CN108279225A - 海水藻类赤潮及其毒性检测光学原位传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种海水藻类赤潮及其毒性检测光学原位传感器，包括：光源模块、参考光检测模块、样品池及散射光检测模块、反射荧光检测模块和信号驱动与处理模块；信号驱动与处理模块驱动光源模块为藻类赤潮及毒性检测提供单色紫外光，参考光检测模块将单色紫外光分为参考光和探测光，并对参考光进行探测，探测信号用于背景参考光补偿；探测光进入样品池及散射光检测模块，照射待检测海水，反射回的荧光经由反射荧光检测模块检测；检测信号和探测信号均发送至信号驱动与处理模块，实现藻类赤潮及毒性检测传感器的内部自补偿，完成海水藻类赤潮及毒性的测量。本发明设备小巧、集成度高，可实现原位在线测量，检测精度高。
Description
技术领域
本发明属于藻类赤潮及毒性检测技术领域，涉及一种基于三维荧光光谱的海水藻类赤潮及其毒性检测光学原位传感器。
背景技术
赤潮(harmful algal bloom,HAB)，又称红潮，是在特定的环境条件下，海水中某些浮游植物、原生动物或细菌爆发性增殖或高度聚集而引起水体变色的一种有害生态现象。赤潮有时可使鱼类等水生动物遭受很大危害，这是由于赤潮浮游生物堵塞鱼鳃，引起机械障碍，它们死后分解，迅速消耗氧气，水中氧气不足，以及分泌有害物质等造成的。鱼毒性(Ichthyotoxic)赤潮可产生多种有毒物质，在短时间内致使鱼类和贝类大量死亡。鱼毒性赤潮藻类已经广泛分布于我国沿海，严重污染了我国海产养殖环境，制约我国沿海海水养殖业的可持续健康发展。
目前海水藻类赤潮及毒性的检测方法主要包括以下三类：一是基于色素光谱法，二是基于荧光光谱法，三是采用在线可视化单细胞拍摄技术。由于浮游植物的吸收光谱易受黄色物质及光保护色素的影响，从而限制了色素光谱法的进一步发展。随着近年来荧光检测技术和图像分析处理技术的进步，三维荧光光谱技术和可视化单细胞拍摄技术在藻类识别方面得到快速发展，且三维荧光光谱技术日益成熟，目前已开发出多种应用于石油、多氯联苯、生物激素和微藻识别等方面的专业设备。中国专利(专利号CN201410648240.2)公开了一种用于识别鱼毒性藻类的三维荧光标准光谱库的构建方法，该方法通过鱼毒性藻类在不同生长时期和环境因子调控下的溶血毒素和叶绿素三维荧光光谱的研究，通过聚类方法，建立三维荧光标准光谱库，用来识别鱼毒性藻类及其毒性大小。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是：提供一种海水藻类赤潮及其毒性检测光学原位传感器，得到藻类叶绿素浓度和溶血毒素三维荧光光谱，实现自动测定和数据处理，实现海水藻类赤潮及毒性的自动在线原位检测，达到反应快速、免维护、自主运行的效果。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供一种海水藻类赤潮及其毒性检测光学原位传感器，其包括：光源模块、参考光检测模块、样品池及散射光检测模块、反射荧光检测模块和信号驱动与处理模块；信号驱动与处理模块驱动光源模块为藻类赤潮及毒性检测提供单色紫外光，参考光检测模块将单色紫外光分为参考光和探测光，并对参考光进行探测，探测信号用于背景参考光补偿；探测光进入样品池及散射光检测模块，照射待检测海水，反射回的荧光经由反射荧光检测模块检测；检测信号和探测信号均发送至信号驱动与处理模块，实现藻类赤潮及毒性检测传感器的内部自补偿，完成海水藻类赤潮及毒性的测量。
其中，所述光源模块包括LED阵列2和可调滤光阵列3，LED阵列2输出端连接线性可调滤光阵列3，将输出紫外光滤为单色紫外光。
其中，所述参考光检测模块包括分光镜4和光探测器11，分光镜4位于单色紫外光出射光路上，镜面与单色紫外光出射方向呈45°角，单色紫外光经分光镜4后，透过的光束作为探测光，反射的光束作为参考光，光探测器11位于参考光光路上，探测信号用于背景参考光补偿。
