基於離散三維螢光光譜的浮遊植物識別測定方法與裝置製造方法
2023-12-09 11:25:21
基於離散三維螢光光譜的浮遊植物識別測定方法與裝置製造方法
【專利摘要】本發明公開了一種基於離散三維螢光光譜的浮遊植物識別測定方法與裝置，測定方法根據浮遊植物螢光光譜的指紋特徵，選擇不同光合色素對應的特徵螢光峰作為分析對象，最大程度地保留了三維螢光譜中浮遊植物特徵信息，以標準離散三維螢光光譜庫中的各特徵光譜對樣品特徵光譜進行擬合，反演出樣品中浮遊植物種類及其含量；測定裝置以多波段LED陣列作為激發光源，以多波段濾光片組作為接收螢光的波段選擇器。本發明裝置結構簡單緊湊、體積小、攜帶方便，適用用於現場浮遊植物的識別與測定，結合發明中提出的浮遊植物識別與測定方法，可實現浮遊植物現場快速的分類測量。
【專利說明】基於離散三維螢光光譜的浮遊植物識別測定方法與裝置
【技術領域】
[0001]本發明涉及環境科學領域，具體涉及一種基於離散三維螢光光譜的浮遊植物識別測定方法與裝置。
【背景技術】
[0002]浮遊植物種類和數量可以反映該區域的生態狀況，浮遊植物長期以來就被用作水質的指標生物，特別對於大面積水域，測定浮遊植物的物種和數量，對水質評價有著更為重要的實用意義。隨著我國內陸湖泊和近海海域水體富營養化，導致水體浮遊植物過量增殖，赤潮和水華頻發，迫切需要發展能夠直接、快速進行浮遊植物種類和數據分析技術與設備，為赤潮和水華監測預警提供重要手段。
[0003]浮遊植物常用的識別測定方法主要有高效液相色譜法(HPLC)、分光光度法、螢光分析法。分光光度法和HPLC具有選擇性好、分離性能和靈敏度等特點，在我國的廢水監測分析和湖泊富營養化調查廣泛應用，其中HPLC是美國EPA中標準浮遊藻類葉綠素a濃度檢測方法447.0，但這兩處方法都需要複雜而昂貴的檢測儀器、且樣品需要預處理、分析時間長、整套設備體積大、對實驗環境條件要求高、只適於在實驗室內進行測量；螢光分析法具有靈敏度高、易於實現實時現場檢測及對物質具有良好的鑑別性等優點而廣受關注，是最具發展潛力的浮遊植物快速識別測定手段。Cowles等(1993)通過測量藻紅蛋白螢光發射光譜波長的位移，推斷了海水中含藻紅蛋白浮遊植物種類和豐度的變化；Lee等(1995)根據藍藻所具有的藻藍蛋白發出的特徵激發螢光譜，建立了現場活體監測藍藻含量的螢光分析技術；Kolbowski等(1995)通過初始葉綠素突光區分開了三個主要的藻類種群；Beutler等(2002)，利用浮遊植物活體葉綠素激發螢光光譜，將浮遊植物分為四大類(綠藻，藍藻，隱藻，混合藻(含甲藻和硅藻))識別測定，建立了浮遊植物群落組成測定技術。然而，單獨利用激發或發射螢光光譜進行浮遊植物分類測量，存在的缺陷是識別與測定精度不夠，無法將色素組成相近的浮遊植物(如硅藻和甲藻)或同門類不同種類的浮遊植物分類識別，難以滿足我國赤潮和水華常見浮遊植物監測的需要。張前前等(2006)、王志剛等(2007)、蘇榮國等(2008)利用浮遊植物活體三維螢光光譜，結合平行因子、小波變換等光譜模型算法，對浮遊植物的濃度進行了分類測量。因為三維螢光光譜提供了更為豐富的指紋信息，所以能夠在更細層次上區分浮遊植物，浮遊植物識別與測定精度都有很大程度提高。但由於傳統三維螢光光譜測量儀器體積大、功耗高、光柵傳動等機構對運行穩定性要求高，使得基於三維螢光光譜的浮遊植物識別測定方法停留在實驗室樣品分析階段，難以滿足浮遊植物現場識別測定的需求。
[0004]發明目的
