海域浮游植物數(shù)量和初級(jí)生產(chǎn)力水平，因此葉綠素在預(yù)測(cè)海洋赤潮暴發(fā)和估算海水富營(yíng)養(yǎng)化程度等海洋生態(tài)環(huán)境研究方面具有重要作用。當(dāng)前海水葉綠素已經(jīng)被列為我國(guó)海洋調(diào)查監(jiān)測(cè)的主要參數(shù)。

基于活體熒光測(cè)定原理的葉綠素傳感器能夠原位獲取水體中的葉綠素濃度，這些葉綠素傳感器搭載在多參數(shù)水質(zhì)儀、浮標(biāo)、潛標(biāo)等平臺(tái)上進(jìn)行長(zhǎng)期應(yīng)用，為海洋科學(xué)研究獲取了大量的原位數(shù)據(jù)。然而目前葉綠素傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度仍受到諸多環(huán)境影響因素的制約，水體中懸浮顆粒物就是其中之一。特別是在某些近岸高渾濁度水體中，懸浮顆粒物的影響甚至是葉綠素傳感器測(cè)量偏差的主要因素。

近年來已有一些研究者開展了懸浮顆粒物對(duì)葉綠素傳感器測(cè)量的影響研究，如呂鵬翼認(rèn)為當(dāng)水體濁度較大時(shí)，會(huì)使葉綠素測(cè)定結(jié)果偏高；劉建華則認(rèn)為濁度會(huì)使葉綠素的熒光強(qiáng)度下降。趙洋甬認(rèn)為濁度能引起水樣中葉綠素測(cè)值的增加，并提出使用線性公式進(jìn)行濁度影響修正。鄭旻輝根據(jù)福爾馬肼溶液試驗(yàn)提出了濁度的“熒光效應(yīng)”和“遮蔽效應(yīng)”兩種影響方式，并分別提出了兩者的校準(zhǔn)公式。

由上可見，目前對(duì)葉綠素傳感器測(cè)量的懸浮顆粒物影響規(guī)律探討大多停留在定性描述階段，因采用的實(shí)驗(yàn)條件不同得出的結(jié)論存在明顯差異，少數(shù)提出的校準(zhǔn)方法也由于缺乏對(duì)懸浮顆粒物影響的機(jī)理分析而顯得過于籠統(tǒng)，導(dǎo)致在區(qū)別于特定實(shí)驗(yàn)條件的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境下使用時(shí)校準(zhǔn)效果不理想。因此建立一種能夠適用于不同海洋環(huán)境下的統(tǒng)一校準(zhǔn)方法，對(duì)于海水葉綠素原位測(cè)定過程中準(zhǔn)確修正懸浮顆粒物的影響有著重要意義。

參考文獻(xiàn)

呂鵬翼.熒光法測(cè)定水體中葉綠素的影響因素研究[d].河北科技大學(xué),2014.

劉建華.熒光法測(cè)定水體中葉綠素含量影響因素的研究[d].河北科技大學(xué),2014.

趙洋甬,沈碧君,胡建林,等.濁度對(duì)熒光法測(cè)定葉綠素a的影響[c]//2013中國(guó)環(huán)境科學(xué)學(xué)會(huì)學(xué)術(shù)年會(huì)論文集(第四卷).2013.

鄭旻輝.硅藻生長(zhǎng)過程中活體熒光變化規(guī)律及其對(duì)葉綠素測(cè)量的影響[d].中國(guó)地質(zhì)大學(xué),2016.

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是，克服現(xiàn)有葉綠素傳感器測(cè)量中懸浮顆粒物影響校準(zhǔn)方法適用范圍窄的缺點(diǎn)，提供一種基于懸浮顆粒物對(duì)藻類活體熒光測(cè)量影響機(jī)理而構(gòu)建的懸浮顆粒物影響校準(zhǔn)方法，使得同一個(gè)方法可以適用于不同濃度范圍的懸浮顆粒物影響校準(zhǔn)。

本發(fā)明所采用的具體技術(shù)方案如下：

海水葉綠素傳感器測(cè)量的懸浮顆粒物影響校準(zhǔn)方法，包括以下步驟：

s1：將葉綠素傳感器和濁度傳感器置于裝有清水的容器中，記錄初始葉綠素傳感器熒光值flua0，逐步將經(jīng)預(yù)處理的泥質(zhì)海洋表層沉積物添加進(jìn)容器內(nèi)水體中，形成若干個(gè)懸浮顆粒物濃度梯度，在每個(gè)懸浮顆粒物濃度梯度下，記錄葉綠素傳感器熒光值fluai和濁度傳感器測(cè)定值tuai；將每個(gè)fluai值分別扣除flua0值后，得到δfluai；以δfluai作為因變量，tuai作為自變量進(jìn)行直線擬合，得到擬合公式的斜率a1和截距a0；

