原位葉綠素a光纖熒光傳感器研制

張?zhí)禊i,褚東志,馬海寬,張麗,曹煊,吳寧,王小紅

(山東省科學(xué)院海洋儀器儀表研究所，山東 青島 266001)

【海洋科技與裝備】

原位葉綠素a光纖熒光傳感器研制

張?zhí)禊i,褚東志,馬海寬,張麗,曹煊,吳寧,王小紅

(山東省科學(xué)院海洋儀器儀表研究所，山東 青島 266001)

運用熒光檢測技術(shù)，設(shè)計了一款用于海水中葉綠素a含量檢測的在線式光纖傳感器。該傳感器基于光纖傳輸與熒光分析法，通過對激發(fā)熒光信號的捕捉、傳輸以及解析達到在線快速檢測葉綠素a的目的。實驗結(jié)果表明，該傳感器的響應(yīng)值與葉綠素a的濃度具有良好的線性關(guān)系，檢測性能穩(wěn)定，且具有體積小、傳輸速度快等特點，初步具備了海水中葉綠素a含量的現(xiàn)場檢測能力。

熒光法；傳感器；葉綠素a；海洋污染

葉綠素a存在于所有光氧種群中，是負責(zé)光合作用的主要色素，其濃度反映了浮游植物的生物量或現(xiàn)存量[1]。葉綠素a含量是目前海洋環(huán)境監(jiān)測的主要參數(shù)，監(jiān)測水中葉綠素a含量可以有效監(jiān)視赤潮和水質(zhì)環(huán)境情況[2]，原位葉綠素a分析是海洋生態(tài)系統(tǒng)監(jiān)測的重要手段之一[3]。目前葉綠素a濃度的檢測方法主要有分光光度法和熒光分析法，相比較而言熒光分析法測量方法簡便，具有較高的精度和較寬的測量范圍。國外的葉綠素a傳感器監(jiān)測性能穩(wěn)定，但存在價格昂貴、功耗大等問題。而國內(nèi)原位監(jiān)測傳感器由于采用氙燈等作為激發(fā)光源，存在體積較大、使用壽命短、易損壞等問題，且檢測精度、檢測范圍等指標(biāo)與國外先進產(chǎn)品相比還存在較大差距[4]。本文設(shè)計的原位葉綠素a傳感器基于光纖傳輸與熒光分析法，通過對傳感器內(nèi)部的光路設(shè)計來提取熒光信號，具有靈敏度高、測量速度快、體積小的特點。

1 檢測原理

葉綠素a在可見光波段對波長640～660 nm的紅光和波長430～470 nm的藍紫光有很強的吸收作用。當(dāng)用一定波長的藍紫光照射葉綠素a時，熒光物質(zhì)分子吸收了一定的輻射能量，低能級電子就會向更高的振動能級躍遷，由于電子躍遷過程不穩(wěn)定，在短時間內(nèi)又會從高能級躍遷到低能級，后部分過程會有部分能量以光子的形式釋放，即稱為熒光。激發(fā)光源停止照射時，熒光激發(fā)的熒光強度與葉綠素a的濃度成正比，因此，通過檢測熒光強度、進行數(shù)據(jù)擬合處理即可得到海水中葉綠素a的濃度。

2 系統(tǒng)設(shè)計

傳感器的系統(tǒng)設(shè)計包括外部結(jié)構(gòu)、光學(xué)通路、處理電路與通訊設(shè)計三部分。外部結(jié)構(gòu)總體呈圓柱形，外徑最大76 mm，總高200 mm，特點是體積小、重量輕、密封性強；光學(xué)通路的主要作用是通過照射葉綠素a完成熒光的激發(fā)、信號捕捉傳輸；處理電路與通訊的主要作用是完成光信號至電信號的轉(zhuǎn)化，對信號進行相應(yīng)濾波放大處理并與上位機進行即時通訊。

2.1 光學(xué)通路設(shè)計

2.1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

1高亮度LED； 2平凸透鏡；3干涉濾光片(激發(fā)端)；4光纖(激發(fā)端)；5鏡片擋圈；6平面透鏡；7光纖(接收端)；8干涉濾光片(接收端)；9平凸透鏡后。圖1 光路結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure chart of optical path

