一种偏振光流控片压载水微藻活性检测装置与方法与流程

本发明涉及船舶压载水微藻活性检测技术领域，具体而言，尤其涉及一种偏振光流控片压载水微藻活性检测装置与方法。

背景技术：

船舶压载水是加装到船上的水及悬浮物质，作用是控制船舶的横倾、纵倾、吃水、稳性和应力。压载水可以是海水也可以是淡水，来源可以是港口、河流或者开放性海面，一般由专用的压载水舱或者是卸空的货舱运载。船舶在空载时都必须装压载水，这样做是为了保证螺旋桨和舵沉浸于水中从而保证操作的有效性、控制船舶的平衡、提高船舶的稳定性，即使载有货物或满载的时候也同样需要装有压载水。当船停靠在码头装货或卸货时，都会对应的进行压载水的排出和载入。船舶压载水是外来海洋生物入侵的主要途径之一，外来有害海洋生物入侵传播,对生态、工业、农业以及人类健康等都造成了严重的影响。在《船舶压载水及沉积物控制和管理国际公约》中规定了船舶排放时的压载水性能应满足的标准，其中着重检测的一项即为压载水中不同尺寸存活生物的浓度。而浮游生物数量和种类(船舶压载水中最普遍存在的一种生物)，也是目前船舶压载水处理和检测的主要指标。大量研究证实，船舶压载水是外来生物入侵的主要途径和载体，全世界每年交换压载水约120亿吨，而存活于未经处理压载水中的生物多达7000种，ices的数据表明94％的潜在有害海洋生物是通过船舶压载水传播。

为防止压载水中外来生物的入侵，国际海事组织(imo)于2004年制定了《国际船舶压载水及其沉积物控制与管理公约》，该公约将于2017年9月8日正式生效。随着该公约即将生效，我国作为最大的压载水输出国和输入国，必须开展相关研究工作。船舶压载水中含有细菌、病毒和大量的浮游生物，其中浮游生物以微藻为主，而这些微藻是导致赤潮的主要原因。微藻是一类形态微小的藻类种群，分布广泛，常见于江河湖海和池塘沟渠，大小通常在2μm-20μm之间。微藻随着船舶压载水被排放到新的海域，由于缺乏天敌及本身生命力顽强，这些外来生物会对新海域的生态系统带来灾难性破坏，甚至导致本地土著物种的灭绝，严重威胁海洋生态系统的安全。目前并没有一种较好方案及装置用来分析船舶压载水中外来生物的活性，因此，船舶压载水中微藻细胞的活性检测问题亟待解决。

技术实现要素：

根据上述提出的压载水中微藻细胞活性检测困难的技术问题，而提供一种偏振光流控片压载水微藻活性检测装置。本发明主要利用光的偏振特性对微藻细胞的活性进行检测，从而起到快速检测的目的。

本发明采用的技术手段如下：

一种偏振光流控片压载水微藻活性检测装置，其特征在于，包括：

提供单色光光源的光源模块；

通过起偏器和检偏器相对旋转从而改变照射在于微流控芯片上流动的微藻样品上的光的振动方向，从而得到微藻细胞在不同偏振态下的图像的检测模块；

设置于所述检测模块之后、利用由两个平凸透镜构成的成像透镜组实现微藻细胞图像放大的成像模块；

利用摄像头获取经所述成像模块放大、在不同偏振态下的微藻细胞图像进行处理与偏振信息采集，并将所有检测结果在显示端显示的图像处理模块；

将检测结果进行存储以便随时对数据进行检索与分析的数据库模块；

以及分别与所述光源模块、成像模块、检测模块、图像处理模块以及数据库模块相连、控制各个模块动作的控制模块；

所述光源模块提供的单色光源按照既定光路通过检测模块与成像模块照射在图像处理模块的摄像头上，同时控制模块通过控制检测模块中起偏器和检偏器的相对旋转动作，使摄像头捕捉到不同偏振态下的微藻细胞图像，并通过所述图像处理模块进行分析处理得到微藻细胞活性结果用于显示和存储。

进一步地，所述检测模块包括起偏器、检偏器以及微流控芯片；

所述微流控芯片包括自上而下依次设置微流控芯片主体和载玻片，所述微流控芯片主体上凹刻有一条首尾分别设置样品槽和废液槽的样品通道，所述微流控芯片能够控制微藻细胞样品的流速，从而便于对微藻细胞图像进行拍摄；