[0005]針對我國水體富營養化現狀和國家對赤潮和水華災害監測的急迫需求，結合浮遊植物監測方法和技術的發展方向，本發明提出了一種基於離散三維螢光光譜的浮遊植物識別測定方法，並針對浮遊植物螢光光譜特徵，設計了一種離散三維螢光光譜測定裝置，該裝置體積小、功耗低、結構簡單穩定，能夠現場檢測浮遊植物的特徵離散三維螢光光譜，實現浮遊植物種類識別與含量測定。
【發明內容】
[0006]本發明提供了一種基於離散三維螢光光譜的浮遊植物識別測定方法與裝置，可以直接測量水體中浮遊植物的群落組成和色素含量，整個操作過程無需預處理，可用於野外水體浮遊植物現場快速調查。
[0007]本發明採用的技術方案是:
[0008]一種基於離散三維螢光光譜的浮遊植物識別測定方法，其特徵在於，具體包括以下步驟:
[0009](I)首先利用螢光分光光度計測量不同門類浮遊植物連續三維螢光光譜，結合浮遊植物色素組成得到不同門類浮遊植物的螢光光譜特徵，結合目前單色發光二極體的技術水平和濾光片加工工藝，選擇 412nm、435nm、455nm、470nm、507nm、535nm、567nm、624nm、635nm、665nm 等 10 個激發波段，選擇 620nm、654nm、670nm、683nm、692nm、725nm 等 6 個發射波段，構建由36個特徵光譜點組成的離散三維螢光光譜；
[0010](2)然後，以葉綠素a濃度為統一標準，將特徵螢光光譜對葉綠素a濃度歸一化，建立不同門類浮遊藻類標準離散三維螢光光譜庫；
[0011](3)在浮遊植物標準離散三維螢光光譜庫找到與待測樣品離散三維螢光光譜最為相似的特徵譜或特徵譜組合，再轉化為線性回歸問題，即以標準離散三維螢光光譜庫中的各特徵光譜對樣品特徵光譜進行擬合，具體計算過程如下:
[0012]I)建立需要測量的浮遊植物的標準離散三維螢光光譜庫；
[0013]2)測量混合浮遊植物樣品的離散三維螢光光譜；
[0014]3)以各門類浮遊植物標準離散三維螢光光譜為自變量，混合浮遊植物樣品螢光光譜為因變量進行多元線性回歸分析，得出各門類浮遊植物葉綠素a濃度。
[0015]一種基於離散三維螢光光譜的浮遊植物識別測定裝置，其特徵在於:包括有激發-發射驅動電路、激發-發射光學系統、螢光信號檢測電路、數據採集與控制電路；所述的激發-發射驅動電路包括有數字電位器、電機驅動器，數字電位器連接恆流源、模擬開關，數字電位器與模擬開關之間連接有MOS管；所述的激發-發射光學系統包括有圓柱形的樣品池，距樣品池底部IOmm處環設有多段波的LED陣列，LED陣列與樣品池之間放置低通濾光片，樣品池底部放置有光電探測器，樣品池底與光電探測器之間設有螢光波段選擇濾光片組，螢光波段選擇濾光片組安裝在濾光片輪，濾光片輪由直流電機驅動而轉動，濾光片輪上設有光電定位孔、光耦，模擬開關的各個開關並聯並與LED陣列的各LED燈一一對應控制連接；所述的螢光信號檢測電路包括有依次連結的ΙΛ轉換電路、帶通濾波電路、可變增益放大電路、全波整流電路、低通濾波電路，光電探測器的信號輸出端與ΙΛ轉換電路的信號輸入端連接；所述的數據採集與控制電路包括有主控制器，主控制器與數據處理中心、模數轉換器連接，數據處理中心的信號輸出端與顯示屏連接，低通濾波電路的信號輸出端與模數轉換器的信號輸入端連接，主控制器與MOS管、模擬開關、電機驅動器控制連接；在主控制器的控制下，激發-發射驅動電路通過模擬開關切換多段波的LED陣列、通過直流電機控制濾光片輪切換波段選擇濾光片，實現多波段分時激發和多波段螢光分時接收，螢光信號由光電探測器轉化為電信號，電信號由螢光信號檢測電路放大調理成直流電平，直流電平信號由模數轉換器44轉換成數據字信號交數據處理中心分析處理，最終測量獲得樣品的離散三維螢光光譜，並反演得到樣品中浮遊植物種類和含量，測量結果由顯示屏輸出。
