用于浮游植物探測的三維激光誘導(dǎo)熒光光譜系統(tǒng)

劉金濤，張凱臨, 盧 淵，郭金家，鄭榮兒

(中國海洋大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院， 山東 青島 266100)

浮游植物貢獻(xiàn)了地球約40%的光合作用，是人類賴以生存的關(guān)鍵；而人類發(fā)展引起的環(huán)境惡化卻不斷加深。這種狀況迫切需要加強(qiáng)對浮游植物的監(jiān)測和研究。現(xiàn)有的浮游植物種類和數(shù)量分析方法有顯微鏡法、圖像法、吸收光譜法、HPLC法、分子探針法、流式細(xì)胞法、熒光光譜法等[1, 2]。其中，熒光光譜法是比較適合于現(xiàn)場活體浮游植物快速、實(shí)時監(jiān)測和研究的方法。

熒光光譜分為激發(fā)熒光譜和發(fā)射熒光譜，兩者的組合稱為三維熒光光譜。因?yàn)槿S熒光光譜可以提供豐富的信息，所以是目前浮游植物熒光研究所普遍采用的。Seppala等利用三維熒光光譜檢測了浮游植物群落結(jié)構(gòu)的變化[3]。Beutler等人基于熒光光譜技術(shù)進(jìn)行了現(xiàn)場浮游植物群落的分類研究[4]。張前前、蘇榮國等采用三維熒光光譜對中國海幾十種主要藻種進(jìn)行了活體分類研究[5,6]。

目前，三維光譜測量一般采用三種方式：CCD線陣配合光柵分光；單光電倍增管配合旋轉(zhuǎn)光柵；ICCD配合光柵分光。CCD線陣配合光柵分光方式不適合脈沖光譜信號的測量，測量靈敏度也不高。單光電倍增管配合旋轉(zhuǎn)光柵方式，雖然有足夠高的測量靈敏度，但是測量周期太長，不適合三維光譜測量。ICCD配合光柵分光方式測量靈敏度高，光譜分辨率也很高，缺點(diǎn)是動態(tài)范圍有限，不適合現(xiàn)場水體剖面測量。

針對浮游植物現(xiàn)場探測需要，我們開發(fā)了一個三維激光誘導(dǎo)熒光(3D-LIF)光譜系統(tǒng)。該系統(tǒng)以波長可調(diào)諧激光器、光柵光譜儀和多陽極光電倍增管模組為核心，實(shí)現(xiàn)了浮游植物三維激光誘導(dǎo)熒光的光譜測量。本文將從系統(tǒng)的組成和參數(shù)設(shè)計等方面進(jìn)行介紹，并給出系統(tǒng)的有效性測試結(jié)果。

1 系統(tǒng)設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

圖1是實(shí)驗(yàn)室研發(fā)的用于浮游植物三維激光誘導(dǎo)熒光光譜測量系統(tǒng)示意圖。由激發(fā)光源、光學(xué)接收探測和信號采集三大功能模塊構(gòu)成。各功能模塊的設(shè)計參數(shù)如表1所示。具體敘述如下。

1.1 激發(fā)光源模塊

為了測量浮游植物激發(fā)熒光譜，激光光源應(yīng)該多輸出波長。在研發(fā)的系統(tǒng)中，根據(jù)不同的浮游植物所含色素的不同，可以有針對性的選擇熒光激發(fā)波長。脈沖激光的輸出功率可以輕易超過幾十千瓦，比氙燈、發(fā)光二極管等誘發(fā)出更強(qiáng)的熒光信號，適合于現(xiàn)場熒光信號測量。激光輸出使用透鏡準(zhǔn)直后照射到被測浮游植物目標(biāo)中。激光輸出的一部分使用一個PIN管進(jìn)行探測，既作為系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集的觸發(fā)信號，又作為光譜數(shù)據(jù)校正的能量監(jiān)測信號。

圖1 用于浮游植物三維激光誘導(dǎo)熒光 (3D-LIF) 測量的光譜系統(tǒng)示意圖Fig.1 The Schematic diagram of the 3D-LIF setup for phytoplankton investigations