其中，所述分光镜4对单色紫外光的反射率为10～30％。
其中，所述样品池及散射光检测模块包括二元透反射镜5、第一准直器6、样品池7，二元透反射镜6位于光源出射光路上分光镜4之后，镜面与光源照射方向呈45°角，在其反射光光路上依次布置第一准直器6、样品池7，第一准直器6在二元透反射镜5和样品池7之间布置，以将紫外光汇聚于样品池7内，样品池7中盛放待检测海水。
其中，所述反射荧光检测模块包括第二准直器8、衍射光栅9、电子倍增CCD10，第二准直器8和衍射光栅9位于第一准直器6及样品池7相反一侧，用于收集从样品池7反射回的荧光，反射荧光经第二准直器8准直，衍射光栅9将经过准直的反射荧光展开成按波长排列的光谱，电子倍增CCD10位于衍射光栅9形成的反射光谱位置处，将荧光光谱的光信号转变成电信号。
其中，所述传感器的工作原理为：LED阵列2发出的光经线性可调滤波阵列3输出单色光，再经分光镜4得到探测光和参考光；参考光用于消除背景光干扰，探测光经二元透反射镜5后转向进入样品池7照射在被测海水中，产生透射光、反射荧光；反射荧光经衍射光栅9后形成按波长排列的光谱由电子倍增CCD10变成电信号，收集不同激发波长产生的荧光可形成三维荧光光谱，该光谱与参考背景光信息通过信号驱动与处理系统1实现藻类赤潮及毒性检测传感器的内部自补偿，完成海水藻类赤潮及毒性的测量。
其中，利用所述传感器进行海水藻类赤潮及毒性测量的过程如下：
步骤一：打开信号驱动与处理系统1，驱动LED阵列2发出的紫外光，经线性可调滤波阵列3射出单色紫外光；
步骤二：单色紫外光经分光镜4分为探测光和参考光，探测器11探测参考光；
步骤三：探测光经二元透反射镜5后转向进入样品池7后产生反射荧光，反射荧光经第二准直器8和衍射光栅9后形成按波长排列的光谱，由电子倍增CCD10收集不同激发波长产生的荧光，形成三维荧光光谱；
步骤五：信号驱动与处理系统1处理由电子倍增CCD10和探测器11得到的信号，并参考背景光，完成藻类叶绿素浓度和溶血毒素的含量检测，实现对藻类赤潮及毒性的测量。
(三)有益效果
上述技术方案所提供的海水藻类赤潮及其毒性检测光学原位传感器，与现有技术相比，具有的优点包括：1.基于光谱方法检测，不用添加化学试剂；2.设备小巧、集成度高，可实现原位在线测量；3.三维荧光光谱信息与参考背景光信息联用，有效提升检测精度。
附图说明
图1为本发明实施例原理示意图。
图中，1-信号驱动与处理系统；2-LED阵列；3-线性可调滤光阵列；4-分光镜；5-二元透反射镜；6-第一准直器；7-样品池；8-第二准直器；9-衍射光栅；10-电子倍增CCD；11-光探测器。
具体实施方式
为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
参照图1所示，本发明海水藻类赤潮及其毒性检测光学原位传感器包括光源模块、参考光检测模块、样品池及散射光检测模块、反射荧光检测模块和信号驱动与处理模块；信号驱动与处理模块驱动光源模块为藻类赤潮及毒性检测提供单色紫外光，参考光检测模块将单色紫外光分为参考光和探测光，并对参考光进行探测，探测信号用于背景参考光补偿；探测光进入样品池及散射光检测模块，照射待检测海水，反射回的荧光经由反射荧光检测模块检测；检测信号和探测信号均发送至信号驱动与处理模块，实现藻类赤潮及毒性检测传感器的内部自补偿，完成海水藻类赤潮及毒性的测量。
所述的光源模块中发光装置为LED阵列2，LED阵列2输出端连接线性可调滤光阵列3，将输出紫外光滤为单色，激发波长范围为400～600nm，发射波长范围为650～750nm。
所述的参考光检测模块包括分光镜4和光探测器11，分光镜4位于光源出射光路上，镜面与光源出射方向呈45°角，反射率为10～30％；分光镜4将单色紫外光分为垂直的两束，一束作为探测光，一束作为参考光，光探测器11位于参考光光路上(与光源出射方向呈90°角)，探测信号用于背景参考光补偿。
