CN110132922A - 一种叶绿素浓度的快速在线检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种叶绿素浓度的快速在线检测方法，激光器发射激光，入射至待测水样中；采集待测水样的拉曼信号以及激光诱导荧光信号；将所采集的信号通过滤光片进行滤光处理，之后进行分光处理，将分光后的信号通过光学镜头聚焦至光电探测器的表面，通过光电探测器转化成电信号；通过数据采集卡采集上述电信号，并将其传输至处理器中进行数据处理，并显示光谱曲线；在处理器中，根据公式计算叶绿素的浓度Ca，R1表示待测水样在拉曼波长处的拉曼强度；R2表示待测水样中叶绿素的荧光强度；R3表示待测水样在拉曼波长处的荧光背景；R0表示本底噪声；K为相关系数常量。上述方法具有检测速度快、实时性好的优点，不需消耗任何试剂，无需复杂的操作步骤。

Description

一种叶绿素浓度的快速在线检测方法
技术领域
本发明涉及水质检测技术领域，尤其涉及一种叶绿素浓度的快速在线检测方法。
背景技术
叶绿素是绿色植物光合作用中最重要的色素，以各种形式存在于藻类、浮游植物及其他水生植物中，是反映浮游植物乃至初级生产力水平最有效的指标，是水体富营养化的重要参数。水体出现富营养化现象时，由于浮游植物大量繁殖，导致水体产生蓝色、红色、棕色等水华现象，会对水质造成严重危害，对人类健康、牲畜、野生动植物和水生环境构成重大危害。因此快速检测水中的叶绿素含量可以及时预警水体营养程度和水质污染情况，是水质检测的一个重要项目。
近年来，随着海洋，湖泊水体污染日渐严重，实现叶绿素的实时检测已经迫在眉睫，目前已有的水体叶绿素的测量方法主要有高效液相色谱法(HPLC)、分光光度计法、遥感法和荧光法，他们的优缺点如下：
表1 现有技术中各种水体叶绿素的测量方法的优缺点对照表
前两种方法都属于实验室方法，不具备实时性，水样在运输过程中叶绿素会被部分微生物分解，影响数据的准确性，且液相色谱法操作极其复杂，需要检测人员具有专业的相关知识；而分光光度计法灵敏度较差，存在其它色素干扰测定的问题。遥感法是一种在线测量方法，但是仅适用于大面积的水域，且对航拍工作要求很高，不便于实时快速的检测。荧光法操作简便，样品不需作任何处理就可在现场实时监测物质的浓度，且具有灵敏度高、选择性好、检测限低、鉴别性好等优点，近年来各国对荧光法测定叶绿素的研究从未间断过，2010年，王刚等根据蓝光激发的荧光光谱制成了叶绿素荧光光谱仪，2012年唐尧基和马永山分别用同步荧光检测法检测了叶绿素a的含量。但他们用的荧光检测仪都比较重，体积也比较大，不便于携带，且不是实时在线的检测，随着技术的进步，需要实现对叶绿素浓度的快速在线检测。
发明内容
为了解决现有技术中存在的问题，本发明提出了一种叶绿素浓度的快速在线检测方法，其具有检测速度快、实时性好的优点，可广泛用于水库，湖泊、河流、海洋等水体富营养化的现场检测。
为了实现上述目的，本发明提出了一种叶绿素浓度的快速在线检测方法，所述方法包括以下步骤：
步骤1、激光荧光光谱仪中的激光器发射激光，入射至待测水样中；
步骤2、通过所述激光荧光光谱仪采集待测水样的拉曼信号以及670nm～690nm的激光诱导荧光信号；
步骤3、将所采集的待测水样的拉曼信号以及670nm～690nm的激光诱导荧光信号通过滤光片进行滤光处理，之后通过光栅分光***进行分光处理，将分光后的信号通过光学镜头聚焦至光电探测器的表面，通过所述光电探测器将光信号转化成电信号；
