专利名称：基于双探测器的水体叶绿素浓度在线检测方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及水体荧光色素浓度的在线检测技术，特别涉及一种基于荧光检测的叶绿素浓度监测装置和方法。
背景技术：
目前，世界各地海洋、湖泊、河流、水库等各个水域水质污染日益严重，水质监测，特别是水质的实时原位监测越来越受到人们的重视。实时监测可以掌握水质变化动态，预测水质变化，及时防范大范围污染，特别是当水体中某一种藻类大量繁殖时，将会发生水华、赤潮，因此对浮游植物的实时在线监测可有针对性地预防、预警水华、赤潮等的大规模发生。
天然水体中不同藻类含有不同的特征色素，但几乎所有藻类都含有叶绿素a，叶绿素a的浓度通常用来估计浮游植物的生产量和生产力。在激励光的照射下，不同色素均能发射特有的荧光光谱，且荧光强度同色素浓度成一定的比例关系。因此，常用荧光法检测色素浓度和对不同藻类进行分类，并且，荧光法也可以实现在线监测。荧光法测量水体叶绿素浓度的基本原理是根据朗伯-比尔定律推导出的荧光强度与叶绿素浓度的关系。其表达式为If= (J)fI0 (l-l(TEcl)(I)其中，If为荧光强度，为量子荧光效率，ε为荧光分子的摩尔吸收系数,c为溶液中荧光物质的浓度，I为光程。展开公式(I)中指数项，
Γ π r , L, , (2.3scl)2 (2.3scl)3 ( 0 ^Iy = Φ/Iq 2.3εοΙ---1......... ( 2 )
2!3!当溶液很稀，被吸收的总激发光能不超过5%，S卩ε Cl彡O. 05时，上式中括号内第二项以后项可忽略，即If = 2. 3(j5fIQ ε cl(3)即当被测物质、入射光强、光程确定后，荧光强度同溶液浓度成线性关系。目前在线测量水体叶绿素浓度的专利和产品中，激发光源有单个或多个激光或超高亮二极管等，而荧光探测均采用一个探测器，利用探测器探测的荧光强度测定水体中叶绿素的含量。但是，单探测器监测方法有其不足的地方，容易受以下几方面因素影响(I)入射光强波动，朗伯-比尔定律的前提条件就是要求入射光是稳定的单色平行光，若公式(2)中的、发生波动，必然引起If波动，导致浓度C波动。(2)温度，温度变化不影响光子辐射过程，但分子的扩散、活化、分子内部能量转化将随温度的升高而增强，温度升高，叶绿素的荧光量子效率Φf和荧光强度减小，反之增大。(3)溶剂，同一种荧光物质在不同溶剂中的光谱位置和强度都会发生变化。(4)散射光、探测窗口洁净度等，水体和颗粒物对荧光的散射，以及探测窗口受浑浊水体的污染等，均会影响荧光强度的探测值大小
发明内容
(一)所解决的技术问题(I)构建基于双探测器的水体叶绿素浓度在线、快速、准确、低成本的监测装置；(2)建立基于上述装置的浓度监测模型，着重解决由于入射光强波动、温度变化、长期使用等引起的测量误差。( 二)具体的解决方案为解决上述技术问题，本发明提供了一种双探测器荧光强度比的水体叶绿素浓度检测方法和原位监测装置。本发明的目的在于克服现有荧光法检测浮游植物色素浓度技术中存在的不足，提供一种单光源、双探测器的荧光强度比的色素浓度检测方法和原位在线监测装置。该方法根据朗伯-比尔定律推导出色素浓度同两个探测器荧光强度比之间的比例关系，一定程度上减小了由于入射光小幅波动、温度变化、散射光和探测窗口污染等对浓度测量值的影响，·并扩大了测量的线性范围。本发明提供一种快速、原位水体叶绿素浓度测量装置，主要包括激发光单元、接收荧光单元、信号处理单元、窗口清洁装置、防水密闭空腔、环境光防护罩等。所述激发光单元位于防水密闭空腔内，主要包括单色超高亮二极管、窄带发射滤光片、准直透镜、发射窗口。所述接收荧光单元位于防水密闭空腔内，主要包括两个光电探测器、窄带接收滤光片、接收窗口。所述信号处理单元主要包括模拟信号处理电路、微控制器、电源电路、存储传输电路等，所述模拟信号处理电路同两个光电探测器连接，主要包括对两路微弱信号的滤波、对数放大等，再由微控制器进行处理后存储或传输。所述窗口清洁装置主要包括清洁刷和直流电机，所述清洁刷由直流电机带动，可对发射窗口、接收窗口进行清洁，直流电机由所述微处理器控制，可实现自动或手动清洁窗口 ；所述清洁刷在荧光探测时由直流电机带动旋转至不影响激发光、荧光光路的位置。所述激发光源、发射滤光片、准直透镜产生的平行光束，同接收单元包含的接收滤光片、两个光电探测器成90°垂直放置；所述两个光电探测器放置间距为定值。所述环境光防护罩通过螺纹连接到防水密闭空腔，可方便取下进行手动清洁，并且在环境光防护罩上有若干通孔使内外水体能够自由流动。本发明还提供一种利用上述装置对水体叶绿素浓度测量的建模方法，该方法包括以下步骤和特点SI，两探测器平行放置，间距d，探测器Tl探测范围是从Xl到xl+Ι的区域，探测器T2探测范围是x2到x2+l区域，入射光I0, xl、xl+1、x2、x2+l处的透射光强分别是110、
