張戈 江西省郵電規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司 南昌市 330002

0 引言

近年隨著經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，人們生活水平日益改善，環(huán)境破也日益嚴(yán)重。工業(yè)和生活用水的任意排放造成湖泊水體中藻類大量繁殖，水體生物因藻類過(guò)度繁殖而缺氧死亡，引起水體富營(yíng)養(yǎng)化，稱為“水華”。加強(qiáng)對(duì)水體藻類的繁殖檢測(cè)尤為重要[1-3]。

水體藻類色素作為鑒定不同藻類和浮游植物群落組成的特征標(biāo)示物。通常以葉綠素濃度來(lái)反應(yīng)藻類浮游植物繁殖程度。其中葉綠素a是水體生態(tài)系統(tǒng)的重要參數(shù)，通過(guò)有效方法來(lái)檢測(cè)a濃度達(dá)到檢測(cè)水體藻類繁殖程度的目的[4]。對(duì)選取規(guī)范方法、超聲波法、反復(fù)凍融法、延時(shí)提取法、熱丙酮法、丙酮加熱法、熱乙醇法、混合溶劑法是常見(jiàn)的8種檢測(cè)方法。但這8種方法都需要提取樣本，并在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)完成葉綠素a的測(cè)定[5]。其操作復(fù)雜，不能達(dá)到在線檢測(cè)的效果，效率低下。

作者結(jié)合自動(dòng)化控制、傳感器、熒光檢測(cè)、和通信技術(shù)，并通過(guò)相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)出一套能夠?qū)崟r(shí)檢測(cè)葉綠素a濃度的在線檢測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有操作方便、靈活性強(qiáng)、測(cè)量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)。

1 檢測(cè)方法及原理

藻類葉綠素a的檢測(cè)采用熒光發(fā)射原理。紫外光照射物質(zhì)分子時(shí)，受激發(fā)分子以輻射形式將其吸收的能量釋放返回基態(tài)時(shí)會(huì)發(fā)射出波長(zhǎng)大于激光。對(duì)于不同熒光物質(zhì)其分子結(jié)構(gòu)和能量分布不同，顯示出的吸收光譜和熒光光譜特性也不同[6]。葉綠素a在受光435nm波長(zhǎng)光激勵(lì)時(shí)，a分子發(fā)出熒光峰值波長(zhǎng)為685nm，其中發(fā)光過(guò)程在激光停止后約10-8s內(nèi)停止。只要激光的光強(qiáng)一定，熒光強(qiáng)度隨著a濃度的變化而變化。

經(jīng)過(guò)在紫外光的激發(fā)下，a分子所發(fā)出的熒光強(qiáng)度為：

其中，k為儀器常數(shù)；Q為物質(zhì)熒光效率；I0為激勵(lì)光光強(qiáng)；c為物質(zhì)濃度；b為樣品光程差；ε為摩爾吸收系數(shù)。

只要k，Q，I0，b，ε一定，A、B、C也就是定值，a濃度C和熒光強(qiáng)度F成數(shù)學(xué)關(guān)系。通過(guò)光學(xué)傳感器對(duì)熒光的強(qiáng)度進(jìn)行檢測(cè)，能推斷出葉綠素a的濃度。

2 檢測(cè)裝置及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 熒光檢測(cè)裝置設(shè)計(jì)

裝置為鋼制T形，長(zhǎng)15cm，內(nèi)直徑5cm，外直徑6cm，內(nèi)壁有反光性高鉻涂層。其中紫色激光頭功率為50mw，中心波長(zhǎng)435nm，光源具有高穩(wěn)定性、強(qiáng)持續(xù)性以及高亮度、低損耗等特點(diǎn)。激光射出后通過(guò)435nm干涉濾光片，濾出光波能保證葉綠素a達(dá)到最佳激勵(lì)。激發(fā)光透過(guò)濾光片射在分光棱鏡上將光一分為二，射入測(cè)量槽內(nèi)的是有用光，射向光電二級(jí)管1的是參考光。整個(gè)裝置浸水后，槽內(nèi)被水填滿，濾網(wǎng)雜物擋在槽外，保證檢測(cè)可靠性。435nm波長(zhǎng)的有用光與測(cè)量槽內(nèi)水中的葉綠素a發(fā)生熒光反應(yīng)射出熒光。該光的中心波長(zhǎng)為685nm，裝置內(nèi)裝有干涉濾光片下方再放置凸透鏡，焦點(diǎn)處安裝光電二級(jí)管2將熒光匯聚減少能量的損失。整個(gè)裝置在水下工作，其密封性良好，保證了各個(gè)器件正?？煽抗ぷ?。

