一種雙光路法海岸帶水體葉綠素原位監(jiān)測方法及裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于水環(huán)境光學(xué)法原位檢測技術(shù)領(lǐng)域，具體是一種雙光路法海岸帶水體葉綠素原位監(jiān)測方法及實(shí)現(xiàn)該方法的裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]葉綠素幾乎存在于所有浮游植物中，是估量浮游植物和藻類的含量和分布狀況主要指標(biāo)之一。葉綠素a的濃度可用于監(jiān)測站與研究機(jī)構(gòu)了解、分析水質(zhì)富營養(yǎng)化程度和海洋生物的分布狀態(tài)等，并且還與水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)和漁業(yè)等密切相關(guān)，是檢測水質(zhì)質(zhì)量的常規(guī)檢測項目。
[0003]目前我國測量水體葉綠素含量的主要方法有分光光度法、高效液相色譜法和熒光法等。分光光度法和高效液相色譜法都需要實(shí)驗室采樣、萃取將水樣中葉綠素提取出來后再用分光光度法進(jìn)行分析測定，盡管測試數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠，但測量步驟繁瑣，時間長、數(shù)據(jù)少，應(yīng)用于現(xiàn)場實(shí)時監(jiān)測時受限制。隨著熒光法測量水體葉綠素研究的不斷進(jìn)展，研發(fā)具有高精準(zhǔn)度、高靈敏度的實(shí)時在線葉綠素分析儀已經(jīng)是現(xiàn)在水環(huán)境生態(tài)系統(tǒng)監(jiān)測領(lǐng)域中一個熱點(diǎn)。本發(fā)明采用的熒光法比分光光度法更適用于葉綠素含量極低的情況，檢測靈敏度更高，并可用于河流、湖泊及海洋等多種水體現(xiàn)場檢測，能夠?qū)崟r監(jiān)測浮游植物、藻類等分布、生長以及變化狀態(tài)。
[0004]傳統(tǒng)葉綠素分析儀大部分為柜式結(jié)構(gòu)，體積大，成本高，抽取水樣進(jìn)行采集測試。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明采用熒光法檢測原理，主要由光源模塊、測量模塊，參考模塊和信號處理模塊四部分組成，實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場實(shí)時、快速、大面積、精準(zhǔn)監(jiān)測水體葉綠素濃度的目的。由于被測水體中葉綠素α在外加藍(lán)色光源的激發(fā)下，會在較長波長685nm附近釋放熒光，通過直接測量熒光強(qiáng)度可以在線監(jiān)測葉綠素α濃度。光源模塊發(fā)出的藍(lán)光經(jīng)測量模塊中的二向色分光片，大部分光被反射后由凸透鏡在石英窗口前聚焦，形成的準(zhǔn)直光通過光窗照射水體葉綠素產(chǎn)生熒光，反射回的熒光經(jīng)二向色分光片透射后由信號處理模塊中的光電探測器一進(jìn)行檢測。光源模塊發(fā)出的小部分光束經(jīng)二向色分光片透射入?yún)⒖寄K中光電探測器二作為評價光源能量變化的參考信號。
[0006]具體技術(shù)方案如下:
[0007]—種雙光路法海岸帶水體葉綠素原位監(jiān)測方法，基于熒光法檢測原理，通過直接測量熒光強(qiáng)度在線監(jiān)測葉綠素α濃度;具體方法為:
[0008](I)光源模塊中的激發(fā)光源采用超亮藍(lán)LED燈；
[0009](2)采用雙光路測試系統(tǒng)，LED光源發(fā)射的光平行入射到經(jīng)過45°方向安裝的二向色分光片后分成兩束光，一束經(jīng)二向色分光片反射與入射光成直角的探測光和一束與入射光平行的參考光；
