荧光法海水叶绿素a传感器设计

荧光法海水叶绿素a传感器设计
张可可;闫星魁;陈世哲;刘世萱;齐勇
【摘要】基于荧光诱导叶绿素检测原理,应用荧光诱导和微弱信号检测技术,设计了荧光叶绿素a传感器.实验结果表明,叶绿素a的浓度与系统测量值具有很好的线性关系,线性拟合系数为0.999.该传感器具有小型化、易于操作的特点,可实现对海水叶绿素a浓度的原位监测.%We design a chlorophyll-a sensor based on the principle of fluorescence induction with fluorescence induction and weak signal detection.Experiment results show that linear relationship exists between the concentration of chlorophylla and the system measurement value,linear fitting coefficient is 0.999.The instrument that is small and convenient for operation can achieve in-situ monitoring of the concentration of seawater chlorophyll-a.
【期刊名称】《山东科学》
【年(卷),期】2013(026)003
【总页数】4页(P37-40)
【关键词】叶绿素a;荧光检测;原位监测;微弱信号检测
【作者】张可可;闫星魁;陈世哲;刘世萱;齐勇
【作者单位】山东省海洋环境监测技术重点实验室,山东省科学院海洋仪器仪表研究所,山东青岛266001;山东省海洋环境监测技术重点实验室,山东省科学院海洋仪器仪表研究所,山东青岛266001;山东省海洋环境监测技术重点实验室,山东省科学院海洋仪器仪表研究所,山东青岛266001;山东省海洋环境监测技术重点实验室,山
东省科学院海洋仪器仪表研究所,山东青岛266001;山东省海洋环境监测技术重点
实验室,山东省科学院海洋仪器仪表研究所,山东青岛266001
【正文语种】中文
【中图分类】TL271+.5;P427.2
工农业的快速发展使海洋污染日趋严重，对海水中浮游植物现存量进行实时、有效的监测成为海水污染监测和治理的关键［1］。

叶绿素a 是海洋生态系统的一个重要参数，原位叶绿素a 分析已经成为海洋生态系统监测的重要手段之一［2］。

传统的叶绿素a 浓度测量大都是在实验室条件下进行，而现场、长期的自动观测，
对于海洋水质监测具有非常重要的意义。

现在的便携式原位检测仪器，基本都是从国外进口，价格昂贵。

设计实用的海水叶绿素原位监测设备，对于我国进行海洋水质监测、赤潮的提前预报等具有极其重要的意义。

本文设计的荧光叶绿素a 传感
器基于荧光诱导检测原理结合微弱信号检测技术，实现对海水叶绿素a浓度的原
位监测。

设备应用微弱光电感应、滤波和锁相放大滤波等微弱信号检测技术将信号从周围的噪声中提取出来，检测探头的机械结构采用15°夹角的背光接收模式，具有小型化、易于操作的特点。

1 叶绿素a 检测原理
荧光分析法作为应用荧光技术的一种分析方法，已经成为微量物质分析中应用最为广泛的方法之一。

荧光产生的过程实际上是分子受激发而产生的能量辐射过程，一个分子中处于基态能级的电子吸收了满足一定频率条件的光子后，跃迁到更高的能级而处于激发态，由于激发态的分子是不稳定的，在极短的时间内，它们首先因分子间相互碰撞而以热的形式损失掉一部分能量，从所处激发态下降至第一电子激发态的最低振动能级，然后再由这一能级下降至基态的任何振动能级。

在后一过程中，
激发态分子以光的形式释放出所吸收的能量，发出的光称为荧光［3-4］。

利用激发光诱导荧光对自然水体的水质监测是一种快速、实时和在线的检测方法［5］，波长在460 nm 附近的蓝光和685 nm 附近的红光均可诱导出荧光，由于685 nm 附近的红光诱导出的荧光波长与激发红光波长相近［6-7］，为了能够有效的区分出荧光和激发光，本文采用460 nm 的蓝光作为激发光源。

根据比尔-朗伯定律，当叶绿素a 经波长为460 nm 附近的光激发后，会诱导出680 nm 附近的荧光［8］，所发射的荧光强度为:
式中k 为仪器常数;Q 为物质荧光效率;I0为激励光光强;ε 为摩尔吸收系数;b 为样品光程差;c 为叶绿素a 的浓度。

展开(1)式中的指数项，可得:
海水中叶绿素a 的浓度较低，2.3εbc ≪1，(2)式可简化为:
根据式(3)可知，激发的荧光强度与叶绿素a 的浓度成正比，检测接收到的荧光光强，经过后续数据处理可以得到样品中叶绿素a 的浓度。

荧光强度是由多个因素共同确定的，除了与叶绿素a 的浓度、吸光系数、荧光效率等参数有关外，还与激励光光强、样品光程差、光电转换系数、电路放大倍数等因素有关。

因此，设备检测到的荧光强度是一个相对强度，需要在固定的光学环境下，采用标准浓度的叶绿素萃取液进行标定实验，然后根据实验数据拟合得到的工作曲线，通过测量海水样品所激发的荧光值，经过数据处理得到海水中的叶绿素a 的浓度。