步骤4、通过激光荧光光谱仪中的数据采集卡采集上述电信号，并将电信号传输至处理器中进行数据处理，并显示光谱曲线；
步骤5、在所述处理器中，获取所述光谱曲线中的待测水样在拉曼波长处的拉曼强度、待测水样中叶绿素的荧光强度、待测水样在拉曼波长处的荧光背景以及本底噪声，根据叶绿素浓度的计算公式计算所述待测水样中叶绿素的浓度Ca，所述叶绿素浓度的计算公式为其中，R1表示待测水样在拉曼波长处的拉曼强度；R2表示待测水样中叶绿素的荧光强度；R3表示待测水样在拉曼波长处的荧光背景；R0表示本底噪声；K为相关系数常量。
优选的是，采用基于Y型光纤的激光荧光光谱仪，基于Y型光纤激光荧光光谱仪的叶绿素浓度的快速在线检测方法包括以下步骤：
步骤1、将Y型光纤激光荧光光谱仪中的Y型光纤的探头端***盛有待测水样的测试瓶中，并且Y型光纤的探头端要***待测水样的水面之下；
步骤2、Y型光纤激光荧光光谱仪中的激光器发射激光，所述激光输入到Y型光纤的发射端，由Y型光纤的探头端将激光入射至待测水样中；
步骤3、通过接收光纤采集待测水样的拉曼信号以及670nm～690nm的激光诱导荧光信号，传输至Y型光纤的接收端；
步骤4、将所采集的待测水样的拉曼信号以及670nm～690nm的激光诱导荧光信号通过滤光片进行滤光处理，之后通过光栅分光***进行分光处理，将分光后的信号通过光学镜头聚焦至光电探测器的表面，通过所述光电探测器将光信号转化成电信号；
步骤5、通过Y型光纤激光荧光光谱仪中的数据采集卡采集上述电信号，并将电信号传输至处理器中进行数据处理，并显示光谱曲线；
步骤6、在所述处理器中，获取所述光谱曲线中的待测水样在拉曼波长处的拉曼强度、待测水样中叶绿素的荧光强度、待测水样在拉曼波长处的荧光背景以及本底噪声，根据叶绿素浓度的计算公式计算所述待测水样中叶绿素的浓度Ca，所述叶绿素浓度的计算公式为其中，R1表示待测水样在拉曼波长处的拉曼强度；R2表示待测水样中叶绿素的荧光强度；R3表示待测水样在拉曼波长处的荧光背景；R0表示本底噪声；K为相关系数常量。
优选的是，所述Y型光纤的探头端采用“N+1”结构，其中N为正整数，N的取值在1≤N≤10，即中心为发射光纤，N根接收光纤靠近或围绕发射光纤分布。
本发明的该方案的有益效果在于上述叶绿素浓度的快速在线检测方法适合于浓度在0～3.6mg/l的叶绿素的检测，其具有检测速度快、实时性好的优点，此方法不需消耗任何试剂，无需复杂的操作步骤，为水质行业叶绿素的检测提供了简便有利的方法，可广泛用于水库，湖泊、河流、海洋等水体富营养化的现场检测。
附图说明
图1示出了本发明所涉及的叶绿素浓度的快速在线检测方法所依据的装置的结构示意图。
图2示出了本发明所涉及的叶绿素浓度的快速在线检测方法所依据的检测原理图。
附图标记：1-测试瓶，2-待测水样，3-Y型光纤，4-激光器，5-激光控制电源，6-处理器，7-滤光片，8-光栅分光***，9-光学镜头，10-光电探测器，11-数据采集卡。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明。
如图1-2所示，本发明所涉及的叶绿素浓度的快速在线检测方法包括以下步骤：
步骤1、激光荧光光谱仪中的激光器4发射激光，入射至待测水样2中。具体的可通过处理器6控制激光控制电源5为激光器4供电，来实现激光荧光光谱仪中的激光器4的触发。