所述的样品池及散射光检测模块包括二元透反射镜5、第一准直器6、样品池7，二元透反射镜6位于光源出射光路上分光镜4之后，镜面与光源照射方向呈45°角，在其反射光光路上依次布置第一准直器6、样品池7，第一准直器6在二元透反射镜5和样品池7之间布置，以将紫外光汇聚于样品池7内，样品池7中盛放待检测海水。
所述的反射荧光检测模块包括第二准直器8、衍射光栅9、电子倍增CCD10，第二准直器8和衍射光栅9位于第一准直器6及样品池7相反一侧，用于收集从样品池7反射回的荧光，反射荧光经第二准直器8准直，衍射光栅9将经过准直的反射荧光展开成按波长排列的光谱，电子倍增CCD10位于衍射光栅9形成的反射光谱位置处，将荧光光谱的光信号转变成电信号。
所述的参考光检测模块探测的参考光信号、反射荧光检测模块所转化的电信号均通过信号线连接到信号驱动与处理模块1，通过信号驱动与处理模块1实现藻类赤潮及毒性检测传感器的内部自补偿，完成海水藻类赤潮及毒性的测量。
本发明传感器的工作原理为：LED阵列2发出的光经线性可调滤波阵列3输出单色光，再经分光镜4得到探测光和参考光；参考光用于消除背景光干扰，探测光经二元透反射镜5后转向进入样品池7照射在被测海水中，产生透射光、反射荧光；反射荧光经衍射光栅9后形成按波长排列的光谱由电子倍增CCD10变成电信号，收集不同激发波长产生的荧光可形成三维荧光光谱，该光谱与参考背景光信息通过信号驱动与处理系统1实现藻类赤潮及毒性检测传感器的内部自补偿，完成海水藻类赤潮及毒性的测量。
通过信号驱动与处理系统1实现藻类赤潮及毒性检测传感器的内部自补偿，完成海水藻类赤潮及毒性测量的过程如下：
步骤一：打开信号驱动与处理系统1，驱动LED阵列2发出的紫外光，经线性可调滤波阵列3射出单色紫外光；
步骤二：出射光经分光镜4分为探测光和参考光，探测器11探测参考光；
步骤三：探测光经二元透反射镜5后转向进入样品池7后产生反射荧光，反射荧光经第二准直器8和衍射光栅9后形成按波长排列的光谱，由电子倍增CCD10收集不同激发波长产生的荧光，形成三维荧光光谱；
步骤五：信号驱动与处理系统1处理由电子倍增CCD10和探测器11得到的信号，并参考背景光，完成藻类叶绿素浓度和溶血毒素的含量检测，实现对藻类赤潮及毒性的测量。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种海水藻类赤潮及其毒性检测光学原位传感器，其特征在于，包括：光源模块、参考光检测模块、样品池及散射光检测模块、反射荧光检测模块和信号驱动与处理模块；信号驱动与处理模块驱动光源模块为藻类赤潮及毒性检测提供单色紫外光，参考光检测模块将单色紫外光分为参考光和探测光，并对参考光进行探测，探测信号用于背景参考光补偿；探测光进入样品池及散射光检测模块，照射待检测海水，反射回的荧光经由反射荧光检测模块检测；检测信号和探测信号均发送至信号驱动与处理模块，实现藻类赤潮及毒性检测传感器的内部自补偿，完成海水藻类赤潮及毒性的测量。
2.如权利要求1所述的海水藻类赤潮及其毒性检测光学原位传感器，其特征在于，所述光源模块包括LED阵列(2)和可调滤光阵列(3)，LED阵列(2)输出端连接线性可调滤光阵列(3)，将输出紫外光滤为单色紫外光。
3.如权利要求2所述的海水藻类赤潮及其毒性检测光学原位传感器，其特征在于，所述参考光检测模块包括分光镜(4)和光探测器(11)，分光镜(4)位于单色紫外光出射光路上，镜面与单色紫外光出射方向呈45°角，单色紫外光经分光镜(4)后，透过的光束作为探测光，反射的光束作为参考光，光探测器(11)位于参考光光路上，探测信号用于背景参考光补偿。
4.如权利要求3所述的海水藻类赤潮及其毒性检测光学原位传感器，其特征在于，所述分光镜(4)对单色紫外光的反射率为10～30％。