111、I20、工21。S2，根据朗伯-比尔定律，I11 = I10KTc1，I21 = I20KTc1，I20 = I10KTcdS3，探测器Tl和T2探测到的荧光，分别为Ifl = Ic1 Φ fIltl (1_10_ε el)，If2 = k2 CjifI20(l_l(TEcl) = k2<j5fI10l(TEcd(l-l(rEcl)为水体叶绿素突光效率，k2分别为探测器T1、T2比例常数。
IflS4,将两探测器探测到荧光相比，_ K 数学变换得 23klgJ^即水
If2'C = —d ’
体叶绿素浓度同Tl，T2探测荧光强度比的对数成正比。S5，同传统单探测器相比，双探测器可减小入射光随时间波动带来的测量误差。单探测器时，If = 2.3 Φ山eel，若入射光Itj随时间变化表示为I (t)，假如浓度C不变，则If
也随Ιω变化而变化，而一般假定入射光是不变的，导致认为c出现了变化。双探测器时，
Inh—、 、
T^2 ~ 从/101o-w(i_i(r￡c,)_ U2Wscd ’，肖^ 7X身寸如如力μ刺勺■ °S6，同传统单探测器相比，双探测器可消除温度变化带来的测量误差。单探测器时，If = 2. 3ΦΓΙ0 ε Cl，温度变化导致荧光效率Φ 变化，而一般认为Φ 是不变的，导致测
In k^fL J\-\QT￡cl)h
量值c出现误差。双探测器时，J1 =无C二 (1一10-’ =，可减小温度变化带来 的测量误差。S7，同传统单探测器相比，双探测器可减小散射光和探测窗口污染带来的测量误差。假定溶液浑浊和探测窗口污染影响系数为w(t)，单探测器时，If = ZJWwCj5fIciecI,浓度C会随溶液浑浊和探测器窗口洁净度变化，而长期、在线监测时，ff(t)不易给出，导致测量值C出现误差。双探测器时，由于两个探测窗口距离较近，可认为二者W(t)相同，则In 研,#10 (I-I(Td)L
Jl = , w J 7二= TT^，觸棚衍麵口揺贝清π織棘
If2 k2W(t)9fh^ (I-10 ) ^210差。S8，双探测器扩大了测量线性范围，当叶绿素浓度逐渐增大时，公式(2)中
中括号的第二项不能忽略，即荧光强度与浓度之间不再符合线性关系，双探测器时，
Ifi
/,, = ^Z10Q-IQ-^) - Icl ,消除了(卜 1(r’ 顶，数学夺拖后，23klgJ^ 浓
If2 k^fIlolO-^(i-io-￡d) k2io-￡cdc = ^-d，
度同两探测器荧光强度比的对数成正比，同单探测器相比，扩大了线性范围。S9，双探测器输出的信号同信号处理电路连接，采用对数放大电路，有很高的共模抑制比，抑制了电路部分温漂，可提高检测灵敏度。
图I双探测器荧光监测系统的结构示意图；图2双探测器荧光分析图；图3是利用本发明实施例的双探测器相对荧光强度Τ1、Τ2及其比值的对数B同叶绿素浓度间的关系曲线。
具体实施例方式下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式
作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。本实施例的一种快速、原位水体叶绿素测量装置，主要包括激发光单元100、接收荧光单元200、信号处理单元300、窗口清洁装置400、防水密闭空腔500、环境光防护罩600等。所述激发光单元100位于防水密闭空腔500内，主要包括单色超高亮二极管101、窄带发射滤光片102、准直透镜103、发射窗口 104，所述超高亮二极管101为波长430nm超高亮蓝光二极管，所述窄带发射滤光片102中心波长430nm，半峰值带宽8nm。所述接收荧光单元200位于防水密闭空腔500内，主要包括两个光电探测器201a和201b、窄带接收滤光片202a和202b、接收窗口 203a和203b，所述窄带接收滤光片202a和202b中心波长680nm，半峰值带宽10nm。所述信号处理单元300主要包括模拟信号处理电路301、微控制器302、电源电路303、存储传输电路304等，所述模拟信号处理电路301同两个光电探测器201a和201b连接，主要包括对两路微弱信号的滤波、对数放大等，再由微控制器302进行处理后存储或传输。