CN114088622A - 一种近紫外激光诱导叶绿素荧光的水体藻类浓度检测装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种近紫外激光诱导叶绿素荧光的水体藻类浓度检测装置及方法，属于光电检测领域。本发明所述方法采用波长405nm，功率100mw的近紫外半导体激光器作为激发光源，发出的激光束经过石英圆柱透镜二维扩束后形成扇形光，垂直照射到含藻类的水体样品上，水体样品中藻类所含叶绿素a受到激发之后，发出波长685nm的荧光，硅光电池接收并产生电信号，通过测量荧光强度所对应的电压值来确定含藻类水体中的藻类的浓度值。本发明装置结构简单，稳定性好，成本低，精度高，即使是在水体藻类浓度很低的情况下，也可以检测出叶绿素荧光信号，可实现水体中藻类浓度的现场实时多点检测。
Description
技术领域
本发明涉及一种近紫外激光诱导叶绿素荧光的水体藻类浓度检测装置及方法，属于光电检测领域。
背景技术
叶绿素广泛存在于水中藻类及其它浮游植物中，其中叶绿素a的含量是最高的，是衡量水体藻类生物量的主要标志。因此测定水体藻类浓度，可以通过测定叶绿素浓度来实现。目前，测定叶绿素浓度的主要方法有分光光度法，高效液相色谱法，遥感法，荧光法等。其中分光光度法和高效液相色谱法属于实验室分析法，专业性强，效率低，分析周期长且无法进行实时监测，遥感法仅适用于大面积水体检测，不适用于小面积水体检测，且受天气因素影响很大。其中因荧光法具有测定速度快，灵敏度高，实时性好，无需试剂，不会造成二次污染，且可以实现在线检测，荧光法已成为测定水体藻类浓度的主要方法之一。
现有的荧光法存在的不足为：首先，荧光法中常用的激发光源是：LED激发光源，由于LED光源光功率密度比较小，激发出的荧光信号也会比较弱，方向性差；其次，荧光法中常用感光面积小的光电传感器，光电传感器感光面积越小，接收到的荧光光通量越小，当水体藻类浓度很低时，感光面积小的光电传感器，接收荧光信号及其微弱，其输出信号可能湮没在噪声中，测量不出水体藻类浓度；最后，荧光法中多用传统的球面镜对光束汇聚，但经过聚光镜的光束在三维空间内仍然发散形成光锥，进入到比色皿的光通量会很小，激发产生的叶绿素荧光较弱。
发明内容
本发明的目的在于提供一种近紫外激光诱导叶绿素荧光的水体藻类浓度检测装置，其结构简单、速度快、精度高；包括激光光源调节支架台1、半导体激光器2、石英圆柱透镜3、光学玻璃比色皿4、硅光电池Ⅰ5、硅光电池Ⅱ6、信号处理与放大模块7、显示模块8、进水泵9、出水泵10、遮光板11；半导体激光器2和石英圆柱透镜3安装在激光光源调节支架台1上，半导体激光器2为石英圆柱透镜3的正上方，二者的高度均可调节；光学玻璃比色皿4的两侧分别设有硅光电池Ⅰ5、硅光电池Ⅱ6，硅光电池Ⅰ5、硅光电池Ⅱ6的放置方向与光源方向垂直；硅光电池Ⅰ5、硅光电池Ⅱ6串联后与放大模块7连接，信号处理与放大模块7与显示模块8连接，光学玻璃比色皿4的上方放置有遮光板11，光学玻璃比色皿4内分别与进水泵9和出水泵10连接。
优选的，本发明所述半导体激光器2为大功率半导体近紫外光激光器，其波长为405nm，功率为100mw。对于405nm近紫外光，人眼视觉可见，方便调试光路，避免光线进入到人眼伤害到眼睛；其次，玻璃对405nm的近紫外光有部分吸收作用，很大程度上避免了水体中的微小颗粒物产生散射后，照射到硅光电池的感光面上，提高测量精度，减小实验误差；最后，叶绿素有两个特征吸收峰，一个位于蓝紫光440nm处，另一个位于红光660nm处，但是叶绿素a在440nm处吸收效果更强。因此选择了440nm附近的405nm的近紫外光；激发光源功率的大小会影响叶绿素荧光强度的大小，激发光功率太小，激发出的叶绿素荧光强度小，荧光效果不明显；过大的激发光，激光热效应会损伤待测样品；近紫外大功率半导体激光器有方向性好、单色性好、体积小、发光强度稳定等的优点；其中，方向性和单色性好，则所激发出叶绿素荧光强度更高，可以提高检测装置的灵敏度；体积小，利于系统的小型化和集成化；光源发光强度非常稳定，可以提高检测系统的稳定性；综合以上因素，本发明选择了波长405nm，功率100mw的近紫外大功率半导体激光器。