5.如权利要求3所述的海水藻类赤潮及其毒性检测光学原位传感器，其特征在于，所述样品池及散射光检测模块包括二元透反射镜(5)、第一准直器(6)、样品池(7)，二元透反射镜(6)位于光源出射光路上分光镜(4)之后，镜面与光源照射方向呈45°角，在其反射光光路上依次布置第一准直器(6)、样品池(7)，第一准直器(6)在二元透反射镜(5)和样品池(7)之间布置，以将紫外光汇聚于样品池(7)内，样品池(7)中盛放待检测海水。
6.如权利要求5所述的海水藻类赤潮及其毒性检测光学原位传感器，其特征在于，所述反射荧光检测模块包括第二准直器(8)、衍射光栅(9)、电子倍增CCD(10)，第二准直器(8)和衍射光栅(9)位于第一准直器(6)及样品池(7)相反一侧，用于收集从样品池(7)反射回的荧光，反射荧光经第二准直器(8)准直，衍射光栅(9)将经过准直的反射荧光展开成按波长排列的光谱，电子倍增CCD(10)位于衍射光栅(9)形成的反射光谱位置处，将荧光光谱的光信号转变成电信号。
7.如权利要求6所述的海水藻类赤潮及其毒性检测光学原位传感器，其特征在于，所述传感器的工作原理为：LED阵列(2)发出的光经线性可调滤波阵列(3)输出单色光，再经分光镜(4)得到探测光和参考光；参考光用于消除背景光干扰，探测光经二元透反射镜(5)后转向进入样品池(7)照射在被测海水中，产生透射光、反射荧光；反射荧光经衍射光栅(9)后形成按波长排列的光谱由电子倍增CCD(10)变成电信号，收集不同激发波长产生的荧光可形成三维荧光光谱，该光谱与参考背景光信息通过信号驱动与处理系统(1)实现藻类赤潮及毒性检测传感器的内部自补偿，完成海水藻类赤潮及毒性的测量。
8.如权利要求6所述的海水藻类赤潮及其毒性检测光学原位传感器，其特征在于，利用所述传感器进行海水藻类赤潮及毒性测量的过程如下：
步骤一：打开信号驱动与处理系统(1)，驱动LED阵列(2)发出的紫外光，经线性可调滤波阵列(3)射出单色紫外光；
步骤二：单色紫外光经分光镜(4)分为探测光和参考光，探测器(11)探测参考光；
步骤三：探测光经二元透反射镜(5)后转向进入样品池(7)后产生反射荧光，反射荧光经第二准直器(8)和衍射光栅(9)后形成按波长排列的光谱，由电子倍增CCD(10)收集不同激发波长产生的荧光，形成三维荧光光谱；
步骤五：信号驱动与处理系统(1)处理由电子倍增CCD(10)和探测器(11)得到的信号，并参考背景光，完成藻类叶绿素浓度和溶血毒素的含量检测，实现对藻类赤潮及毒性的测量。
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Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109655110A (zh) * | 2019-01-02 | 2019-04-19 | 南京大学 | 复合封装led光源及基于该光源的水质监测装置 |
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Citations (3)
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| CN104316505A (zh) * | 2014-11-14 | 2015-01-28 | 深圳市朗诚实业有限公司 | 用于识别鱼毒性藻类的三维荧光标准光谱库的构建和应用 |
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- 2018-02-09 CN CN201810132036.3A patent/CN108279225A/zh active Pending
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