CN107037022A - 一种浸入式光学探头及淡水蓝藻生物量检测*** - Google Patents

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Abstract

本发明提供的浸入式光学探头，选用包括第一探测模块及第二探测模块的双通道、双检测及双模型的探头结构，能够同时实现叶绿素a与藻蓝蛋白的检测，规避了以往借助叶绿素a与藻蓝蛋白的关系来实现蓝藻的检测，提高了检测的精确度；此外，本发明提供的浸入式光学探头，对激发光光源进行循环利用，可以提高激发光源的利用率、增强了光强检测的稳定性及减少了外界光强变化引起的波动问题。

Description

一种浸入式光学探头及淡水蓝藻生物量检测***
技术领域
本发明涉及光学检测技术领域，特别是涉及一种浸入式光学探头及淡水蓝藻生物量检测***。
背景技术
水是生命之源，但由于人类对水资源的过度开发与利用，水资源短缺和水质污染问题已逐渐影响到人们的生活和身体健康。自从上世纪末以来，水华对我国的饮用水构成严重威胁，我国66％的湖泊曾受到水华的影响。其中，太湖、巢湖、滇池三大湖泊富营养化问题最为突出。因此，对水华的科学治理迫在眉睫。
而在蓝藻水华爆发前进行准确的预警是蓝藻水华治理的重要一环，根据相关研究报道，我国有81％的水华由蓝藻所引起。检测蓝藻的浓度成为蓝藻水华预警机制的首要任务。
目前对蓝藻的监测都是检测蓝藻在水中的密度，市场上已出现多种便携式水质传感器，其常用的技术有：
(1)吸光度法。利用蓝藻中所特有的藻蓝蛋白对特定波长光的吸收特性进行吸光度的测量，以确定蓝藻的密度，吸光度法原理简单、成本低、检测稳定，但灵敏度与检测限不够，对于低浓度下的物质检测误差比较大。
(2)荧光法。利用蓝藻中所特有的藻蓝蛋白在吸收光照后受激发射的荧光具有波长特异性特点，通过检测到其荧光强度的大小来确定蓝藻的密度，荧光法灵敏度高，适合低浓度检测，但抗干扰性能差。
(3)遥感法。利用蓝藻中所特有的藻蓝蛋白对特定波长电磁波的辐射、散射与反射情况，借助对电磁波敏感的仪器进行远距离探测，遥感法可以远距离检测，检测范围广，但灵敏度与精确度低，且很容易受到天气的影响。
荧光法因其简便易行、灵敏度高、可实现原位检测等特点而被广泛应用。荧光法检测蓝藻常以藻蓝蛋白作为特征色素进行检测。但在实际水体中常因蓝藻以及其它藻类含有大量的叶绿素a产生荧光干扰而对导致藻蓝蛋白的检测不准确。
发明内容
基于此，有必要提供一种检测精度及灵敏度高的浸入式光学探头。
为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：
一种浸入式光学探头，包括：第一探测模块、第二探测模块、过滤镜组、荧光探测器件及控制模块；其中：
所述第一探测模块包括第一激发光源、第一准直镜、相对于所述第一准直镜设置的第一聚焦透镜及第一检测器件，所述第一激发光源出射的第一激发光经光纤传输至所述第一准直镜，经所述第一准直镜准直后的第一激发光入射到水体中，所述第一聚焦透镜聚集部分所述第一激发光并将聚集的所述第一激发光通过光纤传输至所述第一检测器件，所述第一检测器件将入射的激发光转换成第一电信号，所述第一电信号经处理后返回至所述控制模块，且所述第一激发光可激发水体产生第一荧光信号，所述第一荧光信号经所述过滤镜组过滤后通过荧光通道被所述荧光探测器件接收；
所述第二探测模块包括第二激发光源、第二准直镜、相对于所述第二准直镜设置的第二聚焦透镜及第二检测器件，所述第二激发光源出射的第二激发光经光纤传输至所述第二准直镜，经所述第二准直镜准直后的第二激发光入射到水体中，所述第二聚焦透镜聚集部分所述第二激发光并将聚集的所述第二激发光通过光纤传输至所述第二检测器件，所述第二检测器件将入射的激发光转换成第二电信号，所述第二电信号经处理后返回至所述控制模块，且所述第二激发光可激发水体产生第二荧光信号，所述第二荧光信号经所述过滤镜组过滤后通过荧光通道被所述荧光探测器件接收；