[0010](3) 二向色分光片為45°方向安裝，反射400-480nm波長的光并透射500-700nm的光，保證反射探測光并使其垂直入射到水體，激發(fā)的熒光透過分光片被光電探測器一接收，檢測熒光與LED光源的入射光呈直角，與探測光平行；
[0011](4)探測光垂直通過聚焦透鏡一和光學(xué)石英窗口，變?yōu)闇?zhǔn)直光照射入水樣，葉綠素受激發(fā)發(fā)出的熒光再經(jīng)光學(xué)石英窗口、聚焦透鏡一、二向色分光片和聚焦透鏡二被光電探測器一接收；
[0012](5)光源模塊發(fā)出的光經(jīng)測量模塊中的二向色分光片分成兩束光，其中的一束參考光由光電探測器二進(jìn)行檢測，再由數(shù)據(jù)采集單元進(jìn)行處理；
[0013](6)控制單元與數(shù)據(jù)采集單元控制光源發(fā)光，使被測水體葉綠素受激發(fā)發(fā)射熒光；光電探測器一將接收到的熒光轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電信號，數(shù)據(jù)處理單元再對光電探測器一轉(zhuǎn)換的電信號進(jìn)行處理，并計算出被測水體葉綠素a的含量，同時將數(shù)據(jù)傳輸至控制單元進(jìn)行顯示；
[0014](7)數(shù)據(jù)處理單元由采集的熒光信號計算出被測水體葉綠素a的含量按照如下公式:
[0015]C = aX (E-F)
[0016]其中，C是被測水體藻類葉綠素a濃度，單位為mg/L； E是計算得到的位于特征中心波長685nm處的熒光強(qiáng)度;a是線性相關(guān)系數(shù);F是校正被測水體中黃色物質(zhì)CDOM的補(bǔ)償數(shù)值，補(bǔ)償數(shù)值F儲存在控制處理模塊內(nèi)部。
[0017]被測水體熒光信號數(shù)據(jù)預(yù)處理后，經(jīng)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型分析處理，計算得到熒光強(qiáng)度E，并根據(jù)儲存在數(shù)據(jù)處理模塊內(nèi)部的黃色物質(zhì)CDOM的補(bǔ)償數(shù)值系數(shù)F結(jié)合現(xiàn)場CDOM實(shí)測值，進(jìn)行葉綠素?zé)晒鈴?qiáng)度校正，去除了被測水體其他發(fā)熒光物質(zhì)的干擾。葉綠素?zé)晒庑盘枖?shù)據(jù)再由系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型內(nèi)光源漂移、偏最小二乘法等算法分析處理后，計算得到校正熒光強(qiáng)度(E-F)與葉綠素濃度C間的線性相關(guān)系數(shù)a，最后由濃度反演算法得出被測水體葉綠素a的含量，同時將數(shù)據(jù)傳輸至控制單元進(jìn)行顯示。
[0018]本發(fā)明進(jìn)一步公開了一種實(shí)現(xiàn)所述方法的裝置，包括信號處理模塊、光電探測器一、聚焦透鏡二、光源、光電探測器二、二向色分光片、聚焦透鏡一、石英光窗、外殼，外殼與前端主體采用雙層硅橡膠圈密封，光源和光電探測器二都用固定座安裝在前端主體上，前端主體的下方為石英光窗，石英光窗下方為水樣池，聚焦透鏡一設(shè)置在石英光窗的上方;二向色分光片采用45°方向安裝在聚焦透鏡一上方，光源和光電探測器二分別位于二向色分光片兩側(cè)，并且光源模塊的LED燈和光電探測器二平行同心，保證LED光源發(fā)出的光經(jīng)二向色分光片后分成探測光和參考光這兩束光，光電探測器一固定在聚焦透鏡二上方，聚焦透鏡二固定在二向色分光片的上方;信號處理模塊分別與光電探測器一、光源模塊和光電探測器二相連接;參考光被光電探測器二檢測到，探測光經(jīng)聚焦透鏡一聚集到水樣池，水樣池內(nèi)激發(fā)的熒光經(jīng)聚焦透鏡一和聚焦透鏡二由光電探測器一接收;信號處理模塊設(shè)置RS232數(shù)據(jù)模擬輸出端口，與溫度儀、深度儀、數(shù)據(jù)采集器或其他參數(shù)傳感器等一起接入系統(tǒng)使用，在控制器中設(shè)定改變增益系數(shù)、數(shù)據(jù)平均次數(shù)和校準(zhǔn)系數(shù)。
