張?zhí)禊i,褚東志,馬海寬,張麗,曹煊,吳寧,王小紅

(山東省科學(xué)院海洋儀器儀表研究所，山東 青島 266001)

【海洋科技與裝備】

原位葉綠素a光纖熒光傳感器研制

張?zhí)禊i,褚東志,馬海寬,張麗,曹煊,吳寧,王小紅

(山東省科學(xué)院海洋儀器儀表研究所，山東 青島 266001)

運(yùn)用熒光檢測(cè)技術(shù)，設(shè)計(jì)了一款用于海水中葉綠素a含量檢測(cè)的在線式光纖傳感器。該傳感器基于光纖傳輸與熒光分析法，通過(guò)對(duì)激發(fā)熒光信號(hào)的捕捉、傳輸以及解析達(dá)到在線快速檢測(cè)葉綠素a的目的。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該傳感器的響應(yīng)值與葉綠素a的濃度具有良好的線性關(guān)系，檢測(cè)性能穩(wěn)定，且具有體積小、傳輸速度快等特點(diǎn)，初步具備了海水中葉綠素a含量的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)能力。

熒光法；傳感器；葉綠素a；海洋污染

葉綠素a存在于所有光氧種群中，是負(fù)責(zé)光合作用的主要色素，其濃度反映了浮游植物的生物量或現(xiàn)存量[1]。葉綠素a含量是目前海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)的主要參數(shù)，監(jiān)測(cè)水中葉綠素a含量可以有效監(jiān)視赤潮和水質(zhì)環(huán)境情況[2]，原位葉綠素a分析是海洋生態(tài)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)的重要手段之一[3]。目前葉綠素a濃度的檢測(cè)方法主要有分光光度法和熒光分析法，相比較而言熒光分析法測(cè)量方法簡(jiǎn)便，具有較高的精度和較寬的測(cè)量范圍。國(guó)外的葉綠素a傳感器監(jiān)測(cè)性能穩(wěn)定，但存在價(jià)格昂貴、功耗大等問(wèn)題。而國(guó)內(nèi)原位監(jiān)測(cè)傳感器由于采用氙燈等作為激發(fā)光源，存在體積較大、使用壽命短、易損壞等問(wèn)題，且檢測(cè)精度、檢測(cè)范圍等指標(biāo)與國(guó)外先進(jìn)產(chǎn)品相比還存在較大差距[4]。本文設(shè)計(jì)的原位葉綠素a傳感器基于光纖傳輸與熒光分析法，通過(guò)對(duì)傳感器內(nèi)部的光路設(shè)計(jì)來(lái)提取熒光信號(hào)，具有靈敏度高、測(cè)量速度快、體積小的特點(diǎn)。

1 檢測(cè)原理

葉綠素a在可見(jiàn)光波段對(duì)波長(zhǎng)640～660 nm的紅光和波長(zhǎng)430～470 nm的藍(lán)紫光有很強(qiáng)的吸收作用。當(dāng)用一定波長(zhǎng)的藍(lán)紫光照射葉綠素a時(shí)，熒光物質(zhì)分子吸收了一定的輻射能量，低能級(jí)電子就會(huì)向更高的振動(dòng)能級(jí)躍遷，由于電子躍遷過(guò)程不穩(wěn)定，在短時(shí)間內(nèi)又會(huì)從高能級(jí)躍遷到低能級(jí)，后部分過(guò)程會(huì)有部分能量以光子的形式釋放，即稱為熒光。激發(fā)光源停止照射時(shí)，熒光激發(fā)的熒光強(qiáng)度與葉綠素a的濃度成正比，因此，通過(guò)檢測(cè)熒光強(qiáng)度、進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合處理即可得到海水中葉綠素a的濃度。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

傳感器的系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括外部結(jié)構(gòu)、光學(xué)通路、處理電路與通訊設(shè)計(jì)三部分。外部結(jié)構(gòu)總體呈圓柱形，外徑最大76 mm，總高200 mm，特點(diǎn)是體積小、重量輕、密封性強(qiáng)；光學(xué)通路的主要作用是通過(guò)照射葉綠素a完成熒光的激發(fā)、信號(hào)捕捉傳輸；處理電路與通訊的主要作用是完成光信號(hào)至電信號(hào)的轉(zhuǎn)化，對(duì)信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)濾波放大處理并與上位機(jī)進(jìn)行即時(shí)通訊。

2.1 光學(xué)通路設(shè)計(jì)

2.1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1高亮度LED； 2平凸透鏡；3干涉濾光片(激發(fā)端)；4光纖(激發(fā)端)；5鏡片擋圈；6平面透鏡；7光纖(接收端)；8干涉濾光片(接收端)；9平凸透鏡后。圖1 光路結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure chart of optical path

