尹文佳，李彧，徐元哲

(1.東北電力大學(xué)自動(dòng)化工程學(xué)院，吉林吉林132012;2.瓊州學(xué)院理工學(xué)院，三亞572022)

近年來，世界經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，湖泊水體富營養(yǎng)化程度加劇、綠藻等藻類過度繁殖堆積水面、水體中大量生物因缺氧而死亡，進(jìn)而造成水華現(xiàn)象的爆發(fā)，嚴(yán)重的危害了人們?nèi)粘Ｉa(chǎn)、生活、生命健康和生態(tài)環(huán)境。為了做好水華現(xiàn)象的預(yù)警工作，國內(nèi)外大部分學(xué)者對水體中藻類濃度測量展開了研究［1－4］。

水體富營養(yǎng)化可以通過檢測綠藻中葉綠素含量來實(shí)現(xiàn)，其中葉綠素－a含量最高。葉綠素－a的濃度是表征水體富營養(yǎng)化程度的主要參數(shù)［5］，現(xiàn)有的對于葉綠素－a濃度的檢測方法有分光光度法、高效液相色譜法、實(shí)驗(yàn)室熒光光譜法和遙感法。前三種方法都可以歸結(jié)為實(shí)驗(yàn)室法，都需要對藻類等浮游植物進(jìn)行葉綠素的萃取工作，操作步驟十分繁瑣，而且大多需要有經(jīng)驗(yàn)者做出經(jīng)驗(yàn)分析。遙感航拍的方法固然可以大面積測量水域的葉綠素－a濃度，但是由于航線、背景光以及高度的限制，在測量精度方面難以保證。

本研究設(shè)計(jì)了一種以高亮度、強(qiáng)穩(wěn)定性的紫色激光調(diào)制光作為激發(fā)光源，將光學(xué)技術(shù)、熒光檢測技術(shù)和對數(shù)式除法電路相結(jié)合的快速檢測葉綠素－a濃度的裝置，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該裝置在保證測量精度的條件下，實(shí)用性好，操作簡單，穩(wěn)定快速，為葉綠素－a檢測技術(shù)提供了新的思路。

1 測量原理

當(dāng)用一特定波長的光照射某種物質(zhì)的分子時(shí)，受到激發(fā)后的分子會(huì)以輻射躍遷形式將其吸收的能量釋放返回基態(tài)時(shí)，便會(huì)發(fā)射出波長大于激發(fā)光的光，稱之為熒光［6］。不同的熒光物質(zhì)，由于它們分子結(jié)構(gòu)和能量分布的差異，各自顯示出不同的吸收光譜和熒光光譜特性［7］。如圖1所示為大量實(shí)驗(yàn)后得到的葉綠素－a分子的激發(fā)光譜和熒光發(fā)射光譜。我們可以清晰地看到，當(dāng)激發(fā)光中心波長為435 nm時(shí)，葉綠素－a分子發(fā)出峰值熒光波長為685 nm的熒光。

圖1 葉綠素－a的激發(fā)光光譜和熒光發(fā)射光譜

藻類葉綠素－a分子經(jīng)過某一特定波長激發(fā)后，所發(fā)射的熒光強(qiáng)度為:

其中，k為儀器常數(shù);Q為物質(zhì)熒光效率;I0為激勵(lì)光光強(qiáng);c為物質(zhì)濃度;b為樣品光程差;ε為摩爾吸收系數(shù)。

只要k，Q，I0，b，ε一定，則c和F成一定數(shù)學(xué)關(guān)系。由于浮游植物濃度不只在同一個(gè)數(shù)量級，故采用對數(shù)形式，將(1)式取對數(shù)得:

當(dāng)待測量的熒光物質(zhì)確定后A、B、D均為常數(shù)，由(2)式可知，葉綠素－a濃度只與熒光強(qiáng)度有關(guān)，故采用熒光方法檢測葉綠素－a濃度是可行的。由于熒光強(qiáng)度會(huì)因光源的不穩(wěn)定發(fā)生變化，影響測量的準(zhǔn)確性，故本研究將其轉(zhuǎn)化為熒光比值來計(jì)算葉綠素－a的濃度。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該裝置主要監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)圖如圖2所示。

在光學(xué)傳感器模塊中，激發(fā)光源采用自身帶有負(fù)反饋的功率為50 mw，中心波長為435 nm的紫色激光頭，由STC89C51單片機(jī)控制發(fā)出的頻率為2 KHz的調(diào)制波。該光源較之以往的氙燈、LED等光源具有高穩(wěn)定性、強(qiáng)持續(xù)性以及高亮度、低損耗等特點(diǎn)，可保證光源精度以及硬件電路的簡易性。在探頭內(nèi)部435 nm干涉濾光片下面放置的分光棱鏡將一定比例的紫色激光引出，作為參考光使用。探頭中部為測量槽，同時(shí)裝有四根直角鍍膜棱鏡，應(yīng)用光的全反射原理，使熒光以極小的損失率全部被收集起來。在685 nm干涉濾光片下方放置的凸透鏡將產(chǎn)生的熒光全部匯聚照射到放置于焦點(diǎn)處的光電二極管上，減少能量損失。