优选的，本发明所述石英圆柱透镜3的直径为3mm，光学玻璃比色皿4的尺寸为16cm*16cm*3mm。本发明所述硅光电池Ⅰ5、硅光电池Ⅱ6的尺寸为12.5*12.5cm，可以提高系统对微弱荧光信号的响应，即使是在水体叶绿素浓度很低的情况下，也可以检测出荧光信号，且采用大面积的硅光电池，能高效收集荧光信号，输出信号强，使得后续放大电路的结构变得简单，降低装置复杂性和成本，大大提高了检测装置的稳定性，可以实现在水体大范围内进行多点检测，保证水体藻类浓度检测的准确性，可以在很大程度上减少了水质环保监督中的弄虚作假事件。
优选的，本发明所述扩束镜为石英圆柱透镜3，光源经过石英圆柱透镜扩束后，激光光束在二维平面内发散形成扇形光片状激光，激光能量更加集中，进入比色皿的光通量更大，能激发产生更强的叶绿素荧光，也不会照射到比色皿两侧的硅光电池上，能提高测量精度，减少测量误差。
优选的，本发明所述光电传感器为两片大面积硅光电池；所述系统所用光电探测器为大面积的硅光电池，其尺寸为12.5*12.5cm,两片硅光电池的连接方式采用串联方式以提高输出信号幅值，使用大面积的硅光电池可以提高系统对微弱荧光信号的响应，即使是在水体叶绿素浓度很低的情况下，也可以检测出荧光信号。且采用大面积的硅光电池，能高效收集荧光信号，输出信号强，使得后续放大电路的结构简单，降低装置复杂性和成本，不仅有利于装置的安装，调试与维护，也大大提高了检测装置的稳定性，可以实现在水体大范围内进行多点检测，保证水体藻类浓度检测的准确性，对整体水域的污染监测具有重要意义。
本发明所述硅光电池接收光路安装在与激发光轴垂直的方向上，即大面积硅光电池接收光路与激光光源成90°放置，可以有效地将叶绿素荧光与入射激光分离开来，避免激发光与荧光共轴，荧光信号受到入射光的干扰，从而避免激发光照射到硅光电池感光面，高效收集荧光，提高装置精度，减小测量误差，此外，硅光电池感光面积大对微弱荧光信号响应较好，可以有效提高测量系统的精度。
本发明的另一目的在于提供一种近紫外激光诱导叶绿素荧光的水体藻类浓度检测方法，激光通过石英圆柱透镜3扩束后，激光光束在二维平面内发散形成激光扇形光片，扇形光片激光垂直照射到含有藻类的水体中，藻类中叶绿素受到激发后，会发出比激发光波长更长的荧光，用两片硅光电池收集荧光信号，硅光电池将收集到的荧光信号转化为电压信号，通过分析硅光电池输出电压信号，就可准确获得叶绿素的含量信息，具体包括以下步骤：
（1）半导体激光器2发出激光束垂直照射到石英圆柱透镜3上，经过石英圆柱透镜3在二维平面扩束后垂直照射到光学玻璃比色皿4容器内，光学玻璃比色皿4位于激光扇形光片照射区域内，光学玻璃比色皿4中的待测水体中的藻类受到激发，发出波长685nm的荧光由光学玻璃比色皿4两侧的硅光电池Ⅰ5和硅光电池Ⅱ6接收并产生电信号；
（2）电信号经过信号处理与放大模块7，再经过显示模块8得到其电压值，得到与被测含藻类水体藻类浓度呈正相关的电压数值 ，通过与小球藻浓度-硅光电池输出电压拟合直线图对比，得到相对应的藻类浓度值。
本发明的有益效果为：
（1）本发明所述装置检测装置成本低，可以实现水体大范围内的多点检测，未来与物联网技术相结合，将测得的数据发送云端，可以方便对水体藻类浓度的生长变化进行实时检测，装置应用的扩展性较好。
（2）本发明装置采用近紫外激光半导体作为激发光源，因其具有高亮度，方向性和单色性好且体积小等优点，既利于装置小型化，又避免了激励光对装置造成背景噪声，是用荧光法进行水体藻类浓度检测的理想光源。
