羅 勇， 楊慧中

(江南大學(xué) 輕工過程先進(jìn)控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 無錫 214122)

0 引 言

對水體中藍(lán)藻濃度進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測是防治藍(lán)藻災(zāi)害[1～3]的重要環(huán)節(jié)。目前，檢測方法有顯微鏡法計(jì)數(shù)[4]、液相色譜法[5]、分光光度法[6]、衛(wèi)星遙感法[7，8]等，前3種方法一般都是將采集的水樣在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行預(yù)處理后再測定，需要耗費(fèi)大量的人力、物力且效率低下、實(shí)時性較差、對分析人員的儀器操作能力要求較高。衛(wèi)星遙感法只適合大面積水域藍(lán)藻監(jiān)測，且氣溫、濕度、風(fēng)向、云層等自然條件對監(jiān)測結(jié)果影響大。本文利用熒光光譜儀開展實(shí)驗(yàn)，由得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析可知，對于太湖微囊藻，當(dāng)受到610 nm的可見光照射時，其所特有的藻藍(lán)蛋白在受強(qiáng)光激勵后會立即以輻射躍遷形式將其吸收的能量釋放，發(fā)射中心波長為660 nm的熒光。本文根據(jù)該熒光特征波長，設(shè)計(jì)了一種對水體中藍(lán)藻濃度實(shí)現(xiàn)快速檢測的裝置，建立了藍(lán)藻濃度與測量電壓值之間的線性關(guān)系，可以準(zhǔn)確測出水體中的藍(lán)藻濃度。

1 建模原理

本文設(shè)計(jì)的激發(fā)光波長為610 nm，藍(lán)藻溶液中藻藍(lán)蛋白的熒光[9,10]中心波長為660 nm。當(dāng)溶液很稀時，被吸收的總激發(fā)光不超過5 %，根據(jù)朗伯比爾定律，溶液發(fā)出的熒光強(qiáng)度If、熒光效率η、激發(fā)光強(qiáng)度Io、吸光系數(shù)k、吸光介質(zhì)的厚度l與溶液的濃度c之間的關(guān)系簡化表示為

If=2.3ηIoklc

(1)

可知，當(dāng)激發(fā)光強(qiáng)度和波長一定時，熒光物質(zhì)發(fā)出的熒光強(qiáng)度與藍(lán)藻溶液濃度成正比。因此，可以利用光電傳感器檢測熒光強(qiáng)度得到電壓信號，建立電壓信號與藍(lán)藻濃度之間的回歸模型。

2 裝置結(jié)構(gòu)

2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

裝置主要由激發(fā)光模塊、比色皿、光電傳感器、信號處理模塊和通用分組無線業(yè)務(wù)(general packet radio service,GPRS)模塊等組成，AT89C52單片機(jī)作為控制核心器件控制整個系統(tǒng)的工作流程。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框圖

在激發(fā)光模塊中，采用中心波長為610 nm的2個功率為3 W的紅光LED燈為激發(fā)光源[11]，以滿足激發(fā)光源有足夠的能量使藻藍(lán)蛋白產(chǎn)生發(fā)射熒光，有助于提高檢測精度。恒流源驅(qū)動電路的輸出電流為700 mA，確保了激發(fā)光源的穩(wěn)定性。

光電傳感器采用硅光電池, 最大暗電流為30 nA，直接將光信號轉(zhuǎn)換為微弱的電流信號。在光電傳感器前端加入了濾光片的設(shè)計(jì)，濾光片的中心波長為660 nm，帶寬為10 nm。濾光片可以有效的防止其他波長光的干擾，尤其是激發(fā)光源的干擾。

放大電路采用高精度儀表放大器AD620，具有高精度(最大非線性度40×10-6)、低失調(diào)電壓(最大50 μV)、低噪聲的特性。光電傳感器檢測得到的直流電壓信號含有隨機(jī)噪聲，噪聲信號分布在頻譜中頻率較高的區(qū)域，因此，在硬件上使用型號為LTC1569—7芯片組成低通濾波器濾除噪聲信號。A/D轉(zhuǎn)換采用16位A/D轉(zhuǎn)換器AD7705，其精度為0.002 %。裝置工作流程如圖2所示。