光學(xué)通路的設(shè)計對于熒光的激發(fā)以及接收具有重要的意義[5]。圖1為傳感器的光學(xué)通路結(jié)構(gòu)圖，主要結(jié)構(gòu)包括激發(fā)光源、平凸透鏡、濾光片以及光纖。本次設(shè)計中激發(fā)光路中光源選用的是LED，其具有光照強度高、入射角小的特點；干涉濾光片可有效消除外部環(huán)境光以及激發(fā)光源對熒光信號的影響；接收光路中濾光片可有效過濾熒光信號，且在濾光片前安裝凸透鏡可提高熒光信號的使用效率；激發(fā)光路和接收光路信號傳輸均采用光纖傳輸?shù)姆绞?，可同時完成光信號的傳輸和獲取，沒有中間環(huán)節(jié)，具有工作效率高、檢測靈敏度高的特點[6]。

光路的工作原理是高亮度LED發(fā)出激發(fā)光源，依次通過平凸透鏡、干涉濾光片(激發(fā)端)、光纖(激發(fā)端)、鏡片擋圈以及平面透鏡對待測水樣進行照射，水樣中的葉綠素a受激發(fā)產(chǎn)生熒光信號,再依次經(jīng)過平凸透鏡、干涉濾光片(接收端)后通過光纖(接收端)進行熒光信號的捕捉和傳輸。

2.1.2 光路仿真

本文利用Zemax軟件對傳感器的光學(xué)通路進行光學(xué)仿真。如圖2所示，熒光激發(fā)光路中LED的中心波長是470 nm，干涉濾光片選用的是中心波長475 nm、帶寬25 nm的窄帶濾光片，這樣一對LED光源經(jīng)過濾光片濾光后可匯聚到光纖的有效接收面積上進行傳輸，并可保證激發(fā)光在過濾后具備較高的光照強度，有效照射葉綠素a并激發(fā)熒光。熒光接收光路中干涉濾光片選用的是透射帶為635～1 650 nm的濾光片，濾光同樣可匯聚到光纖處并進行信號傳輸。這樣傳感器所接收的熒光信號強弱基本反映了海水中葉綠素a的含量。

圖2 光路仿真圖Fig.2 Simulation diagram of light path

2.2 處理電路與通訊設(shè)計

通訊電路的作用是能夠?qū)⒓ぐl(fā)的熒光信號通過數(shù)模轉(zhuǎn)換器件轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定的電信號，通過放大處理后與上位機進行即時通訊。

海水中葉綠素a的含量較低，受激發(fā)后產(chǎn)生的熒光信號也非常微弱，需要檢測靈敏度高的光敏元件來捕捉熒光信號。本設(shè)計選用的熒光接收器件是型號為PT5F850AC的光敏三極管，其感光波寬范圍400～1 100 nm，在熒光的波長范圍內(nèi)有穩(wěn)定的電流輸出，額定功耗為70 mW；輸出的電流通過I/V模塊轉(zhuǎn)化為電壓信號，再經(jīng)過運算放大器、濾波模塊、檢波模塊，通過A/D模塊對信號進行采集和處理[7]，最后與上位機連接，見圖3。

圖3 通訊電路示意圖Fig.3 Communication circuit diagram

3 性能分析

3.1 穩(wěn)定性分析

對設(shè)計完成的葉綠素a熒光光纖傳感器在實驗室進行了測試。通過在實驗室配置11種濃度的標(biāo)準(zhǔn)葉綠素a樣品溶液，用傳感器樣機對各個濃度的樣品進行檢測。檢測結(jié)果如表1所示。

表1 不同濃度樣品溶液的5組傳感器響應(yīng)值

對表1所測數(shù)據(jù)傳感器信號響應(yīng)值與標(biāo)準(zhǔn)濃度值進行線性回歸分析，其回歸方程為：

y=279.13x+1 022，

式中，y為傳感器檢測響應(yīng)值；x為葉綠素a標(biāo)準(zhǔn)濃度值。

通過分析得出r=0.997 4(p<0.01)，相對標(biāo)準(zhǔn)偏差<10%，可見在該測量濃度范圍內(nèi)，葉綠素a濃度與傳感器響應(yīng)值呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系，且精密度良好。圖4為葉綠素a濃度與傳感器響應(yīng)值的對應(yīng)關(guān)系。