所述荧光探测器件将接收的所述第一荧光信号及所述第二荧光信号传输至所述控制模块对获取的所述第一荧光信号及所述第二荧光信号进行处理与分析。
在一些较佳的实施例中，所述第一激发光源为激光二极管，所述激光二极管用于出射595nm±5nm波段的激光。
在一些较佳的实施例中，所述第二激发光源为激光二极管，所述激光二极管用于出射434nm±5nm波段的激光。
在一些较佳的实施例中，所述第一检测器件及第二检测器件均为光电二极管，所述荧光探测器件为光电倍增管或光电二极管中的一种。
在一些较佳的实施例中，所述过滤镜组由高通滤镜、带通滤镜及聚焦透镜组成。
在一些较佳的实施例中，所述浸入式光学探头的竖直截面呈倒U型，所述浸入式光学探头的竖直截面呈倒U型，所述浸入式光学探头的内表面且与所述第一准直镜的光轴方向大于或等于90度处、与所述第二准直镜的光轴方向大于或等于90度处、与所述第一聚焦透镜的光轴方向大于或等于90度处、与所述第二聚焦透镜的光轴方向大于或等于90度处均涂覆有化学镀银物质。
在一些较佳的实施例中，所述浸入式光学探头还包括电刷装置，所述电刷装置悬挂于U型区域外。
在一些较佳的实施例中，所述浸入式光学探头的横截面呈圆形，所述浸入式光学探头的一端沿圆弧固定设置有第一支撑件、第二支撑件、第三支撑件及第四支撑件，且所述第一支撑件及第三支撑件相对设置，所述第二支撑件及第四支撑件相对设置，所述第一激发光源出射端固定于第一支撑件上，所述第二激发光源出射端固定于第二支撑件上，所述第一检测器件接收端固定于所述第三支撑件上，所述第二检测器件接收端固定于所述第四支撑件上，所述过滤镜组固定于圆心处。
在一些较佳的实施例中，所述浸入式光学探头还包括与所述第一探测模块、第二探测模块及荧光探测器件均固定连接的散热模块。
另外，本申请还提供了一种淡水蓝藻生物量检测***，包括所述的浸入式光学探头。
本发明采用上述技术方案，其有益效果在于：
本发明提供的浸入式光学探头，选用包括第一探测模块及第二探测模块的双通道、双检测及双模型的探头结构，能够同时实现叶绿素a与藻蓝蛋白的检测，规避了以往借助叶绿素a与藻蓝蛋白的关系来实现蓝藻的检测，提高了检测的精确度，可依据藻蓝蛋白与叶绿素a浓度的灵敏变化及时对藻华发生情况做出预测；此外，本发明提供的浸入式光学探头，对激发光光源进行循环利用，可以提高激发光源的利用率、增强了光强检测的稳定性及减少了外界光强变化引起的波动问题。
附图说明
图1为一实施方式的浸入式光学探头的竖直截面示意图；
图2为另一实施方式的浸入式光学探头的竖直截面示意图；
图3为一实施方式的浸入式光学探头的横截面示意图；
图4为一实施方式的淡水蓝藻生物量检测***的工作流程图。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳的实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。需要说明的，本文中所使用的术语“第一、第二”等仅为方便描述，不能理解为指示或暗示相对重要性，也不理解为有先后顺序关系。
如图1至图3所示，本发明实施方式的浸入式光学探头100，包括第一探测模块110、第二探测模块120、过滤镜组130、荧光探测器件140及控制模块150。其中：
所述第一探测模块110包括第一激发光源111、第一准直镜112、相对于所述第一准直镜112设置的第一聚焦透镜113及第一检测器件114。具体地：
所述第一激发光源111出射的第一激发光经光纤传输至所述第一准直镜112，经所述第一准直镜112准直后的第一激发光入射到水体中，所述第一聚焦透镜113聚集部分所述第一激发光并将聚集的所述第一激发光通过光纤传输至所述第一检测器件114，所述第一检测器件114将入射的激发光转换成第一电信号，所述第一电信号经处理后返回至所述控制模块，且所述第一激发光可激发水体产生第一荧光信号，所述第一荧光信号经所述过滤镜组130过滤后通过荧光通道被所述荧光探测器件140接收。可以理解，当经所述第一准直镜112准直后的第一激发光呈水平方向入射到水体中时较佳的实现方式。