浮游植物中包含有能產(chǎn)生熒光的多種色素成分，主要有葉綠素a/b/c、類胡蘿卜素、藻膽蛋白等。不同的色素對應(yīng)的光譜吸收峰不同，主要集中在紫光到紅光波長。上述色素中，葉綠素a的熒光占主導(dǎo)。葉綠素a 中參與光合作用的包括光系統(tǒng)I(PSI)和光系統(tǒng)II(PSII)，其中PSI 的熒光貢獻(xiàn)少(約10～25%)且穩(wěn)定；因此PSII 熒光的變化就是研究的重點(diǎn)。葉綠素a PSII 發(fā)射熒光峰在680 nm附近[7]。為了不影響680 nm熒光峰測量，根據(jù)浮游植物的熒光吸收峰，激光器的輸出波長可以選擇在400 nm～630 nm范圍。

熒光譜的測量關(guān)鍵是熒光信號強(qiáng)度，這主要由激光器功率和望遠(yuǎn)鏡口徑?jīng)Q定。系統(tǒng)中激光器和望遠(yuǎn)鏡可以根據(jù)測量目標(biāo)的不同進(jìn)行相應(yīng)更換。如果激光脈沖寬度10 ns，則1 mJ的能量就對應(yīng)10 kW的功率，一般的激光器都可滿足激發(fā)熒光要求。

1.2 光學(xué)接收探測模塊

被測浮游植物產(chǎn)生的熒光由望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行接收，并匯聚耦合到光纖中。光纖將熒光信號傳導(dǎo)到光柵光譜儀中進(jìn)行光譜分光。在光柵光譜儀的像平面處放置光纖束構(gòu)成的端面陣列，每根光纖的內(nèi)徑為0.2 mm，對應(yīng)的光譜分辨率約為3 nm。光纖束的另一端按3根一組成束將光譜信號傳導(dǎo)到光電探測器。

光電探測器選擇了濱松公司的光電倍增管模組H7260(技術(shù)參數(shù)見表1)。H7260有32個光陰極，平行排列，共用倍增極，相當(dāng)于32個響應(yīng)一致性很好的光電倍增管構(gòu)成的探測器陣列。光譜分辨率可控制在10 nm以內(nèi)。通過選擇對應(yīng)入射端面陣列不同位置的光纖及光纖數(shù)量，可以方便的調(diào)節(jié)被測光譜。采用H7260一次能夠測量30多個光譜通道，可以大大減少三維光譜測量時間。

1.3 信號采集模塊

光電倍增管模組的輸出由數(shù)模轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行信號采集，整個系統(tǒng)的工作流程由計算機(jī)控制，測量的數(shù)據(jù)也由計算機(jī)進(jìn)行處理。激發(fā)光源脈寬一般為10 ns量級，熒光持續(xù)時間約為100 ns，因而需要高速、高精度的數(shù)據(jù)采集。為了采集32通道光電信號(31個光譜通道+1個激光能量監(jiān)測通道)，專門設(shè)計了基于CompactPCI平臺的數(shù)據(jù)采集電路。數(shù)據(jù)采集電路的模擬帶寬設(shè)計為20 MHz，數(shù)據(jù)采集的分辨率為14 bit，采樣頻率50 MHz。數(shù)據(jù)采集軟件采用Visual C++設(shè)計，實(shí)現(xiàn)三維激光誘導(dǎo)熒光譜測量流程控制、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)累加、數(shù)據(jù)顯示和存儲等功能。

由于所開發(fā)的數(shù)據(jù)采集電路以高性能FPGA(現(xiàn)場可編程邏輯陣列)為核心，且單次熒光譜采集長度小于50點(diǎn)，使得以超過100kHz的頻率進(jìn)行實(shí)時數(shù)據(jù)累加等處理成為可能，因而所研制的3D-LIF測量系統(tǒng)對激光器的重復(fù)頻率沒有特殊要求。