在對數(shù)式除法電路模塊中，為了避免各種外界因素及電路自身的微小變化造成激發(fā)光源的不穩(wěn)定性，導(dǎo)致熒光值也隨之變化，故采用分光棱鏡將一部分參考光引出，將其轉(zhuǎn)變后的電壓信號(hào)值與熒光轉(zhuǎn)變后的電壓信號(hào)值作比，其原理圖如圖3所示［8］。將參考光電壓值u1和熒光電壓值u2分別從U1A和U1B的輸入端送入，u1與u2分別通過對數(shù)運(yùn)算電路，得到的輸出信號(hào)在經(jīng)過減法電路和指數(shù)運(yùn)算電路，最終的輸出信號(hào)u0與u1/u2成正比，得到一個(gè)u1與u2的比值。這樣即可剔除由于整個(gè)系統(tǒng)各種原因造成光源的不穩(wěn)定性而帶來的熒光值的浮動(dòng)現(xiàn)象，使得激發(fā)光強(qiáng)與熒光值的線性度更好。

圖2 硬件電路設(shè)計(jì)框圖

圖3 對數(shù)式除法電路原理圖

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 實(shí)驗(yàn)條件

光學(xué)傳感器長度為8 cm，內(nèi)直徑為25 cm，外直徑為30 cm，為了減少背景光干擾，傳感器內(nèi)部反光性高，探頭密封性良好，材料為鋼制，內(nèi)壁為鉻涂層。將實(shí)驗(yàn)室濃度為0.1 μg/L的綠藻按一定的比例配置成不同濃度的溶液，分別為:20%、40%、60%、80%、100%。采用單一變量法，用不同光強(qiáng)的激發(fā)光對不同濃度藻類溶液進(jìn)行激發(fā)，使其發(fā)射熒光。將激發(fā)光強(qiáng)電壓與產(chǎn)生的熒光電壓應(yīng)用對數(shù)式除法作比后的比值稱為熒光比值。研究激發(fā)光強(qiáng)與熒光比值在的變化關(guān)系，以及濃度值與熒光比值的變化關(guān)系，并對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析總結(jié)。

3.2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

3.2.1 激發(fā)光強(qiáng)與熒光比值實(shí)驗(yàn)

用不同光強(qiáng)的激發(fā)光照射不同濃度藻類溶液，應(yīng)用對數(shù)式除法電路后，觀測電壓輸出比值，測試數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 測試數(shù)據(jù)

對表1中的數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真，其對應(yīng)的激發(fā)光強(qiáng)與熒光比值之間的關(guān)系曲線如圖4所示。從圖4中可以看出:應(yīng)用差分方法后，激發(fā)光強(qiáng)與熒光比值的線性關(guān)系良好，但并不是激發(fā)光強(qiáng)越強(qiáng)，其熒光電壓比值越高的，選取中段線性效果最好，故可采用激發(fā)光強(qiáng)為57 Lm/m2。

圖4 激發(fā)光強(qiáng)與熒光比值關(guān)系

3.2.2 濃度值與熒光比值實(shí)驗(yàn)

用頻率為2 kHz，光強(qiáng)為57 Lm/m2的激發(fā)調(diào)制光照射不同濃度藻類溶液，觀測電壓輸出比值，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 測試數(shù)據(jù)

對表2中數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合，可見綠藻溶液濃度百分比與熒光比值之間的關(guān)系曲線如圖5所示。函數(shù)關(guān)系式為y=4.375 0 x+0.201 3，線性回歸分析得相關(guān)系數(shù)為0.998 7，說明葉綠素a檢測裝置測得的熒光比值與葉綠素a溶液濃度線性關(guān)系良好。

通過實(shí)驗(yàn)與數(shù)據(jù)分析，結(jié)果表明:系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理實(shí)用，測量精度為0.02 μg/L，綠藻濃度與熒光比值成明顯線性關(guān)系，線性相關(guān)系數(shù)為0.998 7，不論是在測量精度還是線性度上，較之以往的藻類濃度監(jiān)測系統(tǒng)都更好些。

圖5 濃度與熒光電壓比值關(guān)系

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的光學(xué)傳感器裝置基本完成了從對激發(fā)光的控制到熒光的收集，再到兩組電壓信號(hào)的放大和作比值，最后實(shí)現(xiàn)綠藻濃度值與熒光比值的一一對應(yīng)。其優(yōu)點(diǎn)在于:穩(wěn)定快速、簡單方便、造價(jià)低廉、實(shí)用效果好。

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