[0019]二向色分光片厚度為1.2mm。
[0020]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)如下:
[0021 ]本發(fā)明采用超亮藍(lán)LED燈作為激發(fā)光源，具有發(fā)光強(qiáng)度高，體積小，使用壽命長的特點(diǎn)。
[0022]本發(fā)明采用雙光路測試系統(tǒng)，光源發(fā)出的光經(jīng)二向色分光片分成探測光和參考光，探測光激發(fā)熒光，參考光由光電探測器二進(jìn)行檢測。此方法去除了光源波動及光源衰減帶來的影響，提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性和準(zhǔn)確度。
[0023]本發(fā)明的熒光法數(shù)學(xué)模型通過計算的線性相關(guān)系數(shù)，增加了黃色物質(zhì)CDOM補(bǔ)償功能，可以校正被測水體中黃色物質(zhì)CDOM對采集的熒光信號的影響，準(zhǔn)確計算出被測水體葉綠素濃度。
[0024]本發(fā)明的雙光路法海岸帶水體葉綠素原位監(jiān)測系統(tǒng)及方法體積小，重量輕，攜帶方便，功耗小，準(zhǔn)確度和靈敏度高，適合在線監(jiān)測。
[0025]本發(fā)明的技術(shù)效果:本發(fā)明的雙光路法海岸帶水體葉綠素原位監(jiān)測系統(tǒng)及方法能夠現(xiàn)場實(shí)時、快速、大面積監(jiān)測水體中葉綠素濃度，并且重量輕，體積小，準(zhǔn)確度和靈敏度高。與傳統(tǒng)檢測葉綠素的儀器相比，可以實(shí)現(xiàn)快速實(shí)時連續(xù)的測量，更便于攜帶，使用操作簡單，有效的減少了生產(chǎn)和測量成本，應(yīng)用范圍廣，可用于海洋環(huán)境調(diào)查、海產(chǎn)養(yǎng)殖、污染指標(biāo)估量及赤潮監(jiān)測等重要領(lǐng)域，利于實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。
【附圖說明】
[0026]圖1是本發(fā)明的裝置的結(jié)構(gòu)示意圖，其中1、信號處理模塊，2、光電探測器一，3、聚焦透鏡二，4、光源，5、光電探測器二，6、二向色分光片，7、聚焦透鏡一，8、石英光窗，9、外殼；10、前端主體，11、水樣池。
[0027]圖2是本發(fā)明系統(tǒng)裝置的工作流程示意圖；
[0028]圖3是雙光路法海岸帶水體葉綠素原位監(jiān)測系統(tǒng)模型的數(shù)據(jù)處理分析過程示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0029]本發(fā)明通過直接測量水體中葉綠素受激釋放的熒光強(qiáng)度來檢測葉綠素濃度，主要由光源模塊、測量模塊，參考模塊和信號處理模塊四部分組成。
[0030]如圖1所示，本發(fā)明所述的裝置包括信號處理模塊1、光電探測器一2、聚焦透鏡二
3、光源4、光電探測器二5、二向色分光片6、聚焦透鏡一7、石英光窗8、外殼9，外殼9與前端主體10采用雙層硅橡膠圈密封，光源4和光電探測器二 5都用固定座安裝在前端主體上，前端主體10的下方為石英光窗8，石英光窗8下方為水樣池11，聚焦透鏡一 7設(shè)置石英光窗8的上方;二向色分光片6采用45°方向安裝在聚焦透鏡一 7上方，光源4和光電探測器二 5分別位于二向色分光片6兩側(cè)