所述第二探测模块120包括第二激发光源121、第二准直镜122、相对于所述第二准直镜122设置的第二聚焦透镜123及第二检测器件124。具体地：
所述第二激发光源121出射的第二激发光经光纤传输至所述第二准直镜122，经所述第二准直镜122准直后的第二激发光入射到水体中，所述第二聚焦透镜123聚集部分所述第二激发光并将聚集的所述第二激发光通过光纤传输至所述第二检测器件124，所述第二检测器件124将入射的激发光转换成第二电信号，所述第二电信号经处理后返回至所述控制模块，且所述第二激发光可激发水体产生第二荧光信号，所述第二荧光信号经所述过滤镜组130过滤后通过荧光通道被所述荧光探测器件140接收。可以理解，当经所述第二准直镜122准直后的第二激发光呈水平方向入射到水体中时较佳的实现方式。
所述荧光探测器件140将分时接收的所述第一荧光信号及所述第二荧光信号传输至所述控制模块150对获取的所述第一荧光信号及所述第二荧光信号进行处理与分析。
可以理解，本发明提供的第一激发光源111及第二激发光源121出射的第一激发光及第二激发光按照不同的时间交替间隔发射的，两者激发水体产生第一荧光信号及第二荧光信号经所述过滤镜组130的两个通道筛选，再经所述荧光探测器件140进行间隔检测。
可以理解，本发明提供的浸入式光学探头100，选用包括第一探测模块110及第二探测模块120的双通道、双检测及双模型的探头结构，能够同时实现叶绿素a与藻蓝蛋白的检测，规避了以往借助叶绿素a与藻蓝蛋白的关系来实现蓝藻的检测，提高了检测的精确度；此外，本发明提供的浸入式光学探头，对激发光光源进行循环利用，可以提高激发光源的利用率、增强了光强检测的稳定性及减少了外界光强变化引起的波动问题。
在本发明较佳的实施例中，所述第一激发光源111为激光二极管，所述激光二极管用于出射595nm±5nm波段的激光；所述第二激发光源121为激光二极管，所述激光二极管用于出射434nm±5nm波段的激光。
可以理解，由于淡水中藻蓝蛋白与叶绿素a两种色素都具有荧光效应，藻蓝蛋白激发谱中的激发峰在624nm，发射谱中的发射峰在650nm，叶绿素a的激发谱中的激发峰在434nm，发射谱中的发射峰在680nm，且两种色素的荧光光谱存在很大程度上的重叠，也即存在较大的检测干扰，因此，本发明提供的所述第一激发光源111及所述第二激发光源121包括激光二极管可出射波长为434nm±5nm与595nm±5nm，在此波长下，可最大程度上实现叶绿素a与藻蓝蛋白的抗干扰解耦检测，结合本发明建立的多元线性检测模型，从而解除了检测过程中叶绿素a的干扰，实现两种色素的独立检测，使藻蓝蛋白浓度的测量结果更加精确。
进一步地，由于激光二极管相比于普通的发光二极管，其具有光谱波长的特异性好，发出光线的准直性高，光源强度大等优点，这有利于增强激发光源的光强与稳定特异性，能够提高传感器检测的灵敏度与检测限。
在本发明较佳的实施例中，所述第一检测器件114及第二检测器件124均为光电二极管，所述荧光探测器件140为光电倍增管或光电二极管中的一种。可以理解，当用于较高浓度检测时采用光电二极管，用于低浓度检测则采用光电倍增管。可以理解，本发明采用灵敏的检测器件，可大幅提升仪器检测的灵敏度与检测限范围。
在本发明提供的较佳实施例中，过滤镜组130包括两组过滤镜，且每组过滤镜由高通滤镜、带通滤镜及聚焦透镜组成。其中：
第一过滤镜用于过滤第一荧光信号，也即藻蓝蛋白的荧光信号，其最佳检测波长在646nm，藻蓝蛋白的荧光信号先经过一个高通滤镜，大于600nm的通过，小于的不通过；而后经过带通滤镜，波长在640-650之间的通过，其他不通过；然后再通过一个聚焦镜，将最后的波长经聚焦透镜聚焦后传输到光纤中。
