蓝藻抗干扰原位检测的方法研究与系统设计

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1、蓝藻抗干扰原位检测的方法研究与系统设计(申请清华大学理学硕士学位论文)培养单位：生命科学学院学科：海洋生物学研究生：类成龙指导教师：蔡中华教授二○一七年五月Anti-interferenceMethodandSystemDesigninsituDetectionofCyanobacteriaDissertationSubmittedtoTsinghuaUniversityinpartialfulfillmentoftherequirementforthedegreeofMasterofScienceinMarine

2、BiologybyChenglongLeiThesisSupervisor:ProfessorCaiZhong-HuaMay,2017摘要摘要水华作为威胁全球水环境安全的最重要问题之一，给人类的生产生活与生态系统带来了巨大灾难。尤其近些年来，我国淡水湖泊经常爆发水华，其破坏水体生态系统，严重威胁人类公众健康。因此，实时、快速的检测淡水水体中蓝藻的生物量是监测蓝藻水华发生的必要条件。目前的研究方法中，荧光法普遍被研究者和环保工作者所使用，然而在用荧光法以藻蓝蛋白作为特征色素检测蓝藻的过程中，其他真核藻类所含色素以及蓝

3、藻细胞内含有的叶绿素a对藻蓝蛋白的检测产生荧光干扰，这使得蓝藻测量结果不准确。本论文利用藻蓝蛋白的荧光特性，以识别蓝藻并精确检测其生物量为目的，探究一种蓝藻生物量检测过程中抗荧光干扰的方法，并设计了一种提高蓝藻检测精度的传感器系统。本研究的开展基于朗伯比尔定律与解耦控制理论，提出一种在利用荧光法检测混合色素中筛选激发色素时的激发光波长和检测荧光强度时的发射光波长以达到色素之间荧光干扰最小的方法。然后利用多元线性回归分析，建立荧光法检测色素浓度时的多元校正反馈式分段线性模型，实现混合色素检测过程中的解耦。从而在检测蓝

4、藻的过程中，排除其他真核藻类的干扰，提高蓝藻生物量的检测精度。通过实验开展对叶绿素a、叶绿素b和藻蓝蛋白三种色素荧光光谱特性的研究，以及对铜绿微囊藻和小球藻混合培养液的检测，得出结果：叶绿素a以波长为442nm的光激发，以波长为682nm的发射光检测；叶绿素b以波长为464nm的光激发，以波长为664nm的发射光检测；藻蓝蛋白以594nm的光激发，以波长为646nm的发射光检测，三者可实现荧光效应耦合的最小。而后建立多元校正反馈式线性模型，实现三种色素的精确检测。结合以上理论研究，本文综合了生物光学、电子技术以及计

5、算机技术等知识，设计了一种抗荧光干扰检测蓝藻生物量的传感器系统。该系统可同时实现藻蓝蛋白与叶绿素a的精确检测，从而提高蓝藻检测的精度，为水华发生的预警提供技术基础。关键词：藻蓝蛋白；叶绿素；荧光检测；解耦；抗荧光干扰；传感器IAbstractAbstractBloominghasbecomeoneofthemostimportantissuesthatthreatentheglobalwaterenvironment,whichbringsgreatdisastertoourproduction,lifeandec

6、osystems.Inrecentyears,bloomoftenburstsinChina'sfreshwaterlakeswhichhasdestroyedthebalanceofwaterecosystems.What’smore,lotsofalgaltoxinsreleasedbycyanobacteriaarebigthreatstoourhealth.Soitisnecessarytodetecttheplanktonicalgaewhichleadstothebloominatimly,portab

7、le,fastandaccurateway.Therearemanyshortcomingsinthecurrentresearchmethod,suchascomplexprocess,timelag,highpriceandlowefficiency.Besides,thereareunavoidablefluorescenceinterferencesamongthepigmentswithfluorescenceanalysis,whichresultsintheunaccuracydetection.Ba

8、sedonthethedecouplingcontrolandtheLambert'sLaw,wedescribeamethodtoimprovetheaccuracyofphycocyanininsitudetectionbyanti-fluorescenceinterferencedecouplingalgorithm,excludingthecoupl