[0016]所述的一種基於離散三維螢光光譜的浮遊植物識別測定裝置，其特徵在於:所述的樣品池採用直徑為IOmm標準圓柱形石英樣品池。
[0017]所述的一種基於離散三維螢光光譜的浮遊植物識別測定裝置，其特徵在於:所述的LED陣列共由10個LED組成，激發LED的中心波長分別為412nm、435nm、455nm、470nm、507nm、535nm、567nm、624nm、635nm、665nmo
[0018]所述的一種基於離散三維螢光光譜的浮遊植物識別測定裝置，其特徵在於:所述的LED陣列與樣品池之間放置的低通濾光片的低通截止波長稍高於LED中心波長，濾除激發光中突光波段光，減小光源散射光對突光測量的影響。
[0019]所述的一種基於離散三維螢光光譜的浮遊植物識別測定裝置，其特徵在於:所述的光電探測器採用S3590-18型PIN管，與LED陣列成90°方向接收樣品螢光。
[0020]所述的一種基於離散三維螢光光譜的浮遊植物識別測定裝置，其特徵在於:所述的突光波段選擇濾光片組的波段分別為620nm、654nm、670nm、683nm、692nm、725nm。
[0021]所述的一種基於離散三維螢光光譜的浮遊植物識別測定裝置，其特徵在於:所述的激發-發射光學系統安裝在光學結構外殼中，光學結構外殼上方罩設有遮光帽。
[0022]本發明的優點簡述如下:
[0023]( I)為了區分和識別不同門的浮遊植物，本發明根據浮遊植物色素螢光光譜的指紋特徵，選擇不同光合色素對應的特徵螢光峰作為分析對象，提出了一種基於離散三維螢光光譜的浮遊植物識別與測定方法，本發明方法最大程度地保留了三維螢光譜中浮遊植物特徵信息，對浮遊植物具有較高的識別測定能力。
[0024](2)針對浮遊植物螢光光譜指紋特徵，本發明以多波段LED陣列作為激發光源，以多波段濾光片組作為接收螢光的波段選擇器，設計了一種離散三維螢光光譜測定裝置，該裝置結構簡單緊湊、體積小、攜帶方便，適用於現場浮遊植物的識別與測定。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0025]圖1為浮遊植物離散三維螢光光譜點示意圖。
[0026]圖2為離散三維螢光光譜測定裝置結構示意圖。
[0027]圖3為激發-發射驅動時序圖。
[0028]圖4為激發-發射光學系統結構示意圖。
【具體實施方式】
[0029]一、基於離散三維螢光光譜的浮遊植物識別測定方法
[0030]浮遊植物活體螢光產生於細胞光合作用過程，與光合作用色素密切相關，螢光的激發與發射波長取決於色素對光能的吸收、傳遞和釋放特性。由於不同種類浮遊植物的光合色素組成和含量各異，所以光合色素螢光具有顯著的浮遊植物種類指紋信息，是理想的浮遊植物識別測定的標誌物。
[0031]1、首先利用螢光分光光度計測量不同門類浮遊植物連續三維螢光光譜，結合浮遊植物色素組成得到不同門類浮遊植物的螢光光譜特徵，結合目前單色發光二極體的技術水平和濾光片加工工藝，本發明選擇 412nm、435nm、455nm、470nm、507nm、535nm、567nm、624nm、635nm、665nm 等 10 個激發波段，選擇 620nm、654nm、670nm、683nm、692nm、725nm 等 6 個發射
波段，構建由36個特徵光譜點組成的離散三維螢光光譜，如圖1所示。
[0032]2、然後，以葉綠素a濃度為統一標準，將特徵螢光光譜對葉綠素a濃度歸一化，建立不同門類浮遊藻類標準離散三維螢光光譜庫。