步骤2、通过所述激光荧光光谱仪采集待测水样2的拉曼信号以及670nm～690nm的激光诱导荧光信号。在本实施例中，所述激光器4采用405nm的半导体激光器，则通过所述激光荧光光谱仪采集685nm的激光诱导荧光信号。
步骤3、将所采集的待测水样2的拉曼信号以及670nm～690nm的激光诱导荧光信号通过滤光片7进行滤光处理，之后通过光栅分光***8进行分光处理，将分光后的信号通过光学镜头9聚焦至光电探测器10的表面，通过所述光电探测器10将光信号转化成电信号。
步骤4、通过激光荧光光谱仪中的数据采集卡11采集上述电信号，并将电信号传输至处理器6中进行数据处理，并显示光谱曲线。
步骤5、在所述处理器6中，获取所述光谱曲线中的待测水样2在拉曼波长处的拉曼强度、待测水样2中叶绿素的荧光强度、待测水样2在拉曼波长处的荧光背景以及本底噪声，根据叶绿素浓度的计算公式计算所述待测水样2中叶绿素的浓度Ca，所述叶绿素浓度的计算公式为其中，R1表示待测水样2在拉曼波长处的拉曼强度；R2表示待测水样2中叶绿素的荧光强度；R3表示待测水样2在拉曼波长处的荧光背景；R0表示本底噪声；K为相关系数常量。
为了提高检测精度，可采用基于Y型光纤的激光荧光光谱仪，这样的光谱仪因采用光纤传输光信号，能够避免光在传播过程中受到干扰，为仪器的准确性和稳定性奠定了基础，这样的光谱仪具有微型化，集成化的优点，实现了检测仪器的便携化，其具有防水，抗腐蚀，抗电磁干扰，耐高温等诸多优点。
基于Y型光纤激光荧光光谱仪的叶绿素浓度的快速在线检测方法包括以下步骤：
步骤1、将Y型光纤激光荧光光谱仪中的Y型光纤3的探头端***盛有待测水样2的测试瓶1中，并且Y型光纤3的探头端要***待测水样2的水面之下。
步骤2、Y型光纤激光荧光光谱仪中的激光器4发射激光，所述激光输入到Y型光纤3的发射端，由Y型光纤3的探头端将激光入射至待测水样2中。具体的可通过处理器6控制激光控制电源5为激光器4供电，来实现激光荧光光谱仪中的激光器4的触发。
步骤3、通过接收光纤采集待测水样2的拉曼信号以及670nm～690nm的激光诱导荧光信号，传输至Y型光纤3的接收端。
步骤4、将所采集的待测水样2的拉曼信号以及670nm～690nm的激光诱导荧光信号通过滤光片7进行滤光处理，之后通过光栅分光***8进行分光处理，将分光后的信号通过光学镜头9聚焦至光电探测器10的表面，通过所述光电探测器10将光信号转化成电信号。
步骤5、通过Y型光纤激光荧光光谱仪中的数据采集卡11采集上述电信号，并将电信号传输至处理器6中进行数据处理，并显示光谱曲线。
步骤6、在所述处理器6中，获取所述光谱曲线中的待测水样2在拉曼波长处的拉曼强度、待测水样2中叶绿素的荧光强度、待测水样2在拉曼波长处的荧光背景以及本底噪声，根据叶绿素浓度的计算公式计算所述待测水样2中叶绿素的浓度Ca，所述叶绿素浓度的计算公式为其中，R1表示待测水样2在拉曼波长处的拉曼强度；R2表示待测水样2中叶绿素的荧光强度；R3表示待测水样2在拉曼波长处的荧光背景；R0表示本底噪声；K为相关系数常量。
在本实施例中，所述Y型光纤3的探头端采用“8+1”结构，即中心为发射光纤，八根接收光纤围绕发射光纤沿圆周均匀分布，中心发射光纤为直径400um的单石英光纤，接收光纤为八根直径200um的石英光纤。