2 系统设计
在叶绿素a 浓度较低的情况下，激发出的荧光非常微弱，经过光电转化后，其大
小在nA 量级，这种量级的信号通常淹没在周围的噪声中，设备采用微弱光电感应技术、滤波技术和锁相放大滤波技术等微弱信号检测技术将信号从周围的噪声中提取出来，叶绿素a测量系统框图如图1 所示。

图1 叶绿素a 测量系统框图Fig.1 System block diagram of a chlorophyll-a measurement system
在光学设计上，关键技术首先在于滤光片的处理，用来消除杂散光产生的干扰信号。

在低浓度的微光测量中，为提高测量灵敏度，要求滤光片截止很深，以避免极微弱的光泄露［9］。

叶绿素a 激发光采用460 nm 蓝光LED，滤光片采用北京大恒光电的窄带干涉滤光片，在发射端采用中心波长为470 nm 的窄带滤光片，半宽为
30 nm，截止深度为OD6;接收端采用650 nm的高通滤光片，截止深度为OD6。

检测探头的机械结构模仿亚力克结构，采用15°夹角的背光接收模式，方便以后加装清洁用的刷子。

发射模块电路通过TLC555 方波发生电路产生频率为2f 的方波信号，经过信号调理电路后，输出占空比严格为50%的频率为f 的方波，再将此信号分为两路，一
路用来驱动中心波长为460 nm 的蓝光LED，另一路经过延时电路送入锁相放大
电路作为同步信号。

接收模块通过高通滤光片和光电感应电路完成光电转换，光电感应电路采用Silicon Sensors 光电二极管PC10-2-TO5 实现。

信号处理模块将光电转换得到的光信号经前置的隔直、放大电路，输出微弱的电信号，再经过次级滤波、放大电路进行信号放大，设计中使用高精度低噪声放大器AD8641 作为前置放大和次级滤
波主器件，然后利用AD8642 和OPA2277 完成信号放大-带通滤波-放大电路，
得到初步处理过的信号。

锁相滤波电路以输入同步信号为基准，将上级的输入正弦波信号进行锁相滤波处理后输出直流电平，得到平稳的直流信号。

采用
C8051F021 单片机进行数据采集，经过AD 转换将采样的数据送至外部SRAM
存储，并配合数字滤波技术对数据进行优化，去除由于系统不稳定等因素可能会出现的异常数据，通过数据处理得到海水叶绿素a 的浓度。

3 结果分析
叶绿素a 定标采用实验室方法配置叶绿素a 的标准溶液，并使用蒸馏水稀释配置
浓度分别为0.1、1、10、20、30、40、50 μg/L 的7 种浓度的标准叶绿素a 样
品稀释溶液，用检测设备样机对各个浓度的样品进行检测，得出系统测量值与标准叶绿素a 浓度的对应关系。

表1 给出了采样不同浓度叶绿素a 得到的5 组原始实
验数据。

表1 不同浓度叶绿素a 原始实验数据Table 1 Original experimental data of different concentrations of chlorophyll-a
为了减小系统随机噪声引入的误差，对多次采样得到的检测输出信号进行累加平均。

根据表1 中的实验数据，利用最小二乘法对实际测量叶绿素a 浓度得到的输出信
号与标准浓度值进行线性拟合，其拟合方程为:
式中:y 为检测输出信号幅值;x 为叶绿素a 标准浓度值。

图2 为标准浓度的叶绿素
a 溶液与输出信号的对应关系，其线性拟合系数为0.999，可见在该测量浓度范围内，叶绿素a 浓度与检测信号幅值呈现很好的线性关系。

在实验过程中发现，叶绿素a 在低浓度时，受环境影响较大，需要固定的光学环
境进行测量和定标。

同时，为了得到更高的检测灵敏度和检测精度，检测设备需进一步抑制电磁干扰噪声，并优化检测设备的机械结构。

4 结论
本文在研究荧光法叶绿素a 检测原理的基础上，应用荧光诱导技术和微弱信号检
测技术设计了荧光叶绿素α传感器，实验结果表明，系统设计具有可行性，可解
决海水叶绿素a 浓度的高精度、长期连续自动监测关键技术难题。

检测过程不需
人工采样和预处理，具有检测灵敏度高、体积小、易于操作的特点，能够广泛应用于海洋浮标、潜标、台站、监测船等不同监测平台，对我国海洋水质监测、赤潮的提前预报等具有极其重要的意义。

图2 叶绿素a 浓度与输出信号实验曲线Fig.2 Experimental curve of the output signals and the concentrations of chlorophyll-a
参考文献:
【相关文献】
［1］付晓丹.海水中叶绿素a 含量监测系统的研究［D］.哈尔滨:哈尔滨工业大学，2007.
［2］胡轶，叶树明，楼凯凯，等.原位叶绿素a 精密测量方案设计［J］.仪器仪表学报，2012，
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