[0033]3、基於離散三維螢光光譜的浮遊植物識別測定方法的基本思想是在浮遊植物標準離散三維螢光光譜庫找到與待測樣品離散三維螢光光譜最為相似的特徵譜或特徵譜組合，可轉化為線性回歸問題，即以標準離散三維螢光光譜庫中的各特徵光譜對樣品特徵光譜進行擬合，具體計算過程如下:
[0034]I)建立需要測量的浮遊植物的標準離散三維螢光光譜庫；
[0035]2)測量混合浮遊植物樣品的離散三維螢光光譜；
[0036]3)以各門類浮遊植物標準離散三維螢光光譜為自變量，混合浮遊植物樣品螢光光譜為因變量進行多元線性回歸分析，得出各門類浮遊植物葉綠素a濃度。
[0037]二、基於離散三維螢光光譜的浮遊植物識別測定裝置
[0038]根據浮遊植物螢光光譜的指紋特徵，本發明設計了一種離散三維螢光光譜測定裝置，裝置結構如圖2所示。裝置主要由四部分組成:激發-發射驅動電路10、激發-發射光學系統20、螢光信號檢測電路30、數據採集與控制電路40。在主控制器41的控制下，激發-發射驅動電路通過模擬開關13切換多段波的LED陣列21、通過直流電機25控制濾光片輪26切換波段選擇濾光片24，實現多波段分時激發和多波段螢光分時接收，驅動時序如圖3所示。螢光信號由光電探測器27轉化為電信號，電信號由螢光信號檢測電路30放大調理成直流電平，直流電平信號由模數轉換器44轉換成數據字信號交數據處理中心42分析處理，最終測量獲得樣品的離散三維螢光光譜，並反演得到樣品中浮遊植物種類和含量，測量結果由顯示屏43輸出。
[0039]圖2中:激發-發射驅動電路10包括有恆流源11、模擬開關12、數字電位器13、MOS管14、電機驅動器15，激發-發射光學系20包括有LED陣列21、低通濾光片22、樣品池23、螢光波段選擇濾光片組24、直流電機25、濾光片輪26、光電定位孔27、光耦28、光電探測器29，螢光信號檢測電路30包括有I/V轉換電路31、帶通濾波電路32、可變增益放大電路33、全波整流電路34、低通濾波電路35，數據採集與控制電路40包括有主控制器41、數據處理中心42、顯示屏43模數轉換器44。
[0040]激發-發射光學系統20如圖4所示，光學系統中心是直徑IOmm標準圓柱形石英樣品池23 ;激發光源共由10個LED組成，距離樣品池底部IOmm處，均勻圍繞在樣品池周圍，激發 LED 的中心波長分別為 412nm、435nm、455nm、470nm、507nm、535nm、567nm、624nm、635nm、665nm, LED與樣品池23之間放置低通濾光片22，低通截止波長稍高於LED中心波長，濾除激發光中螢光波段光，減小光源散射光對螢光測量的影響；光電探測器29採用S3590-18型PIN管，放置在樣品池底部，與激發光源成90方向接收樣品螢光，樣品池底與探測器之間螢光波段選擇濾光片組24，波段分別為620nm、654nm、670nm、683nm、692nm、725nm，安裝在濾光片輪26上，由直流電機25、光電定位孔27和光耦28配合實現濾光片切換；光學結構外殼2與遮光帽I相結合實現樣品室，激發-發射光學系統進行了光學密封設計，浮遊植物的微弱螢光信號容易受外界光照影響，針對浮遊植物螢光光譜特徵，採用離散化波長的激發光發射單元和螢光探測單元設計，摒棄了傳統三維螢光光譜儀複雜的分光系統，大大簡化光學結構，減小了裝置體積和功耗。