s2：將葉綠素傳感器和濁度傳感器置于裝有藻類溶液的容器中，記錄初始葉綠素傳感器熒光值flub0，逐步將經(jīng)預(yù)先處理的泥質(zhì)海洋表層沉積物添加進(jìn)容器內(nèi)水體中，形成若干個(gè)懸浮顆粒物濃度梯度，在每個(gè)懸浮顆粒物濃度梯度下，記錄葉綠素傳感器熒光值flubi和濁度傳感器測(cè)定值tubi；計(jì)算不同懸浮顆粒物濃度梯度下的葉綠素傳感器熒光差值變化率δflubi，其中δflubi＝[flubi-flub0-(a1×tubi+a0)]/flub0；以δflubi作為因變量，tubi作為自變量進(jìn)行直線擬合，得到擬合公式的斜率b1和截距b0；

s3：根據(jù)濁度傳感器測(cè)得的水體中濁度值tu，對(duì)葉綠素傳感器測(cè)量的熒光值flu測(cè)進(jìn)行懸浮顆粒物影響校準(zhǔn)，得到校準(zhǔn)后的的熒光值flu校，校準(zhǔn)公式為：

flu校＝(flu測(cè)–a1×tu–a0)/(1+b1×tu+b0)。

經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，懸浮顆粒物熒光效應(yīng)會(huì)使測(cè)量結(jié)果偏大，需要扣除該影響值；而懸浮顆粒物遮蔽效應(yīng)會(huì)使測(cè)量結(jié)果偏小，需要加上該影響值。上述校準(zhǔn)公式正是根據(jù)這一原理推導(dǎo)得到的，具體推導(dǎo)過程如下：

a)在實(shí)際測(cè)量時(shí)，無懸浮顆粒物影響時(shí)的葉綠素傳感器熒光值，即葉綠素傳感器熒光校準(zhǔn)值flu校，即為藻液懸浮物影響實(shí)驗(yàn)過程中的初始葉綠素傳感器熒光值flub0；

b)根據(jù)δflubi的定義：δflubi＝(flu測(cè)–flu校–δfluai)/flu校；

將其進(jìn)行變換可得：flu測(cè)–flu校–δfluai＝flu?！力膄lubi；

再次進(jìn)行變換可得：flu測(cè)–δfluai＝flu?！力膄lubi+flu校；

再次進(jìn)行變換可得：flu校＝(flu測(cè)–δfluai)/(1+δflubi)；

c)將擬合公式δflua＝a1×tu+a0和擬合公式δflub＝b1×tu+b0代入上述公式，即可得到：flu校＝(flu測(cè)–a1×tu–a0)/(1+b1×tu+b0)，即上述校準(zhǔn)公式。

作為優(yōu)選，s2中泥質(zhì)海洋表層沉積物的預(yù)處理方法如下：采集泥質(zhì)海洋表層沉積物后冷凍保存，使用前加入丙酮攪拌后靜置，離心后用純水洗滌沉淀若干次。進(jìn)一步的，丙酮靜置時(shí)間優(yōu)選為24小時(shí)，離心后純水洗滌沉淀次數(shù)優(yōu)選為3次。懸浮顆粒物濃度梯度優(yōu)選為10個(gè)。

本發(fā)明的海水葉綠素傳感器測(cè)量的懸浮顆粒物影響校準(zhǔn)方法，將懸浮物的熒光效應(yīng)和遮蔽效應(yīng)進(jìn)行區(qū)分，具有以下有益效果：

(1)本發(fā)明采用的是一種貼近于海洋實(shí)際環(huán)境的懸浮物模擬物質(zhì)，即經(jīng)預(yù)先處理的泥質(zhì)海洋表層沉積物。不同物質(zhì)如福爾馬肼、泥沙等在葉綠素測(cè)量中的熒光效應(yīng)影響差異顯著。海水中懸浮物主要成分是被能夠被攪動(dòng)到水體中的泥質(zhì)海洋表層沉積物，其成分與經(jīng)預(yù)先處理的泥質(zhì)海洋表層沉積物非常類似，因此將其用于懸浮物熒光效應(yīng)模擬實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蜃畲笙薅鹊伢w現(xiàn)海洋實(shí)際環(huán)境。經(jīng)過大量實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，經(jīng)過處理的不同海域泥質(zhì)海洋表層沉積物在葉綠素測(cè)量中的熒光效應(yīng)影響基本一致，因此可用于懸浮物熒光效應(yīng)影響修正。