所述起偏器设置于光源模块与所述微流控芯片之间，包括前后依次设置的起偏器波片及起偏器偏振片；

所述检偏器设置于所述微流控芯片与所述成像模块之间，包括前后依次设置的检偏器偏振片及检偏器波片；

所述光源装置发出的单色光依次通过起偏器波片、起偏器偏振片、微流控芯片上的样品通道、检偏器偏振片及检偏器波片射向所述成像模块。

进一步地，所述光源装置发出的单色光以垂直角度穿过所述微流控芯片上的样品通道。

进一步地，所述起偏器及检偏器在步进电机的作用下进行旋转动作。

进一步地，所述控制模块包括单片机，所述单片机的控制引脚分别连接所述光源模块的光源开关、检测模块的步进电机、图像处理模块的摄像头开关以及数据库模块。

进一步地，所述图像处理模块对拍摄到的微藻图像信息进行偏振特性分析和纹理特征分析，从而判断细胞的活性。

本发明还提供了一种基于上述检测装置的压载水微藻活性检测方法，其特征在于，步骤包括：

1)装置安装，依照要求对所需的各模块进行组合安装，保证光路能够按照既定的路线通过样品并照射到图像处理模块中的摄像头成像，制备微藻样品；

2)开启装置，将微流控芯片置入到载物台，向微流控芯片中的样品槽滴加微藻样品，同时开启光源、摄像头的开关，待摄像机捕捉到微流控芯片中的样品图像时，打开步进电机的开关，使起偏器和检偏器自动旋转，通过设置起偏器和检偏器的状态，得到不同偏振状态下的微藻细胞图像，随后摄像头拍摄带有偏振信息的微藻细胞图像并送至图像处理模块进行分析处理；

3)图像处理，将拍摄到的图片进行处理，首先利用经过样品的入射光和出射光偏振状态求出样品中微藻细胞图像的mueller矩阵图像，再对所述mueller矩阵图像进行进一步分析得到能够判断微藻细胞活性的参数，所述参数包括偏振差dp、参数a、参数b、参数tan2x等穆勒矩阵参数，最后将微藻细胞活性结果在显示界面显示；

4)数据存储，将所测得的数据存储到数据库模块中，对图像以及图像参数进行统计，以便对所测得的数据进行分析和检索。

较现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明可以通过偏振片与波片的相对位置变化改变偏振光的偏振特性，从而对微藻细胞活性进行检测，整个检测过程中不需对微藻细胞进行任何处理，避免了用其他处理方法处理微藻细胞时对细胞造成损伤。

2、本发明装置各功能模块组装体积小，且整个过程当中都只需要控制模块对其他功能模块进行操作，操作者只需要控制对应的开关即可完成操作，具有体积小、操作简单的优点。

综上，应用本发明的技术方案可以有效解决现有技术中微藻细胞活性检测困难、装置结构复杂及使用不便的问题。

基于上述理由本发明可在压载水细胞活性检测等领域广泛推广。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明装置结构示意图。

图2为本发明控制模块内部结构示意图。

图3为本发明检测模块结构示意图。

图4为微流控芯片结构示意图。

1、成像模块；2、检测模块；3、图像处理模块；4、数据库模块；5、控制模块；6、单片机；7、光源开关；8、光源模块；9、步进电机；10-1、起偏器波片；10-2、检偏器波片；11-1、起偏器偏振片；11-2检偏器偏振片；12、摄像头开关；13、摄像头；14、起偏器；15、微流控芯片主体；16、检偏器；17、载玻片；18、样品槽；19、样品通道；20、废液槽。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任向具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

如图1-4所示，本发明提供了一种偏振光流控片压载水微藻活性检测装置，其特征在于，包括：成像模块1、检测模块2、图像处理模块3、数据库模块4、控制模块5，以及提供单色光光源的光源模块8。

所述检测模块2通过起偏器14和检偏器16相对旋转从而改变照射在于微流控芯片上流动的微藻样品上的光的振动方向，从而得到微藻细胞在不同偏振态下的图像，其包括起偏器、检偏器以及微流控芯片。

所述微流控芯片包括自上而下依次设置微流控芯片主体15和载玻片17，所述微流控芯片主体上凹刻有一条首尾分别设置样品槽18和废液槽20的样品通道19，所述微流控芯片能够控制微藻细胞样品的流速，从而便于对微藻细胞图像进行拍摄；

