绿藻浓度荧光检测系统的研究.pdf

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1、第33卷第1／2期东北电力大学学报V0I．33．No．1／22013年4月JournalOfNortheastDianiiUniversityApr．，2013文章编号：1005—2992(2013)01／02—0189—04绿藻浓度荧光检测系统的研究尹文佳，李或，徐元哲2(1．东北电力大学自动化工程学院，吉林吉林132012；2．琼州学院理工学院，三亚572022)摘要：绿藻的过度繁殖是造成水华现象的主要原因，如何做好绿藻浓度的检测是目前的重要工作。基于绿藻中叶绿素一。分子的荧光光谱特性，设计了一种检

2、测绿藻浓度的装置，分析了该检测方法的基本原理，阐述了该装置的结构和测试过程。通过实验与数据分析，结果表明：系统设计合理实用，测量精度为0．02L。绿藻浓度与荧光比值成明显线性关系，线性相关系数为0．9987；应用对数式除法电路后的激发光强与荧光比值的线性效果良好。关键词：水华现象；绿藻浓度；荧光检测法；对数式除法电路中图分类号：X85文献标识码：A近年来，世界经济的迅速发展，湖泊水体富营养化程度加剧、绿藻等藻类过度繁殖堆积水面、水体中大量生物因缺氧而死亡，进而造成水华现象的爆发，严重的危害了人们日常生产

3、、生活、生命健康和生态环境。为了做好水华现象的预警工作，国内外大部分学者对水体中藻类浓度测量展开了研究¨叫J。水体富营养化可以通过检测绿藻中叶绿素含量来实现，其中叶绿素一0含量最高。叶绿素一口的浓度是表征水体富营养化程度的主要参数』，现有的对于叶绿素一口浓度的检测方法有分光光度法、高效液相色谱法、实验室荧光光谱法和遥感法。前三种方法都可以归结为实验室法，都需要对藻类等浮游植物进行叶绿素的萃取工作，操作步骤十分繁琐，而且大多需要有经验者做出经验分析。遥感航拍的方法固然可以大面积测量水域的叶绿素一口浓度，但

4、是由于航线、背景光以及高度的限制，在测量精度方面难以保证。本研究设计了一种以高亮度、强稳定性的紫色激光调制光作为激发光源，将光学技术、荧光检测技术和对数式除法电路相结合的快速检测叶绿素一0浓度的装置，实验结果表明该装置在保证测量精度的条件下，实用性好，操作简单，稳定快速，为叶绿素一a检测技术提供了新的思路。1测量原理当用一特定波长的光照射某种物质的分子时，受到激发后的分子会以辐射跃迁形式将其吸收的能量释放返回基态时，便会发射出波长大于激发光的光，称之为荧光6J。不同的荧光物质，由于它们分子结构和能量分布

5、的差异，各自显示出不同的吸收光谱和荧光光谱特性J。如图1所示为大量实验后得到的叶绿素一0分子的激发光谱和荧光发射光谱。图1叶绿素一。的激发光光谱和荧光发射光谱我们可以清晰地看到，当激发光中心波长为435nIn时，叶绿素一。分子发出峰值荧光波长为685nm的荧光。藻类叶绿素一0分子经过某一特定波长激发后，所发射的荧光强度为：收稿日期：2012—09—14作者简介：尹文佳(1988一)，女，吉林省吉林市人，东北电力大学自动化工程学院在读硕士研究生，主要研究方向：智能检测及传感器技术．l90东北电力大学学报第

6、33卷F=kQIo(1一e)，(1)其中，k为仪器常数；Q为物质荧光效率；，n为激励光光强；c为物质浓度；6为样品光程差；8为摩尔吸收系数。只要k，Q，10，b，8一定，则c和F成一定数学关系。由于浮游植物浓度不只在同一个数量级，故采用对数形式，将(1)式取对数得：C=A—Big(D—F)，(2)^^，’其中，A~lg(kQIo)，B，D=尼当待测量的荧光物质确定后、B、D均为常数，由(2)式可知，叶绿素一a浓度只与荧光强度有关，故采用荧光方法检测叶绿素一a浓度是可行的。由于荧光强度会因光源的不稳定发生

7、变化，影响测量的准确性，故本研究将其转化为荧光比值来计算叶绿素一a的浓度。2系统设计该装置主要监测系统的设计图如图2所示。在光学传感器模块中，激发光源采用自身带有负反馈的功率为50mw，中心波长为435nm的紫色⋯，u仪器‘_．_光电二扳管c激光头，由STC89C51单片机控制发出的频率为机械2KHz的调制波。该光源较之以往的氙灯、LED等光．_-测量槽加工源具有高稳定性、强持续性以及高亮度、低损耗等特．-685m~光片概念点，可保证光源精度以及硬件电路的简易性。在探一荧光图头内部435nm干涉滤光片下

8、面放置的分光棱镜将一定比例的紫色激光引出，作为参考光使用。探头中图2硬件电路设计框图部为测量槽，同时装有四根直角镀膜棱镜，应用光的全反射原理，使荧光以极小的损失率全部被收集起来。在685nm干涉滤光片下方放置的凸透镜将产生的荧光全部汇聚照射到放置于焦点处的光电二极管上，减少能量损失。在对数式除法电路模块中，为了避免各种外界因素及电路自身的微小变化造成激发光源的不稳定性，导致荧光值也随之变化，故采用分光棱镜将一部分参考光引出，将其转变后的电压