(2)本發(fā)明提出了適用于不同藻類濃度下懸浮顆粒物遮蔽效應(yīng)影響的統(tǒng)一校準(zhǔn)公式。此前已有研究提出不同藻液濃度下懸浮物的遮蔽效應(yīng)不同，并提出了根據(jù)藻液濃度采用不同的校準(zhǔn)公式。本發(fā)明通過大量的藻液實(shí)驗(yàn)，總結(jié)出懸浮物的遮蔽效應(yīng)隨藻液濃度的變化規(guī)律，提出了葉綠素傳感器熒光差值變化率的概念，并據(jù)此將懸浮物的熒光效應(yīng)和遮蔽效應(yīng)融合到同一公式中，促使校準(zhǔn)方法達(dá)到從理論分析到實(shí)際應(yīng)用的轉(zhuǎn)變。本發(fā)明提出的方法能夠適用于不同熒光強(qiáng)度，既可適用于不同濃度的同一藻液，也可適用于不同藻種的溶液，不需要考慮藻種差異。

附圖說明

圖1為不同種類懸浮顆粒物的熒光性差異；

圖2為懸浮顆粒物熒光效應(yīng)影響擬合公式；

圖3為懸浮顆粒物遮蔽效應(yīng)影響擬合公式；

圖4為懸浮顆粒物對(duì)葉綠素?zé)晒鉁y(cè)量的影響校準(zhǔn)效果。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步闡述和說明。

實(shí)施例1

為了校準(zhǔn)懸浮顆粒物對(duì)葉綠素測(cè)量的影響，用于模擬濁度的物質(zhì)必須跟海洋實(shí)際環(huán)境中懸浮顆粒物接近，性狀穩(wěn)定，并且能夠大量獲取和保存的物質(zhì)。以福爾馬肼溶液、海水過濾懸浮顆粒物、泥質(zhì)表層沉積物等多種懸浮顆粒物質(zhì)進(jìn)行不同濁度下的熒光測(cè)定實(shí)驗(yàn)。本發(fā)明中所采用的泥質(zhì)海洋表層沉積物可使用抓斗等常規(guī)表層沉積物取樣設(shè)備獲取，一般可以采取距表層10cm以內(nèi)的泥質(zhì)沉積物層。實(shí)驗(yàn)中，分別采取了大量海域的樣本(本實(shí)施例中選取a、b、c海域?yàn)榇?，其余類?，每個(gè)樣本分為兩部分：一部分不進(jìn)行預(yù)處理，另一部分進(jìn)行下列預(yù)處理：采集后冷凍保存，使用前加入少量丙酮攪拌后靜置24小時(shí)，離心后用純水洗滌沉淀3次。不同懸浮顆粒物的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1所示，福爾馬肼溶液、海水過濾懸浮顆粒物、泥質(zhì)表層沉積物等不同物質(zhì)的熒光性存在較大差異，不同海域未經(jīng)處理的泥質(zhì)表層沉積物之間也存在熒光性差異，而經(jīng)預(yù)先處理的不同海域泥質(zhì)海洋表層沉積物則具有基本一致的熒光性，由此表明可以將其用于本發(fā)明的懸浮顆粒物影響校準(zhǔn)方法。

實(shí)施例2

本實(shí)施例中使用美國(guó)seapoint葉綠素傳感器為例(該葉綠素傳感器熒光值為電壓值，單位為mv)，對(duì)本發(fā)明中的海水葉綠素傳感器測(cè)量的懸浮顆粒物影響校準(zhǔn)方法作進(jìn)一步說明，具體包括以下步驟：

(1)將葉綠素傳感器和濁度傳感器置于裝有清水的容器中，記錄初始葉綠素傳感器熒光值flua0和濁度傳感器測(cè)定值tua0，依次將經(jīng)實(shí)施例1中預(yù)處理的泥質(zhì)海洋表層沉積物添加進(jìn)容器水體中，形成10個(gè)懸浮顆粒物濃度梯度，在每個(gè)懸浮顆粒物濃度梯度下，記錄葉綠素傳感器熒光值fluai和濁度傳感器測(cè)定值tuai(表1)，以獲取懸浮顆粒物熒光效應(yīng)影響校準(zhǔn)系數(shù)。

表1清水中不同懸浮物濃度梯度的葉綠素傳感器熒光值和濁度傳感器測(cè)定值

獲取懸浮顆粒物熒光效應(yīng)影響校準(zhǔn)系數(shù)的具體方法如下：

1>將每個(gè)懸浮顆粒物濃度梯度下的葉綠素傳感器熒光值fluai減去初始葉綠素傳感器熒光值flua0，獲得每個(gè)懸浮顆粒物濃度梯度下的葉綠素傳感器熒光差值δfluai；