[0041]激發-發射驅動電路10用於控制激發-發射光學系統20的激發光源LED陣列21和螢光波段選擇濾光片組24的切換。激發光源驅動電路採用恆流源驅動方式，提高光源的穩定性，使用多檔數字電位器13調節各路LED的驅動電流，讓各路LED光強都在1500ymol/m2/s左右，保障浮遊植物活體細胞受激下能夠正常光合作用；使用模擬開關12控制10路LED的切換；使用MOS管開關14對光源進行IOkHz調製，讓激發產生的螢光攜帶特定的頻率信息，以提高螢光信號測量的信噪比。濾光片輪驅動電路使用光耦檢測濾光片輪光電定位孔確定濾光片輪的位置，通過直流電機控制濾光片輪轉動，切換螢光波段選擇濾光片。激發-發射驅動電路所有控制時序由主控制器41提供。
[0042]螢光信號檢測電路30由I/V轉換電路31、帶通濾波電路32、可變增益放大電路
33、全波整流電路34和低通濾波電路35組成。I/V轉換電路使用低噪聲、高精度的放大器0PA637進行電路電壓轉化放大，轉化電阻200kΩ ;帶通濾波電路使用4階巴特沃斯濾波電路，帶通頻率IOkHz，對信號進行選頻輸出；可變增益放大電路共有100、300、900、2400四檔放大倍數，電路通過模擬開關選擇放大器的增益電阻來調節放大倍數，模擬開關由主控制器41控制；全波整流電路和低通濾波電路組成解調電路，將IOkHz正弦信號調理成直流信號，直流信號大小正比與正弦信號幅度。
[0043]數據採集與控制電路40由主控制器41、模數轉換器44、數據處理中心42、顯示屏43組成。主控制器控制激發-發射驅動和螢光檢測電路的時序，接收由模數轉換器採集的數據信號，測量得到樣品的離散三維螢光光譜；數據處理中心利用預先存儲的浮遊植物標準離散三維螢光光譜對測量的樣品螢光光譜進行擬合，反演得到不同門類浮遊植物的葉綠素a含量；樣品離散三維螢光光譜和濃度計算結果最終由顯示屏顯示輸出。
[0044]實施例
[0045]選擇藍藻門的銅綠微囊藻(Microcystis aeruginosa)、綠藻門的小球藻(Chlorella vulgaris)、娃藻門的桅杆藻(Fragilaria sp)、甲藻門的光甲藻(Glenodiniumgymnodinium)和隱藻門的卵形隱藻(Cryptomonas ovata)實驗藻種，取上述五種藻類15天的純種培養體，使用高效液相色譜法測量各純種培養體葉綠素a濃度，將純種培養體以蒸餾水稀釋一定倍數作為樣品母液，根據稀釋比例計算出樣品母液葉綠素a濃度，母液葉綠素a濃度控制在80-100 μ g/L範圍。然後，用蒸餾水將五種藻類母液分別對半稀釋成3個濃度梯度的純種樣品，再按表2所示體積比例混合配製成26種浮遊藻類混合樣品。
[0046]表I配製浮遊藻類混合樣品的體積比例
【權利要求】
1.一種基於離散三維螢光光譜的浮遊植物識別測定方法，其特徵在於，具體包括以下步驟: (1)首先利用螢光分光光度計測量不同門類浮遊植物連續三維螢光光譜，結合浮遊植物色素組成得到不同門類浮遊植物的螢光光譜特徵，結合目前單色發光二極體的技術水平和濾光片加工工藝，選擇 412nm、435nm、455nm、470 nm、507 nm、535 nm、567 nm、624 nm、635nm、665nm 等 10 個激發波段，選擇 620nm、654nm、670nm、683nm、692nm、725nm 等 6 個發射波段，構建由36個特徵光譜點組成的離散三維螢光光譜； (2)然後，以葉綠素a濃度為統一標準,將特徵螢光光譜對葉綠素a濃度歸一化,建立不同門類浮遊藻類標準離散三維螢光光譜庫； (3)在浮遊植物標準離散三維螢光光譜庫找到與待測樣品離散三維螢光光譜最為相似的特徵譜或特徵譜組合，再轉化為線性回歸問題，即以標準離散三維螢光光譜庫中的各特徵光譜對樣品特徵光譜進行擬合，具體計算過程如下: O建立需要測量的浮遊植物的標準離散三維螢光光譜庫； 2)測量混合浮遊植物樣品的離散三維螢光光譜； 3)以各門類浮遊植物標準離散三維螢光光譜為自變量，混合浮遊植物樣品螢光光譜為因變量進行多元線性回歸分析，得出各門類浮遊植物葉綠素a濃度。
