尹文佳，李彧，徐元哲

(1.東北電力大學自動化工程學院，吉林吉林132012;2.瓊州學院理工學院，三亞572022)

近年來，世界經濟的迅速發(fā)展，湖泊水體富營養(yǎng)化程度加劇、綠藻等藻類過度繁殖堆積水面、水體中大量生物因缺氧而死亡，進而造成水華現象的爆發(fā)，嚴重的危害了人們日常生產、生活、生命健康和生態(tài)環(huán)境。為了做好水華現象的預警工作，國內外大部分學者對水體中藻類濃度測量展開了研究［1－4］。

水體富營養(yǎng)化可以通過檢測綠藻中葉綠素含量來實現，其中葉綠素－a含量最高。葉綠素－a的濃度是表征水體富營養(yǎng)化程度的主要參數［5］，現有的對于葉綠素－a濃度的檢測方法有分光光度法、高效液相色譜法、實驗室熒光光譜法和遙感法。前三種方法都可以歸結為實驗室法，都需要對藻類等浮游植物進行葉綠素的萃取工作，操作步驟十分繁瑣，而且大多需要有經驗者做出經驗分析。遙感航拍的方法固然可以大面積測量水域的葉綠素－a濃度，但是由于航線、背景光以及高度的限制，在測量精度方面難以保證。

本研究設計了一種以高亮度、強穩(wěn)定性的紫色激光調制光作為激發(fā)光源，將光學技術、熒光檢測技術和對數式除法電路相結合的快速檢測葉綠素－a濃度的裝置，實驗結果表明該裝置在保證測量精度的條件下，實用性好，操作簡單，穩(wěn)定快速，為葉綠素－a檢測技術提供了新的思路。

1 測量原理

當用一特定波長的光照射某種物質的分子時，受到激發(fā)后的分子會以輻射躍遷形式將其吸收的能量釋放返回基態(tài)時，便會發(fā)射出波長大于激發(fā)光的光，稱之為熒光［6］。不同的熒光物質，由于它們分子結構和能量分布的差異，各自顯示出不同的吸收光譜和熒光光譜特性［7］。如圖1所示為大量實驗后得到的葉綠素－a分子的激發(fā)光譜和熒光發(fā)射光譜。我們可以清晰地看到，當激發(fā)光中心波長為435 nm時，葉綠素－a分子發(fā)出峰值熒光波長為685 nm的熒光。

圖1 葉綠素－a的激發(fā)光光譜和熒光發(fā)射光譜

藻類葉綠素－a分子經過某一特定波長激發(fā)后，所發(fā)射的熒光強度為:

其中，k為儀器常數;Q為物質熒光效率;I0為激勵光光強;c為物質濃度;b為樣品光程差;ε為摩爾吸收系數。

只要k，Q，I0，b，ε一定，則c和F成一定數學關系。由于浮游植物濃度不只在同一個數量級，故采用對數形式，將(1)式取對數得:

當待測量的熒光物質確定后A、B、D均為常數，由(2)式可知，葉綠素－a濃度只與熒光強度有關，故采用熒光方法檢測葉綠素－a濃度是可行的。由于熒光強度會因光源的不穩(wěn)定發(fā)生變化，影響測量的準確性，故本研究將其轉化為熒光比值來計算葉綠素－a的濃度。

2 系統設計

該裝置主要監(jiān)測系統的設計圖如圖2所示。

在光學傳感器模塊中，激發(fā)光源采用自身帶有負反饋的功率為50 mw，中心波長為435 nm的紫色激光頭，由STC89C51單片機控制發(fā)出的頻率為2 KHz的調制波。該光源較之以往的氙燈、LED等光源具有高穩(wěn)定性、強持續(xù)性以及高亮度、低損耗等特點，可保證光源精度以及硬件電路的簡易性。在探頭內部435 nm干涉濾光片下面放置的分光棱鏡將一定比例的紫色激光引出，作為參考光使用。探頭中部為測量槽，同時裝有四根直角鍍膜棱鏡，應用光的全反射原理，使熒光以極小的損失率全部被收集起來。在685 nm干涉濾光片下方放置的凸透鏡將產生的熒光全部匯聚照射到放置于焦點處的光電二極管上，減少能量損失。