（3）激光器发出的激发光经石英圆柱透镜扩束后，激光光束在二维平面内发散形成激光扇形光片，激光能量更加集中，进入比色皿的光通量更大，也不会照射到比色皿两侧的硅光电池上，减少实验误差。
（4）使用大面积的硅光电池能高效收集荧光，大大提高荧光法的灵敏度。大面积硅光电池接收荧光方向与激光光源成90°放置，可以尽量减少向硅光电池散射的激发光量，高效收集荧光，提高系统精度。
附图说明
图1为本发明实施例所述装置的正面示意图。
图2为本发明实施例所述装置的侧面示意图。
图3为实施例中小球藻浓度-硅光电池输出电压拟合直线图
图中：1-激光光源调节支架台；2-半导体激光器；3-石英圆柱透镜；4-光学玻璃比色皿；5-硅光电池Ⅰ；6-硅光电池Ⅱ；7-信号处理与放大模块；8-显示模块；9-进水泵；10-出水泵；11-遮光板。
具体实施方式
下面结合具体实施例本发明作进一步的详细说明，但本发明的保护范围并不限于所述内容。
实施例1
一种近紫外激光诱导叶绿素荧光的水体藻类浓度检测装置，包括激光光源调节支架台1、半导体激光器2、石英圆柱透镜3、光学玻璃比色皿4、硅光电池Ⅰ5、硅光电池Ⅱ6、信号处理与放大模块7、显示模块8、进水泵9、出水泵10、遮光板11；半导体激光器2和石英圆柱透镜3安装在激光光源调节支架台1上，半导体激光器2为石英圆柱透镜3的正上方，二者的高度均可调节；光学玻璃比色皿4的两侧分别设有硅光电池Ⅰ5、硅光电池Ⅱ6，硅光电池Ⅰ5、硅光电池Ⅱ6的放置方向与光源方向垂直；硅光电池Ⅰ5、硅光电池Ⅱ6串联后与信号处理与放大模块7连接，信号处理与放大模块7与显示模块8连接，光学玻璃比色皿4的上方放置有遮光板11，光学玻璃比色皿4内分别与进水泵9和出水泵10连接。
本实施例所述所述半导体激光器2为大功率半导体近紫外光激光器，其波长为405nm，功率为100mw，半导体激光器作为光源，激发光强度比较高，所激发出叶绿素荧光强度更高，且光源发光强度稳定性好，可以提高检测系统的稳定性。
本实施例中石英圆柱透镜的直径为3mm，光学玻璃比色皿的尺寸为16cm*16cm*3mm，硅光电池尺寸为12.5*12.5cm，电池的连接方式采用串联方式以提高输出信号幅值，使用大面积的硅光电池可以提高系统对微弱荧光信号的响应，即使是在水体叶绿素浓度很低的情况下，也可以检测出荧光信号。
本实施例所用比色皿为定制的尺寸16*16*0.3cm的光学玻璃比色皿，比色皿采用光学玻璃制作，光学玻璃可以吸收部分紫外光，减小了激光照射到水体中的微小颗粒物上散射后到达到硅光电池感光面光功率密度，比色皿上面放置遮光板，比色皿内部非光学面涂覆黑色胶体，避免了激光发生漫反射后照射到硅光电池上，同时避免环境杂散光照射到硅光电池，所设计比色皿光学面面积为16*16cm，与硅光电池面积匹配，两片硅光电池粘贴到比色皿的两个光学面，其感光面接收荧光，另一面可以遮挡杂散光进入比色皿，所设计比色皿厚度为0.3cm，如果厚度太厚，水体中的藻类及固体悬浮物颗粒会遮挡叶绿素荧光，影响系统灵敏度，如果厚度太薄，则被激光光片照射到的藻类数量较少，产生的荧光较弱，经试验探索比色皿厚度0.3cm效果较为理想。
实施例2
一种近紫外激光诱导叶绿素荧光的水体藻类浓度检测方法，本实施例所使用的装置为实施例1所述装置，具体包括以下步骤：
（1）半导体激光器2发出激光束垂直照射到石英圆柱透镜3上，经过石英圆柱透镜3在二维平面扩束后垂直照射到光学玻璃比色皿4容器内，光学玻璃比色皿4位于激照射区域内，光学玻璃比色皿4中的待测水体中的藻类受到激发，发出波长685nm的荧光由光学玻璃比色皿4两侧的硅光电池Ⅰ5和硅光电池Ⅱ6接收并产生电信号；硅光电池Ⅰ5和硅光电池Ⅱ6接收荧光的方向与扩束后的激光成90°，这样可以避免激发光向硅光电池散射，减少非荧光信号对输出信号的干扰，提高系统精度。