光學(xué)通路的設(shè)計(jì)對(duì)于熒光的激發(fā)以及接收具有重要的意義[5]。圖1為傳感器的光學(xué)通路結(jié)構(gòu)圖，主要結(jié)構(gòu)包括激發(fā)光源、平凸透鏡、濾光片以及光纖。本次設(shè)計(jì)中激發(fā)光路中光源選用的是LED，其具有光照強(qiáng)度高、入射角小的特點(diǎn)；干涉濾光片可有效消除外部環(huán)境光以及激發(fā)光源對(duì)熒光信號(hào)的影響；接收光路中濾光片可有效過(guò)濾熒光信號(hào)，且在濾光片前安裝凸透鏡可提高熒光信號(hào)的使用效率；激發(fā)光路和接收光路信號(hào)傳輸均采用光纖傳輸?shù)姆绞?，可同時(shí)完成光信號(hào)的傳輸和獲取，沒(méi)有中間環(huán)節(jié)，具有工作效率高、檢測(cè)靈敏度高的特點(diǎn)[6]。

光路的工作原理是高亮度LED發(fā)出激發(fā)光源，依次通過(guò)平凸透鏡、干涉濾光片(激發(fā)端)、光纖(激發(fā)端)、鏡片擋圈以及平面透鏡對(duì)待測(cè)水樣進(jìn)行照射，水樣中的葉綠素a受激發(fā)產(chǎn)生熒光信號(hào),再依次經(jīng)過(guò)平凸透鏡、干涉濾光片(接收端)后通過(guò)光纖(接收端)進(jìn)行熒光信號(hào)的捕捉和傳輸。

2.1.2 光路仿真

本文利用Zemax軟件對(duì)傳感器的光學(xué)通路進(jìn)行光學(xué)仿真。如圖2所示，熒光激發(fā)光路中LED的中心波長(zhǎng)是470 nm，干涉濾光片選用的是中心波長(zhǎng)475 nm、帶寬25 nm的窄帶濾光片，這樣一對(duì)LED光源經(jīng)過(guò)濾光片濾光后可匯聚到光纖的有效接收面積上進(jìn)行傳輸，并可保證激發(fā)光在過(guò)濾后具備較高的光照強(qiáng)度，有效照射葉綠素a并激發(fā)熒光。熒光接收光路中干涉濾光片選用的是透射帶為635～1 650 nm的濾光片，濾光同樣可匯聚到光纖處并進(jìn)行信號(hào)傳輸。這樣傳感器所接收的熒光信號(hào)強(qiáng)弱基本反映了海水中葉綠素a的含量。

圖2 光路仿真圖Fig.2 Simulation diagram of light path

2.2 處理電路與通訊設(shè)計(jì)

通訊電路的作用是能夠?qū)⒓ぐl(fā)的熒光信號(hào)通過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換器件轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定的電信號(hào)，通過(guò)放大處理后與上位機(jī)進(jìn)行即時(shí)通訊。

海水中葉綠素a的含量較低，受激發(fā)后產(chǎn)生的熒光信號(hào)也非常微弱，需要檢測(cè)靈敏度高的光敏元件來(lái)捕捉熒光信號(hào)。本設(shè)計(jì)選用的熒光接收器件是型號(hào)為PT5F850AC的光敏三極管，其感光波寬范圍400～1 100 nm，在熒光的波長(zhǎng)范圍內(nèi)有穩(wěn)定的電流輸出，額定功耗為70 mW；輸出的電流通過(guò)I/V模塊轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，再經(jīng)過(guò)運(yùn)算放大器、濾波模塊、檢波模塊，通過(guò)A/D模塊對(duì)信號(hào)進(jìn)行采集和處理[7]，最后與上位機(jī)連接，見(jiàn)圖3。

圖3 通訊電路示意圖Fig.3 Communication circuit diagram

3 性能分析

3.1 穩(wěn)定性分析

對(duì)設(shè)計(jì)完成的葉綠素a熒光光纖傳感器在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了測(cè)試。通過(guò)在實(shí)驗(yàn)室配置11種濃度的標(biāo)準(zhǔn)葉綠素a樣品溶液，用傳感器樣機(jī)對(duì)各個(gè)濃度的樣品進(jìn)行檢測(cè)。檢測(cè)結(jié)果如表1所示。