所述起偏器14设置于光源模块与所述微流控芯片之间，包括前后依次设置的起偏器波片10-1及起偏器偏振片11-1；

所述检偏器16设置于所述微流控芯片与所述成像模块之间，包括前后依次设置的检偏器偏振片10-2及检偏器波片11-2；

所述光源装置发出的单色光依次通过起偏器波片10-1、起偏器偏振片11-1、微流控芯片上的样品通道19、检偏器偏振片11-2及检偏器波片10-2射向所述成像模块1。光源装置发出的单色光垂直照射到微流控芯片15的样品通道上，同时用步进电机控制起偏器的偏振片和波片和检偏器中的偏振片和波片的角度。

设置于所述检测模块2之后、利用由两个平凸透镜构成的成像透镜组实现微藻细胞图像放大的成像模块1；

利用摄像头13获取经所述成像模块1放大、在不同偏振态下的微藻细胞图像进行处理与偏振信息采集，并将所有检测结果在显示端显示的图像处理模块3；

将检测结果进行存储以便随时对数据进行检索与分析的数据库模块4；

以及分别与所述光源模块8、成像模块1、检测模块2、图像处理模块3以及数据库模块4相连、控制各个模块动作的控制模块5；

所述光源模块8提供的单色光源按照既定光路通过检测模块2与成像模块1照射在图像处理模块3的摄像头上，同时控制模块5通过控制检测模块2中起偏器的偏振片和波片和检偏器中的偏振片和波片的角度，使摄像头13捕捉到不同偏振态下的微藻细胞图像，并通过所述图像处理模块3进行偏振特性分析和纹理特征分析，从而判断细胞的活性，得到微藻细胞活性结果用于显示和存储。

控制模块包括单片机，所述单片机的控制引脚分别连接所述光源模块的光源开关、检测模块的步进电机、图像处理模块的摄像头开关以及数据库模块。

本发明还提供了一种基于上述检测装置的压载水微藻活性检测方法，其特征在于，步骤包括：

1)装置安装，依照要求对所需的各模块进行组合安装，保证光路能够按照既定的路线通过样品并照射到图像处理模块中的摄像头成像，制备微藻样品；

2)开启装置，将微流控芯片置入到载物台，向微流控芯片中的样品槽滴加微藻样品，同时开启光源、摄像头的开关，待摄像机捕捉到微流控芯片中的样品图像时，打开步进电机的开关，使起偏器和检偏器自动旋转，通过设置起偏器和检偏器的状态，得到不同偏振状态下的微藻细胞图像，随后摄像头拍摄带有偏振信息的微藻细胞图像并送至图像处理模块进行分析处理；

3)图像处理，将拍摄到的图片进行处理，首先利用经过样品的入射光和出射光偏振状态求出样品中微藻细胞图像的mueller矩阵图像，再对所述mueller矩阵图像进行进一步分析得到能够判断微藻细胞活性的参数，所述参数包括偏振差dp、参数a、参数b、参数tan2x等穆勒矩阵参数，最后将微藻细胞活性结果在显示界面显示；

4)数据存储，将所测得的数据存储到数据库模块中，对图像以及图像参数进行统计，以便对所测得的数据进行分析和检索。

下面通过具体的实施实例对本发明的技术方案做进一步说明：

一种压载水中浮游生物在线检测装置，其特征在于，装置包括：成像模块1、检测模块2、图像处理模块3、数据库模块4、控制模块5，以及单色光源8。

所述控制模块5与其他模块相连，主要包括单片机6和步进电机9，单片机6能够控制成像模块中的光源8、图像处理模块3中的摄像头13的开启和关闭、步进电机9用于控制起偏器14和检偏器16的旋转角度。

所述图像处理模块3与检测模块2相连，利用摄像头13获取到具有不同偏振信息的微藻图像进行处理与偏振信息采集，并将所有检测结果在显示端显示。

所述数据库模块4能够将检测结果进行存储，便于随时对数据进行检索与分析。

本实施例以压载水中微藻活性检测为例。装置由成像模块1、检测模块2、图像处理模块3、数据库模块4、控制模块5组成。成像模块1包括光源8和透镜组组成，检测模块包括由偏振片11和波片10组成的起偏器14和检偏器16，并与成像模块1相连，图像处理模块3中的摄像头13与检测模块相连，数据库模块5和图像处理算法均在单片机6中以程序的形式体现出来，控制模块4主要包含单片机6和光源开关7及摄像头开关12，光源8发出单色光依次经过透镜组、起偏器14、微流控芯片、检偏器16，并最终在摄像头13中成像。