（2）电信号经过信号处理与放大模块7，再经过显示模块8得到其电压值，通过荧光的电压值来确定水体中藻类的浓度值；
下面以检测含小球藻的水体为例，设待测水体中小球藻的浓度为c，取60ml作为标准液测量，具体测量步骤如下：
（1）用移液枪取60ml小球藻浓度为c的水样，通过进水泵9加入到光学玻璃比色皿4中。
（2）打开半导体激光器2开关，使激光照射到光学玻璃比色皿4中的待测水体上。
（3）记录硅光电池Ⅰ5和硅光电池Ⅱ6输出荧光信号的电压数值v。
（4）通过出水泵10将光学玻璃比色皿4中的水样抽出。
（5）将记录好的电压数值v与标定好的小球藻浓度—硅光电池输出电压拟合直线图（图3）比对，即可得到相对应的水体藻类浓度值c。
标定结果见表1
表1 含不同小球藻浓度水体对应的电压值
对表1的数据以电压有效值为横坐标，小球藻浓度为纵坐标，Origin工具拟合得到如图3所示拟合直线图，计算得到相关系数R=0.99091,表明输出的电压幅值（也就是小球藻叶绿素荧光强度）与水体中小球藻浓度呈良好的线性关系；实验证明该检测装置用于水体藻类浓度的检测是可行的；检测到的最小电压数值达到47.55mV，证明该检测装置的灵敏度和精度很高，使得后续放大电路的结构简单，降低装置复杂性和成本，大大提高了检测装置的稳定性，此检测装置还可用于检测其它荧光物质的强度，具有广泛的应用前景。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种近紫外激光诱导叶绿素荧光的水体藻类浓度检测装置，其特征在于：包括激光光源调节支架台（1）、半导体激光器（2）、石英圆柱透镜（3）、光学玻璃比色皿（4）、硅光电池Ⅰ（5）、硅光电池Ⅱ（6）、信号处理与放大模块（7）、显示模块（8）、进水泵（9）、出水泵（10）、遮光板（11）；半导体激光器（2）和石英圆柱透镜（3）安装在激光光源调节支架台（1）上，半导体激光器（2）为石英圆柱透镜（3）的正上方，二者的高度均可调节；光学玻璃比色皿（4）的两侧分别设有硅光电池Ⅰ（5）、硅光电池Ⅱ（6），硅光电池Ⅰ（5）、硅光电池Ⅱ（6）的放置方向与光源方向垂直；硅光电池Ⅰ（5）、硅光电池Ⅱ（6）串联后与信号处理与放大模块（7）连接，信号处理与放大模块（7）与显示模块（8）连接，光学玻璃比色皿（4）的上方放置有遮光板（11），光学玻璃比色皿（4）内分别与进水泵（9）和出水泵（10）连接。
2.根据权利要求1所述近紫外激光诱导叶绿素荧光的水体藻类浓度检测方法，其特征在于：所述半导体激光器（2）为大功率半导体近紫外光激光器，其波长为405nm，功率为100mw。
3.根据权利要求1所述近紫外激光诱导叶绿素荧光的水体藻类浓度检测方法，其特征在于：所述石英圆柱透镜（3）的直径为3mm，光学玻璃比色皿（4）的尺寸为16cm*16cm*3mm，硅光电池Ⅰ（5）、硅光电池Ⅱ（6）的尺寸为12.5*12.5cm。
4.一种近紫外激光诱导叶绿素荧光的水体藻类浓度检测方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
（1）半导体激光器（2）发出激光束垂直照射到石英圆柱透镜（3）上，经过石英圆柱透镜（3）在二维平面扩束后垂直照射到光学玻璃比色皿（4）容器内，光学玻璃比色皿（4）位于激光扇形光片照射区域内，光学玻璃比色皿（4）中的待测水体中的藻类受到激发，发出波长685nm的荧光由光学玻璃比色皿（4）两侧的硅光电池Ⅰ（5）和硅光电池Ⅱ（6）接收并产生电信号；
（2）电信号经过信号处理与放大模块（7），再经过显示模块（8）得到其电压值，得到与被测含藻类水体藻类浓度呈正相关的电压数值，通过与小球藻浓度-硅光电池输出电压拟合直线图对比，得到相对应的藻类浓度值。
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