第二过滤镜用于过滤第二荧光信号，也即叶绿素a荧光信号，其最佳检测波长在682nm，叶绿素a荧光信号先经过一个高通滤镜，大于660nm的通过，小于的不通过；而后经过带通滤镜，波长在680-690之间的通过，其他不通过；然后再通过一个聚焦镜，将最后的波长经聚焦透镜聚焦后传输到光纤中。
在本发明较佳的实施例中，所述浸入式光学探头100的竖直截面呈倒U型，所述浸入式光学探头100的内表面且与所述第一准直镜112的光轴方向大于或等于90度处、与所述第二准直镜122的光轴方向大于或等于90度处、与所述第一聚焦透镜113的光轴方向大于或等于90度处、与所述第二聚焦透镜123的光轴方向大于或等于90度处均涂覆有化学镀银物质(图1及2中A处)。
可以理解，经所述第一准直镜112准直后的第一激发光呈水平方向入射到水体中，所述第一聚焦透镜113聚集部分所述第一激发光，而尚有部分未射入所述第一聚焦透镜113内的激发光，因此，本发明在所述浸入式光学探头100的内表面且沿垂直于所述第一准直镜112的光轴方向及沿垂直于所述第一聚焦透镜113的光轴方向均涂覆有化学镀银物质，从而可以实现最大程度的反射；而对于第二探测模块120同样如此设计，这样可使得激发光在水体检测区来回反射以多次激发实现激发光的多次利用，可使得激发光多次反射后脱离这个“空隙”，提高了激发光的利用率，有利于提高检测的灵敏度。
在一些较佳的实施例中，所述浸入式光学探头100的横截面呈圆形，所述浸入式光学探头的一端沿圆弧固定设置有第一支撑件10、第二支撑件20、第三支撑件30及第四支撑件40，且所述第一支撑件10及第三支撑件30相对设置，所述第二支撑件20及第四支撑件40相对设置，所述第一激发光源111出射端固定于第一支撑件10上，所述第二激发光源121出射端固定于第二支撑件20上，所述第一检测器件114接收端固定于所述第三支撑件30上，所述第二检测器件124接收端固定于所述第四支撑件40上，所述过滤镜组130固定于圆心处。
在一些较佳的实施例中，所述控制模块150包括除噪电路、放大电路、模拟-数字转化电路及控制电路，在一些较佳的实施例中，所述控制模块150包括除噪电路、放大电路132、模拟-数字转化电路及控制电路，所述第一电流信号及第二电流信号依次经所述除噪电路除噪、所述放大电路放大、模拟-数字转化电路转换后，再经所述控制电路计算后得到淡水蓝藻生物量的浓度，所述控制电路并根据所述浓度与阈值的大小判断淡水蓝藻生物量是否超标，并对是否有可能发生藻华做出预测。
优选地，本发明的控制模块150采用低功耗的MSP系列的单片机，降低***的功耗，弥补因激光光源功率过大带来的损耗。
在一些较佳的实施例中，所述浸入式光学探头100还包括电刷装置160，所述电刷装置160架悬空于U型槽外。可以理解，电刷装置160设置在几个支撑件之间，不会阻碍激发光穿越水体的光路。
可以理解，本发明设计电刷装置160，可防止因生物附着导致的测量误差，电刷装置160悬空于检测区外部，当检测浓度过高时，启动电刷装置160以防止因附着带来的“虚高”浓度。
在一些较佳的实施例中，所述浸入式光学探头100还包括与所述第一探测模块110、第二探测模块120及荧光探测器件140均固定连接的散热模块170。
可以理解，由于设计散热模块170，可将所述浸入式光学探头100产生的热量由散热模块170排出，提高了整个装置的稳定性。
本发明还提供了一种包括浸入式光学探头100的淡水蓝藻生物量检测***，整体***检测流程如图4所示，***开机后，人工输入采样周期，所述第一探测模块、所述第二探测模块自动定期切换检测叶绿素a与藻蓝蛋白的光路***进行相应色素的检测，荧光探测器件检测到光信号转换为电信号，返回到控制模块150进行分析与处理并存储，当检测浓度过高时，则启动电刷装置转动5秒，以防止生物附着导致的浓度过大。