圖2 裝置工作流程

裝置的檢測周期為30 s，可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)快速檢測。利用單片機(jī)定時器實(shí)現(xiàn)精確定時：打開注射泵，定量抽取5 mL待測溶液;打開激發(fā)光源，為了保證激發(fā)光源的穩(wěn)定性，信號的采集在激發(fā)光源開啟5 s后進(jìn)行;單片機(jī)程序控制每個檢測周期連續(xù)采樣30個數(shù)據(jù)，取平均值作為最后的測量結(jié)果。該算法從軟件上可以有效消除檢測過程中的隨機(jī)誤差。

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

裝置結(jié)構(gòu)采用獨(dú)特的模塊化設(shè)計(jì)，并滿足激發(fā)光源和光電傳感器密閉性的要求。比色皿嵌套在黑色塑料外殼中作為待測溶液的檢測池，避免了外界光源對檢測結(jié)果的影響。定制的石英玻璃比色皿，具有足夠的透光率。激發(fā)光源和光電傳感器的安裝方向垂直，光電傳感器才可以有效檢測到熒光。裝置模塊采用分段式的結(jié)構(gòu)，上下層之間用螺絲固定，便于拆卸和檢修，裝置結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 裝置結(jié)構(gòu)

采用實(shí)驗(yàn)室自主開發(fā)的注射泵采集待測溶液，比色皿無需清洗，每次用注射泵抽取多余的待測溶液對比色皿進(jìn)行潤洗，避免前次溶液對本次測量結(jié)果的影響。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 標(biāo)準(zhǔn)曲線

選取實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)的微囊藻溶液，配置濃度為275，346 mg/L。采用去離子水逐步稀釋的方法，分別測量了346，275，137.5，68.75，34.375 mg/L和空白(0 mg/L)水樣共6組不同濃度藍(lán)藻的電壓數(shù)據(jù)。每組溶液的電壓數(shù)據(jù)連續(xù)采樣30次取平均值得到的結(jié)果,相應(yīng)的測量結(jié)果為：2 085,2 033,1 913,1 836,1 779,1 744 mV。

將上述數(shù)據(jù)線性擬合，得出的藍(lán)藻濃度與電壓值之間的線性回歸方程為y=1.001 2x-1 756.9，相關(guān)系數(shù)為0.989。對多個樣品數(shù)據(jù)的測量、分析可知，本裝置檢測藍(lán)藻濃度范圍為0～346 mg/L時具有較好的線性關(guān)系。

3.2 準(zhǔn)確性檢驗(yàn)

分別配置濃度為1.8,45.3,168.2,335.7 mg/L的4種不同濃度的溶液，每個濃度溶液進(jìn)行3個平行樣，對測定的藍(lán)藻濃度計(jì)算平均值與相對誤差以檢驗(yàn)準(zhǔn)確度，如表1。

表1 標(biāo)準(zhǔn)溶液準(zhǔn)確度檢驗(yàn)

3.3 實(shí)際水樣檢測結(jié)果分析

在無錫市太湖大堤沿線選取4處不同的取水地點(diǎn)。方法一在實(shí)驗(yàn)室將待測實(shí)際水樣過濾、烘干、稱重的人工方法計(jì)算藍(lán)藻濃度；方法二利用本裝置測量實(shí)際水樣藍(lán)藻濃度。對比結(jié)果如表2所示。

表2 實(shí)際水樣檢測結(jié)果

4 結(jié) 論

本文基于熒光法原理設(shè)計(jì)了一種藍(lán)藻檢測裝置，建立了藍(lán)藻濃度和裝置測量電壓值之間的線性關(guān)系。裝置具有成本低，結(jié)構(gòu)簡單，準(zhǔn)確度高的優(yōu)點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，藍(lán)藻濃度在一定范圍內(nèi)與電壓值之間具有良好的線性關(guān)系。本裝置可以廣泛應(yīng)用于江河湖泊的藍(lán)藻濃度監(jiān)測，對預(yù)警藍(lán)藻爆發(fā)有一定的指導(dǎo)意義。