2.2在線檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)在線檢測(cè)目的，裝置安裝在遙控小船上，船上安有自動(dòng)升降桿，裝置固定在升降桿上，C8051F020單片機(jī)控制連接升降桿的步進(jìn)電機(jī)，使裝置水中自由升降。光電二級(jí)管1和2測(cè)量電壓值分別經(jīng)過(guò)DSP放大電壓后，送入單片機(jī)兩路12位A/D轉(zhuǎn)換端口進(jìn)行同步采樣。對(duì)參考和可用光作除法剔除整個(gè)系統(tǒng)因各種原因造成光源不穩(wěn)定性帶來(lái)的熒光值的浮動(dòng)現(xiàn)象，減小外界光源對(duì)檢測(cè)系統(tǒng)影響。通過(guò)控制電路對(duì)激光頭的電流調(diào)解實(shí)現(xiàn)光強(qiáng)可調(diào)。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線傳輸方式傳送。選擇nRF2401無(wú)線收發(fā)模塊，其傳輸數(shù)據(jù)速度快，外接天線能達(dá)幾百米距離。模塊的工作電壓和單片機(jī)的工作電壓一致，簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì)。岸邊檢測(cè)人員通過(guò)計(jì)算機(jī)的操作實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離在線檢測(cè)。數(shù)據(jù)傳輸方式為半雙通方式，如圖2所示。

2.3 信號(hào)處理電路設(shè)計(jì)

藻類繁殖情況不同，其葉綠素a濃度也不同。當(dāng)紫色激光頭對(duì)其進(jìn)行照射時(shí)，發(fā)出的光強(qiáng)也有較大差距。當(dāng)葉綠素a濃度比較低時(shí)，二級(jí)管2采集的光電信號(hào)將非常微弱，故必須用特殊放大器對(duì)其進(jìn)行信號(hào)放大，否則無(wú)法到達(dá)采樣電壓。

選用運(yùn)放型號(hào)是ICL7650。該運(yùn)放可分辨10-12A電流，采用CMOS工藝集成的載波穩(wěn)零高精度運(yùn)放，具有響應(yīng)快、體積小、穩(wěn)定性好等特點(diǎn)。其接法如圖3，光電二級(jí)管反偏接入直流電源端，C55起穩(wěn)壓的作用。光電二極管為美國(guó)PSS系列低暗電流光電二極管，其響應(yīng)度高、暗電流低、體積小、重量輕，廣泛用于微光探測(cè)儀器儀表中。R54、R55、C56組成反饋補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)降低寬帶。芯片10腳直接輸入單片機(jī)的A/D采樣端。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

為檢驗(yàn)系統(tǒng)可行性，用濃度為0.1μg/L藻類溶液配置不同濃度溶液，分別為：25%～100%。調(diào)節(jié)激光頭光強(qiáng)，選用光強(qiáng)為60Lm/m2的調(diào)制光照射不同濃度藻類溶液。單片機(jī)處理光電傳感器檢測(cè)到的電壓信號(hào)得出以下實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

表1 藻類濃度與電壓比值表

對(duì)數(shù)據(jù)線性擬合，藻類濃度和電壓比值的函數(shù)為y=4.4015x+0.1983，其中y為電壓比值，x為藻類濃度，線性回歸系數(shù)為0.9987，說(shuō)明系統(tǒng)測(cè)得的電壓比值與藻類溶液濃度具有良好線性關(guān)系。

4 結(jié)論

利用熒光發(fā)射原理設(shè)計(jì)的藻類在線檢測(cè)系統(tǒng)，根據(jù)相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得知，該系統(tǒng)可行。系統(tǒng)可靠性、準(zhǔn)確性及其操作的方便性可更好的用于檢測(cè)水域藻類繁殖狀況，避免水域污染。