2>將每個(gè)懸浮顆粒物濃度梯度下的δfluai與對(duì)應(yīng)濁度值tuai進(jìn)行形式為δflua＝a1×tu+a0的直線擬合(圖2)，獲得擬合公式：

δflua＝0.0944×tu+0.0483(公式ⅰ)

式中δflua為葉綠素傳感器熒光差值(因變量)；tu為水體中濁度值(自變量)，單位為ntu；斜率a1和截距a0作為懸浮顆粒物熒光效應(yīng)影響校準(zhǔn)系數(shù)。

(2)以含有葉綠素的藻類加入水中配成藻類溶液，將葉綠素傳感器和濁度傳感器置于含有藻類溶液的容器中，記錄初始葉綠素傳感器熒光值flub0和濁度傳感器測(cè)定值tub0，依次將經(jīng)實(shí)施例1中預(yù)處理的泥質(zhì)海洋表層沉積物添加進(jìn)容器水體中，形成10個(gè)懸浮顆粒物濃度梯度，在每個(gè)懸浮顆粒物濃度梯度下，記錄葉綠素傳感器熒光值flubi和濁度傳感器測(cè)定值tubi(表2)，以獲取懸浮顆粒物遮蔽效應(yīng)影響校準(zhǔn)系數(shù)。

表2藻液中不同懸浮物濃度梯度的葉綠素傳感器熒光值和濁度傳感器測(cè)定值

獲取懸浮顆粒物遮蔽效應(yīng)影響校準(zhǔn)系數(shù)的具體方法如下：

1>將每個(gè)懸浮顆粒物濃度梯度下的葉綠素傳感器熒光值flubi減去初始葉綠素傳感器熒光值flub0，獲得每個(gè)懸浮顆粒物濃度梯度下的葉綠素傳感器熒光差值，再將其減去對(duì)應(yīng)懸浮顆粒物濃度下根據(jù)公式i計(jì)算所得的δflua，再除以初始葉綠素傳感器熒光值flub0，獲得每個(gè)懸浮顆粒物濃度梯度下的葉綠素傳感器熒光差值變化率δflubi，即δflubi＝[flubi-flub0-(a1×tubi+a0)]/flub0。

2>將每個(gè)懸浮顆粒物濃度梯度下的δflubi與對(duì)應(yīng)濁度值tubi進(jìn)行形如

δflub＝b1×tu+b0的擬合(圖3)，獲得擬合公式：

δflub＝–0.002×tu–0.019(公式ⅱ)

式中δflub為葉綠素傳感器熒光差值變化率(因變量)；tu為水體中濁度值(自變量)，單位為ntu；b1、b0作為懸浮顆粒物遮蔽效應(yīng)影響校準(zhǔn)系數(shù)。

(3)根據(jù)濁度傳感器測(cè)得的水體中濁度值tu，對(duì)葉綠素傳感器測(cè)量的熒光值flu測(cè)進(jìn)行懸浮顆粒物影響校準(zhǔn)，得到校準(zhǔn)后的的熒光值flu校，校準(zhǔn)公式形式為：flu校＝(flu測(cè)–a1×tu–a0)/(1+b1×tu+b0)。最終本實(shí)施例中建立的懸浮顆粒物對(duì)葉綠素?zé)晒鉁y(cè)量的影響校準(zhǔn)公式為：

flu校＝(flu測(cè)–0.0944*tu–0.0483)/(1–0.002*tu–0.019)(公式ⅲ)

式中flu校為葉綠素傳感器熒光校準(zhǔn)值，flu測(cè)為葉綠素傳感器熒光測(cè)量值；tu為水體中濁度值，單位為ntu；a1、a0為懸浮顆粒物熒光效應(yīng)影響校準(zhǔn)系數(shù)；b1、b0為懸浮顆粒物遮蔽效應(yīng)影響校準(zhǔn)系數(shù)。

通過以上步驟獲得懸浮物影響校準(zhǔn)公式以后，使用該公式進(jìn)行了不同藻液濃度的隨機(jī)驗(yàn)證。從隨機(jī)驗(yàn)證結(jié)果(表3)可以看出，經(jīng)過本方法校準(zhǔn)后，葉綠素?zé)晒馄罱^對(duì)值大幅減小(圖4)，表明使用該方法能夠較大限度地對(duì)懸浮物濃度的影響進(jìn)行校準(zhǔn)。

表3藻液中不同懸浮物濃度梯度的葉綠素傳感器熒光值和濁度傳感器測(cè)定值

以上所述的實(shí)施例只是本發(fā)明的一種較佳的方案，然其并非用以限制本發(fā)明。有關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，還可以做出各種變化和變型。因此凡采取等同替換或等效變換的方式所獲得的技術(shù)方案，均落在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。