本发明所涉及的叶绿素浓度的快速在线检测方法适合于浓度在0～3.6mg/l的叶绿素的检测，其具有检测速度快、实时性好的优点，此方法不需消耗任何试剂，无需复杂的操作步骤，为水质行业叶绿素的检测提供了简便有利的方法，可广泛用于水库，湖泊、河流、海洋等水体富营养化的现场检测。

Claims (3)

1.一种叶绿素浓度的快速在线检测方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：
步骤1、激光荧光光谱仪中的激光器发射激光，入射至待测水样中；
步骤2、通过所述激光荧光光谱仪采集待测水样的拉曼信号以及670nm～690nm的激光诱导荧光信号；
步骤3、将所采集的待测水样的拉曼信号以及670nm～690nm的激光诱导荧光信号通过滤光片进行滤光处理，之后通过光栅分光***进行分光处理，将分光后的信号通过光学镜头聚焦至光电探测器的表面，通过所述光电探测器将光信号转化成电信号；
步骤4、通过激光荧光光谱仪中的数据采集卡采集上述电信号，并将电信号传输至处理器中进行数据处理，并显示光谱曲线；
步骤5、在所述处理器中，获取所述光谱曲线中的待测水样在拉曼波长处的拉曼强度、待测水样中叶绿素的荧光强度、待测水样在拉曼波长处的荧光背景以及本底噪声，根据叶绿素浓度的计算公式计算所述待测水样中叶绿素的浓度Ca，所述叶绿素浓度的计算公式为其中，R1表示待测水样在拉曼波长处的拉曼强度；R2表示待测水样中叶绿素的荧光强度；R3表示待测水样在拉曼波长处的荧光背景；R0表示本底噪声；K为相关系数常量。
2.根据权利要求1所述的叶绿素浓度的快速在线检测方法，其特征在于：采用基于Y型光纤的激光荧光光谱仪，基于Y型光纤激光荧光光谱仪的叶绿素浓度的快速在线检测方法包括以下步骤：
步骤1、将Y型光纤激光荧光光谱仪中的Y型光纤的探头端***盛有待测水样的测试瓶中，并且Y型光纤的探头端要***待测水样的水面之下；
步骤2、Y型光纤激光荧光光谱仪中的激光器发射激光，所述激光输入到Y型光纤的发射端，由Y型光纤的探头端将激光入射至待测水样中；
步骤3、通过接收光纤采集待测水样的拉曼信号以及670nm～690nm的激光诱导荧光信号，传输至Y型光纤的接收端；
步骤4、将所采集的待测水样的拉曼信号以及670nm～690nm的激光诱导荧光信号通过滤光片进行滤光处理，之后通过光栅分光***进行分光处理，将分光后的信号通过光学镜头聚焦至光电探测器的表面，通过所述光电探测器将光信号转化成电信号；
步骤5、通过Y型光纤激光荧光光谱仪中的数据采集卡采集上述电信号，并将电信号传输至处理器中进行数据处理，并显示光谱曲线；
步骤6、在所述处理器中，获取所述光谱曲线中的待测水样在拉曼波长处的拉曼强度、待测水样中叶绿素的荧光强度、待测水样在拉曼波长处的荧光背景以及本底噪声，根据叶绿素浓度的计算公式计算所述待测水样中叶绿素的浓度Ca，所述叶绿素浓度的计算公式为其中，R1表示待测水样在拉曼波长处的拉曼强度；R2表示待测水样中叶绿素的荧光强度；R3表示待测水样在拉曼波长处的荧光背景；R0表示本底噪声；K为相关系数常量。
3.根据权利要求2所述的叶绿素浓度的快速在线检测方法，其特征在于：所述Y型光纤的探头端采用“N+1”结构，其中N为正整数，N的取值在1≤N≤10，即中心为发射光纤，N根接收光纤靠近或围绕发射光纤分布。
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