检测模块2使用了偏振片和波片作为检测微藻活性的工具，不同活性的微藻通过起偏器14和检偏器16所引起的不同偏振状态的效果也有所不同。

微流控芯片15材质为聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)或玻璃，微流控芯片15设有能够滴加样品的样品槽18和废液槽20，能够控制微藻细胞的流速，从而便于对微藻细胞进行拍摄。

控制模块5利用单片机6控制模块开关和步进单机9，模块开关用于控制光源8和摄像头13的开启与关闭，步进电机9用于控制偏振片11和波片10的角度，保证起偏器与检偏器能完成0、45、90、135、左旋圆、右旋圆角度的旋转。

图像处理模块3拍摄到带有偏振信息的微藻图像，并根据图像进行偏振特性分析和纹理分析，并通过与已知活性特征的各微藻细胞进行对比，从而判断细胞的活性，并在显示端显示。

本发明提供的微藻细胞活性检测装置，能够根据所处理的结果确定微藻细胞的活性，装置通过光源发出单色光，经过检测模块中的起偏器改变光的偏振性质，随后入射到微流控芯片中，光入射到微流控芯片内通道内的样品后，其光的偏振性质会发生变化，因此继续出射到检偏器中，并最终在摄像头中成像，由于起偏器和检偏器的角度变化会决定最终的偏振图像，因此需要利用步进电机对起偏器和检偏器进行角度控制，对拍摄得到的偏振图像进行图像算法处理，包括偏振参数的处理和偏振纹理特性的处理，最后根据偏振参数和纹理特性参数对微藻细胞活性进行检测，所测得的结果将存储到数据库模块中。

本实施例的另一方面还提供了基于上述装置的偏振光流控片压载水微藻活性检测方法，包括：

1)装置安装，依照要求对所需的各种模块进行组合安装，保证光路能够按照既定的路线通过样品并照射到处理模块中的摄像头成像。制备微藻样品，并制作微流控芯片。

2)开启装置，将微流控芯片置入到载物台，向微流控芯片中的样品槽滴加微藻样品，同时开启光源、摄像头的开关，待观察到芯片中的样品时，打开步进电机的开关，使其自动对起偏器和检偏器进行旋转，通过设置起偏器和检偏器的状态，得到不同偏振状态下的微藻细胞图像，随后摄像头拍摄带有偏振信息的微藻细胞图像并在处理模块中进行处理。

具体的，当要对微藻细胞进行检测时，打开光源和摄像头的开关，摄像头能够观察到光亮，随后加入样品到微流控芯片中使样品流经整个通道中，待微藻细胞在通道内部稳定时，可以使步进电机进行工作，步进电机对起偏器和检偏器进行控制，设置偏振片的旋转角度为0°，45°，90°，135°四种角度，并设置左右旋圆偏振光，这样，起偏器和检偏器都具有6种偏振状态，最终通过摄像头成像得到36种不同的偏振状态图像，图像拍摄完毕时，存储到单片机中进行处理，最后将起偏器和检偏器调回原始位置，再将光源和摄像头的开关关闭。

3)图像处理，将拍摄到的图片进行处理，首先利用经过样品的入射光和出射光偏振状态求出样品的mueller矩阵图像，再通过该图像进行进一步算法分析得到能够判断微藻细胞活性的参数，所述参数包括偏振差dp、参数a、参数b、参数tan2x等穆勒矩阵参数，最后将微藻细胞活性结果在显示界面显示。

具体的，当获取到上述拍摄的到偏振图像后，需要对这些图像进行分析，算法采用穆勒矩阵的算法，根据不同的图像计算出穆勒矩阵中的每一个矩阵元图像，图像中包含大量的偏振信息，因此可以求出穆勒矩阵的偏振度和偏振差等表征微藻细胞的偏振参数图像，同时还可以对其进行矩阵分解参数，频域特性的分析与计算。根据所得的偏振参数图像进行纹理分析，通过灰度共生矩阵找到图像内部特征的统计参数，根据其参数的不同来辨别不同活性的微藻细胞。最后将所得到的偏振图像、统计参数和微藻细胞活性鉴别结果在单片机的显示端中显示出来。

4)数据存储，将所测得的数据存储到控制模块中的单片机中，对图像以及图像参数进行统计，便于对所测得的数据进行分析和检索等。

本发明通过一种细胞偏振特性处理的检测装置，可以对船舶压载水中的细胞进行细胞活性检测，判断不同细胞的活性，整个过程当中对微藻细胞进行无损伤检测，同时所检测装置体积小，且使用人员在检测时只需进行开关的开启与闭合操作即可实现细胞活性检测，整个过程均为自动处理，操作十分简单。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。