2 浮游植物的3D-LIF光譜測量

在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行浮游植物三維激光熒光光譜測量時，采用了美國OPOTEK公司的OPO激光器(Vibrant 355)作為激發(fā)光源，控制其輸出波長輸出范圍405 nm～615 nm，波長間隔10 nm。系統(tǒng)接收光譜范圍是410 nm～710 nm，接收波長間隔也是10 nm，共使用了光電倍增管模組31個通道。在實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)中，采用了一個直徑12.7 mm的球面透鏡取代了圖1中的望遠(yuǎn)鏡接收熒光信號。

2.1 多道光譜測量性能評估

在實(shí)施3D-LIF光譜測量前，先對多道光譜測量性能進(jìn)行了評估。圖2是單次測量的32通道光譜數(shù)據(jù)。由圖可見，數(shù)據(jù)都比較平滑，沒有大的起伏和毛刺，表明32個通道的響應(yīng)均正常。圖3是680 nm通道64次測量得到的數(shù)據(jù)，每次測量的光譜信號隨時間變化的趨勢基本一致，但測量數(shù)據(jù)的幅值有較大起伏，激發(fā)光源的能量起伏是導(dǎo)致信號起伏的主要原因。因此在數(shù)據(jù)處理中引入激光能量校正環(huán)節(jié)很有必要。

圖2 32通道光譜信號單次測量數(shù)據(jù)Fig.2 The single measurement data of 32 spectra channels

圖3 680 nm通道的64次測量數(shù)據(jù)Fig.3 The single channel data at 680 nm obtained from 64 measurements

2.2 3D-LIF光譜測量

應(yīng)用研發(fā)的系統(tǒng)對30余種中國海常見的浮游植物進(jìn)行了三維激光誘導(dǎo)熒光光譜測量。并采用PIN管接收的激光能量信號(由第32通道的數(shù)據(jù)采集電路采集)對光譜信號進(jìn)行修正。鑒于激發(fā)光的波長調(diào)諧范圍跨度較大(405 nm～615 nm)，PIN管輸出的信號先做相應(yīng)的光譜響應(yīng)差異校正，校正后的信號作為激光脈沖能量基準(zhǔn)用于校正三維熒光光譜數(shù)據(jù)。

圖4 塔瑪亞歷山大藻的三維激光誘導(dǎo)熒光譜Fig.4 The typical 3D-LIF spectra of Alexandrium tamarense

圖4和圖5分別為塔瑪亞歷山大藻和中肋骨條藻的典型測量結(jié)果。圖中的數(shù)據(jù)是256次累加的結(jié)果。從圖中可見，所獲得的兩個藻類的3D-LIF光譜信息豐富、相對特征差異明顯，是進(jìn)行浮游植物藻種的分類和識別研究的理想數(shù)據(jù)源。通過對圖4和圖5中的數(shù)據(jù)進(jìn)行絕對光譜定標(biāo)，可望在對海洋藻類監(jiān)測中得到更有效的應(yīng)用。

圖5 中肋骨條藻的三維激光誘導(dǎo)熒光譜Fig.5 The typical 3D-LIF spectra of Skeletonem acostatum

3 結(jié)論

本文詳細(xì)介紹了一個針對浮游植物現(xiàn)場探測研發(fā)的三維激光誘導(dǎo)熒光光譜測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用新型的多陽極光電倍增管模組作為光電探測器件，一次測量31個通道光譜信號和1個通道的能量校準(zhǔn)信號。配合以波長可調(diào)諧激光光源和分光光柵，構(gòu)成具有高靈敏度、實(shí)時測量、剖面探測能力的三維激光熒光(3D-LIF)光譜測量系統(tǒng)。

基于研發(fā)的光譜系統(tǒng)，采用光學(xué)參量放大器(OPO)以獲得405 nm～615 nm可調(diào)諧激發(fā)光源，在實(shí)驗(yàn)室對三十余種中國海常見的浮游植物的3D-LIF光譜進(jìn)行了測量。測量結(jié)果證實(shí)了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和用于藻種分類和識別研究的有效性。系統(tǒng)中的激光器和望遠(yuǎn)鏡可靈活更換，接收的光譜范圍和光譜分辨率等參數(shù)可便利調(diào)節(jié)，因此，該系統(tǒng)可望發(fā)展成為用于現(xiàn)場探測的3D-LIF船載和機(jī)載光譜系統(tǒng)。

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