所述窗口清洁装置400主要包括清洁刷401和直流电机402，所述清洁刷401同直流电机402连接，可对发射窗口 104、接收窗口 203a和203b进行清洁，直流电机402由所述微处理器302控制，可实现自动或手动清洁窗口 ；所述清洁刷401在荧光探测时由直流电机402带动旋转至不影响激发光、荧光光路的位置。所述光源101、发射滤光片102、准直透镜103产生的平行光束，同接收单元200包含的接收滤光片202a和202b、两个光电探测器201a和201b成90°垂直放置；所述两个光电探测器201a和201b放置间距为定值。所述环境光防护罩600通过螺纹连接到防水密闭空腔500，可方便取下进行手动清洁，并且在环境光防护罩上有若干通孔使内外水体能够自由流动。本实施例利用上述装置对水体叶绿素浓度测量提供了建模方法，该方法包括以下步骤和特点SI，两探测器平行放置，间距d，探测器Tl探测范围是从xl到xl+Ι的区域，探测器T2探测范围是x2到x2+l区域，入射光I0, xl、xl+1、x2、x2+l处的透射光强分别是110、
111、I20、工21。S2，根据朗伯-比尔定律，I11 = I10KTc1，I21 = I20KTc1，I20 = I10KTcdS3，探测器Tl和T2探测到的荧光，分别为Ifl = Ic1 Φ fIltl (1_10_εε1)，If2 = k2 CjifI20(l_l(TEcl) = k2<j5fI10l(TEcd(l-l(rEcl)为水体叶绿素突光效率，k2分别为探测器Tl、T2比例常数。
S4，将两探测器探测到荧光相比
权利要求
1.一种基于双探测器荧光强度比的水体叶绿素浓度原位监测装置，包括激发光单元、接收荧光单元、信号处理单元、窗口清洁装置、防水密闭空腔、环境光防护罩；其特征在于:接收荧光单元为两个间距为d平行放置的光电探测器Tl、T2，且垂直于激发光的平行光束；信号处理单元，用于对激发光信号和接收到的两路荧光信号进行处理。
2.如权利要求I所述的信号处理单元，其特征在于对两路荧光信号采用对数放大器。
3.一种基于双探测器荧光强度比的水体叶绿素浓度检测方法，其特征在于，包括以下步骤SI，激发光单元产生特定波长的平行光束；S2，两探测器T1、T2分别探测到荧光强度；S3，信号处理电路对两路荧光信号进行处理，得到水体叶绿浓度同Tl、Τ2荧光强度对数比的比例关系。
4.如权利要求3所述的分析方法，其特征在于，步骤S2中，探测器Tl探测范围是从 xl到xl+1的区域，探测器T2探测范围是x2到x2+l区域,入射光10, xl、xl+1、x2、x2+l 处的透射光强分别是11(1、In、I20> I21，探测器Tl和T2探测到的荧光强度，分别为
5.如权利要求3所述的分析方法，其特征在于，步骤S3中，将两探测器探测到荧光相比，
6.如权利要求3所述的分析方法，其特征在于，若入射光Io随时间变化表示为Ιω，单探测器时，If = 2. 3 ΦΑ ε Cl,随Im变化而变化；双探测器时，
7.如权利要求3所述的分析方法，其特征在于，若水体温度变化导致荧光效率Ctf变化，Kry*，可减小温度变化带来酬量误差。
8.如权利要求3所述的分析方法，其特征在于，若溶液浑浊和探测窗口污染影响系数为W(t)，单探测器时，If = 2. 3W(t) Cj5fItl ε cl，浓度c会随溶液浑浊和探测器窗口洁净度变化， 而长期、在线监测时，W(t)不易给出，导致测量值c出现误差；双探测器时，由于两个探测窗□距离较近，可认为
9.如权利要求3和5所述的分析方法，其特征在于，两路荧光信号比，消除了(I-I(Td) 项，同单探测器相比，扩大了浓度测量的线性范围。
全文摘要
本发明涉及一种基于双探测器荧光强度比的水体叶绿素浓度检测方法和原位监测装置，激发光单元发射特定波长的平行光束，在平行光束垂直方向、间距为d的两个光电探测器探测荧光信号；基于朗伯-比尔定律，建立两路荧光信号强度比同水体叶绿素浓度之间的比例关系模型；监测装置还包括信号处理、窗口清洁、防水密闭空腔和环境防护罩等单元。本发明具有能够减小由于入射光波动、温度变化、散射光和探测窗口污染等的影响，扩大了测量的线性范围。
文档编号G01N21/64GK102928390SQ201210364088
公开日2013年2月13日 申请日期2012年9月27日 优先权日2012年9月27日
发明者李道亮, 曾立华, 位耀光, 王聪, 陈英义 申请人:中国农业大学