表1 不同濃度樣品溶液的5組傳感器響應(yīng)值

對(duì)表1所測(cè)數(shù)據(jù)傳感器信號(hào)響應(yīng)值與標(biāo)準(zhǔn)濃度值進(jìn)行線性回歸分析，其回歸方程為：

y=279.13x+1 022，

式中，y為傳感器檢測(cè)響應(yīng)值；x為葉綠素a標(biāo)準(zhǔn)濃度值。

通過(guò)分析得出r=0.997 4(p<0.01)，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差<10%，可見(jiàn)在該測(cè)量濃度范圍內(nèi)，葉綠素a濃度與傳感器響應(yīng)值呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系，且精密度良好。圖4為葉綠素a濃度與傳感器響應(yīng)值的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

圖4 傳感器響應(yīng)曲線Fig.4 Response curve of a sensor

3.2 溫度影響分析

高溫條件下葉綠素a不穩(wěn)定，易降解，降低了葉綠素a的熒光量子產(chǎn)率，熒光強(qiáng)度隨之降低，故溫度對(duì)葉綠素a的檢測(cè)具有顯著影響。隨著溫度的升高，不同濃度的葉綠素a均呈現(xiàn)相似的下降趨勢(shì)，且通過(guò)驗(yàn)證，在溫度為5～35 ℃時(shí)，溫度對(duì)葉綠素a濃度的影響甚微[8]。本文通過(guò)改變待測(cè)水樣溫度對(duì)傳感器的檢測(cè)性能進(jìn)行測(cè)定。

在實(shí)驗(yàn)室配置濃度為3 μg/L的葉綠素a樣本，分別在5 ℃、10 ℃、15 ℃、20 ℃、25 ℃、30 ℃、35 ℃環(huán)境下，通過(guò)實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)和傳感器檢測(cè)對(duì)比驗(yàn)證傳感器的檢測(cè)性能。檢測(cè)數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 不同溫度下實(shí)驗(yàn)室與傳感器檢測(cè)結(jié)果對(duì)比Table 2 Comparison of laboratory and sensor testing results at different temperatures

從表2可以看出，該傳感器檢測(cè)值符合溫度與葉綠素a濃度的變化規(guī)律，具有良好的線性關(guān)系，通過(guò)對(duì)傳感器響應(yīng)值單因素方差分析，F(xiàn)=0.001 50.05，所以認(rèn)為溫度對(duì)儀器的性能無(wú)顯著影響，表現(xiàn)出良好的性能。

3.3 海上實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證該傳感器的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)性能，在青島附近海域?qū)ζ溥M(jìn)行了連續(xù)測(cè)試，傳感器響應(yīng)值如圖5所示。結(jié)果表明該傳感器在現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)時(shí)有穩(wěn)定的輸出響應(yīng)，響應(yīng)值標(biāo)準(zhǔn)差約為93.50，波動(dòng)幅度不大。

圖5 海上實(shí)驗(yàn)傳感器響應(yīng)值Fig.5 Sensor response value in seawater experiment

4 結(jié)論

本文利用熒光法檢測(cè)葉綠素a的原理，通過(guò)對(duì)光學(xué)通路以及處理電路與通訊的設(shè)計(jì)，初步完成了原位葉綠素a光纖熒光傳感器的研制工作。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，傳感器系統(tǒng)設(shè)計(jì)具備一定可行性，設(shè)備檢測(cè)數(shù)據(jù)穩(wěn)定，可用于葉綠素a的長(zhǎng)期現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)，對(duì)我國(guó)海洋水質(zhì)檢測(cè)、赤潮等災(zāi)害的預(yù)報(bào)具有重要意義。

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Developmentofinsitufiberopticfluorescencesensorforchlorophyll-a

ZHANGTian-peng,CHUDong-zhi,MAHai-kuan,ZHANGLi,CAOXuan,WUNing,WANGXiao-hong

(InstituteofOceanographicInstrumentation,ShandongAcademyofSciences,Qingdao266001,China)

∶An online in situ fiber optic sensor used for detecting the chlorophyll-a content was designed by fluorescence detection technology. The sensor was based on optical fiber transmission and fluorescence analysis method, which could be used to capture, transmit and analyze the fluorescence signal to achieve the goal of online rapid detection of chlorophyll-a. Experimental results show that the response value of the sensor has a good linear relation with the concentration of chlorophyll-a. And the sensor has the advantage of stable performance, small size, and fast transmission speed, etc. Therefore, the sensor has preliminarily obtained the online in situ detection capability of chlorophyll-a content in seawater.

∶fluorescence method; sensor; chlorophyll-a; ocean pollution

10.3976/j.issn.1002-4026.2017.06.001

2017-05-08

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(2016YFC1400803)

張?zhí)禊i(1987—)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)楹Ｑ蟓h(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)備研發(fā)。

P715.4+1;TP212

A

1002-4026(2017)06-0001-05