本发明提供的淡水蓝藻生物量检测***，选用包括第一探测模块及第二探测模块的双通道、双检测及双模型的探头结构，能够同时实现叶绿素a与藻蓝蛋白的检测，规避了以往借助叶绿素a与藻蓝蛋白的关系来实现蓝藻的检测，提高了检测的精确度；此外，本发明提供的浸入式光学探头，对激发光光源进行循环利用，可以提高激发光源的利用率、增强了光强检测的稳定性及减少了外界光强变化引起的波动问题。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种浸入式光学探头，其特征在于，包括：第一探测模块、第二探测模块、过滤镜组、荧光探测器件及控制模块；其中：
所述第一探测模块包括第一激发光源、第一准直镜、相对于所述第一准直镜设置的第一聚焦透镜及第一检测器件，所述第一激发光源出射的第一激发光经光纤传输至所述第一准直镜，经所述第一准直镜准直后的第一激发光入射到水体中，所述第一聚焦透镜聚集部分所述第一激发光并将聚集的所述第一激发光通过光纤传输至所述第一检测器件，所述第一检测器件将入射的激发光转换成第一电信号，所述第一电信号经处理后返回至所述控制模块，且所述第一激发光可激发水体产生第一荧光信号，所述第一荧光信号经所述过滤镜组过滤后通过荧光通道被所述荧光探测器件接收；
所述第二探测模块包括第二激发光源、第二准直镜、相对于所述第二准直镜设置的第二聚焦透镜及第二检测器件，所述第二激发光源出射的第二激发光经光纤传输至所述第二准直镜，经所述第二准直镜准直后的第二激发光入射到水体中，所述第二聚焦透镜聚集部分所述第二激发光并将聚集的所述第二激发光通过光纤传输至所述第二检测器件，所述第二检测器件将入射的激发光转换成第二电信号，所述第二电信号经处理后返回至所述控制模块，且所述第二激发光可激发水体产生第二荧光信号，所述第二荧光信号经所述过滤镜组过滤后通过荧光通道被所述荧光探测器件接收；
所述荧光探测器件将分时接收的所述第一荧光信号及所述第二荧光信号传输至所述控制模块对获取的所述第一荧光信号及所述第二荧光信号进行处理与分析。
2.根据权利要求1所述的浸入式光学探头，其特征在于，所述第一激发光源为激光二极管，所述激光二极管用于出射595nm±5nm波段的激光。
3.根据权利要求1所述的浸入式光学探头，其特征在于，所述第二激发光源为激光二极管，所述激光二极管用于出射434nm±5nm的激光波段的激光。
4.根据权利要求1所述的浸入式光学探头，特征在于，所述第一检测器件及第二检测器件均为光电二极管，所述荧光探测器件为光电倍增管或光电二极管中的一种。
5.根据权利要求1所述的浸入式光学探头，特征在于，所述过滤镜组中任一个由过滤镜高通滤镜、带通滤镜及聚焦透镜组成。
6.根据权利要求1所述的浸入式光学探头，其特征在于，所述浸入式光学探头的竖直截面呈倒U型，所述浸入式光学探头的内表面且与所述第一准直镜的光轴方向大于或等于90度处、与所述第二准直镜的光轴方向大于或等于90度处、与所述第一聚焦透镜的光轴方向大于或等于90度处、与所述第二聚焦透镜的光轴方向大于或等于90度处均涂覆有化学镀银物质。
7.根据权利要求6所述的浸入式光学探头，其特征在于，所述浸入式光学探头还包括电刷装置，所述电刷装置悬空于U型槽外。
8.根据权利要求1所述的浸入式光学探头，其特征在于，所述浸入式光学探头的横截面呈圆形，所述浸入式光学探头的一端沿圆弧固定设置有第一支撑件、第二支撑件、第三支撑件及第四支撑件，且所述第一支撑件及第三支撑件相对设置，所述第二支撑件及第四支撑件相对设置，所述第一激发光源出射端固定于第一支撑件上，所述第二激发光源出射端固定于第二支撑件上，所述第一检测器件接收端固定于所述第三支撑件上，所述第二检测器件接收端固定于所述第四支撑件上，所述过滤镜组固定于圆心处。
9.根据权利要求1所述的浸入式光学探头，其特征在于，所述浸入式光学探头还包括与所述第一探测模块、第二探测模块及荧光探测器件均固定连接的散热模块。
10.一种淡水蓝藻生物量检测***，其特征在于，包括权利要求1至9任一项所述的浸入式光学探头。
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