2.一種基於離散三維螢光光譜的浮遊植物識別測定裝置，其特徵在於:包括有激發-發射驅動電路、激發-發射光學系統、螢光信號檢測電路、數據採集與控制電路；所述的激發-發射驅動電路包括有數字電位器、電機驅動器，數字電位器連接恆流源、模擬開關，數字電位器與模擬開關之間連接有MOS管；所述的激發-發射光學系統包括有圓柱形的樣品池，距樣品池底部IOmm處環設有多段波的LED陣列，LED陣列與樣品池之間放置低通濾光片，樣品池底部放置有光電探測器，樣品池底與光電探測器之間設有螢光波段選擇濾光片組，螢光波段選擇濾光片組安裝在濾光片輪，濾光片輪由直流電機驅動而轉動，濾光片輪上設有光電定位孔、光耦，模擬開關的各個開關並聯並與LED陣列的各LED燈一一對應控制連接；所述的螢光信號檢測電路包括有依次連結的ΙΛ轉換電路、帶通濾波電路、可變增益放大電路、全波整流電路、低通濾波電路，光電探測器的信號輸出端與ΙΛ轉換電路的信號輸入端連接；所述的數據採集與控制電路包括有主控制器，主控制器與數據處理中心、模數轉換器連接，數據處理中心的信號輸出端與顯示屏連接，低通濾波電路的信號輸出端與模數轉換器的信號輸入端連接，主控制器與MOS管、模擬開關、電機驅動器控制連接；在主控制器的控制下，激發-發射驅動電路通過模擬開關切換多段波的LED陣列、通過直流電機控制濾光片輪切換波段選擇濾光片，實現多波段分時激發和多波段螢光分時接收，螢光信號由光電探測器轉化為電信號，電信號由螢光信號檢測電路放大調理成直流電平，直流電平信號由模數轉換器44轉換成數據字信號交數據處理中心分析處理，最終測量獲得樣品的離散三維螢光光譜，並反演得到樣品中浮遊植物種類和含量，測量結果由顯示屏輸出。
3.根據權利要求2所述的一種基於離散三維螢光光譜的浮遊植物識別測定裝置，其特徵在於:所述的樣品池採用直徑為IOmm標準圓柱形石英樣品池。
4.根據權利要求2所述的一種基於離散三維螢光光譜的浮遊植物識別測定裝置，其特徵在於:所述的LED陣列共由10個LED組成，激發LED的中心波長分別為412nm、435nm、455nm、470 nm、507 nm、535 nm、567 nm、624 nm、635 nm、665nm。
5.根據權利要求2或4所述的一種基於離散三維螢光光譜的浮遊植物識別測定裝置，其特徵在於:所述的LED陣列與樣品池之間放置的低通濾光片的低通截止波長稍高於LED中心波長。
6.根據權利要求2所述的一種基於離散三維螢光光譜的浮遊植物識別測定裝置，其特徵在於:所述的光電探測器採用S3590-18型PIN管，與LED陣列成90°方向接收樣品螢光。
7.根據權利要求2所述的一種基於離散三維螢光光譜的浮遊植物識別測定裝置，其特徵在於:所述的突光波段選擇濾光片組的波段分別為620nm、654nm、670nm、683nm、692nm、725nm。
8.根據權利要求2所述的一種基於離散三維螢光光譜的浮遊植物識別測定裝置，其特徵在於:所述的激發-發射光學系統安裝在光學結構外殼中，光學結構外殼上方罩設有遮光帽。`
【文檔編號】G01N21/64GK103868901SQ201410098594
【公開日】2014年6月18日 申請日期:2014年3月14日 優先權日:2014年3月14日
【發明者】殷高方, 趙南京, 胡麗, 石朝毅, 餘曉婭, 方麗, 段靜波, 肖雪, 甘婷婷, 董欣欣, 張玉鈞, 劉建國, 劉文清 申請人:中國科學院合肥物質科學研究院