在對數式除法電路模塊中，為了避免各種外界因素及電路自身的微小變化造成激發(fā)光源的不穩(wěn)定性，導致熒光值也隨之變化，故采用分光棱鏡將一部分參考光引出，將其轉變后的電壓信號值與熒光轉變后的電壓信號值作比，其原理圖如圖3所示［8］。將參考光電壓值u1和熒光電壓值u2分別從U1A和U1B的輸入端送入，u1與u2分別通過對數運算電路，得到的輸出信號在經過減法電路和指數運算電路，最終的輸出信號u0與u1/u2成正比，得到一個u1與u2的比值。這樣即可剔除由于整個系統各種原因造成光源的不穩(wěn)定性而帶來的熒光值的浮動現象，使得激發(fā)光強與熒光值的線性度更好。

圖2 硬件電路設計框圖

圖3 對數式除法電路原理圖

3 實驗結果與分析

3.1 實驗條件

光學傳感器長度為8 cm，內直徑為25 cm，外直徑為30 cm，為了減少背景光干擾，傳感器內部反光性高，探頭密封性良好，材料為鋼制，內壁為鉻涂層。將實驗室濃度為0.1 μg/L的綠藻按一定的比例配置成不同濃度的溶液，分別為:20%、40%、60%、80%、100%。采用單一變量法，用不同光強的激發(fā)光對不同濃度藻類溶液進行激發(fā)，使其發(fā)射熒光。將激發(fā)光強電壓與產生的熒光電壓應用對數式除法作比后的比值稱為熒光比值。研究激發(fā)光強與熒光比值在的變化關系，以及濃度值與熒光比值的變化關系，并對實驗結果進行分析總結。

3.2 實驗內容

3.2.1 激發(fā)光強與熒光比值實驗

用不同光強的激發(fā)光照射不同濃度藻類溶液，應用對數式除法電路后，觀測電壓輸出比值，測試數據如表1所示。

表1 測試數據

對表1中的數據進行仿真，其對應的激發(fā)光強與熒光比值之間的關系曲線如圖4所示。從圖4中可以看出:應用差分方法后，激發(fā)光強與熒光比值的線性關系良好，但并不是激發(fā)光強越強，其熒光電壓比值越高的，選取中段線性效果最好，故可采用激發(fā)光強為57 Lm/m2。

圖4 激發(fā)光強與熒光比值關系

3.2.2 濃度值與熒光比值實驗

用頻率為2 kHz，光強為57 Lm/m2的激發(fā)調制光照射不同濃度藻類溶液，觀測電壓輸出比值，實驗數據如表2所示。

表2 測試數據

對表2中數據進行線性擬合，可見綠藻溶液濃度百分比與熒光比值之間的關系曲線如圖5所示。函數關系式為y=4.375 0 x+0.201 3，線性回歸分析得相關系數為0.998 7，說明葉綠素a檢測裝置測得的熒光比值與葉綠素a溶液濃度線性關系良好。

通過實驗與數據分析，結果表明:系統設計合理實用，測量精度為0.02 μg/L，綠藻濃度與熒光比值成明顯線性關系，線性相關系數為0.998 7，不論是在測量精度還是線性度上，較之以往的藻類濃度監(jiān)測系統都更好些。

圖5 濃度與熒光電壓比值關系

4 結論

本文設計的光學傳感器裝置基本完成了從對激發(fā)光的控制到熒光的收集，再到兩組電壓信號的放大和作比值，最后實現綠藻濃度值與熒光比值的一一對應。其優(yōu)點在于:穩(wěn)定快速、簡單方便、造價低廉、實用效果好。

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