圖4 傳感器響應(yīng)曲線Fig.4 Response curve of a sensor

3.2 溫度影響分析

高溫條件下葉綠素a不穩(wěn)定，易降解，降低了葉綠素a的熒光量子產(chǎn)率，熒光強度隨之降低，故溫度對葉綠素a的檢測具有顯著影響。隨著溫度的升高，不同濃度的葉綠素a均呈現(xiàn)相似的下降趨勢，且通過驗證，在溫度為5～35 ℃時，溫度對葉綠素a濃度的影響甚微[8]。本文通過改變待測水樣溫度對傳感器的檢測性能進行測定。

在實驗室配置濃度為3 μg/L的葉綠素a樣本，分別在5 ℃、10 ℃、15 ℃、20 ℃、25 ℃、30 ℃、35 ℃環(huán)境下，通過實驗室檢測和傳感器檢測對比驗證傳感器的檢測性能。檢測數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 不同溫度下實驗室與傳感器檢測結(jié)果對比Table 2 Comparison of laboratory and sensor testing results at different temperatures

從表2可以看出，該傳感器檢測值符合溫度與葉綠素a濃度的變化規(guī)律，具有良好的線性關(guān)系，通過對傳感器響應(yīng)值單因素方差分析，F(xiàn)=0.001 50.05，所以認為溫度對儀器的性能無顯著影響，表現(xiàn)出良好的性能。

3.3 海上實驗

為了驗證該傳感器的現(xiàn)場檢測性能，在青島附近海域?qū)ζ溥M行了連續(xù)測試，傳感器響應(yīng)值如圖5所示。結(jié)果表明該傳感器在現(xiàn)場檢測時有穩(wěn)定的輸出響應(yīng)，響應(yīng)值標(biāo)準(zhǔn)差約為93.50，波動幅度不大。

圖5 海上實驗傳感器響應(yīng)值Fig.5 Sensor response value in seawater experiment

4 結(jié)論

本文利用熒光法檢測葉綠素a的原理，通過對光學(xué)通路以及處理電路與通訊的設(shè)計，初步完成了原位葉綠素a光纖熒光傳感器的研制工作。實驗結(jié)果表明，傳感器系統(tǒng)設(shè)計具備一定可行性，設(shè)備檢測數(shù)據(jù)穩(wěn)定，可用于葉綠素a的長期現(xiàn)場觀測，對我國海洋水質(zhì)檢測、赤潮等災(zāi)害的預(yù)報具有重要意義。

[1]王文華，封余軍，師文慶，等.光線傳感器在海洋科學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用與研究進展[J].光纖與電纜及其應(yīng)用技術(shù)，2010(5)：5-8.

[2]李世杰.應(yīng)重視湖泊科學(xué)的建設(shè)與發(fā)展[J].中國科學(xué)院院刊，2006,9( 5) 16-18.

[3]胡軼，葉樹明，樓凱凱，等.原位葉綠素a 精密測量方案設(shè)計[J].儀器儀表學(xué)報，2012,33(6)：1372-1376.

[4]李鑫星，王聰，陳英文，等.基于熒光分析法的水體葉綠素a傳感器光通路設(shè)計[J].農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，2015,46(5)：300-305.

[5]范陳清，王巖峰，張杰，等.用于海洋水質(zhì)監(jiān)測的小型葉綠素a熒光計[J].微計算機信息(測控自動化)，2010,26(9-1)：104-106.

[6]吳鴻賓.全光纖傳感器的制備與傳感特性研究[D].北京：北京理工大學(xué),2014.

[7]李鑫星，王聰，李振波，等.水體葉綠素a光學(xué)傳感器信號調(diào)理電路設(shè)計與測試[J].農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，2015,46(9)：314-318.

[8]呂鵬翼，崔建升.溫度對現(xiàn)場熒光法測定水體中葉綠素a的影響[J].中國環(huán)境監(jiān)測，2015，31(2)：130-134.

Developmentofinsitufiberopticfluorescencesensorforchlorophyll-a

ZHANGTian-peng,CHUDong-zhi,MAHai-kuan,ZHANGLi,CAOXuan,WUNing,WANGXiao-hong

(InstituteofOceanographicInstrumentation,ShandongAcademyofSciences,Qingdao266001,China)

∶An online in situ fiber optic sensor used for detecting the chlorophyll-a content was designed by fluorescence detection technology. The sensor was based on optical fiber transmission and fluorescence analysis method, which could be used to capture, transmit and analyze the fluorescence signal to achieve the goal of online rapid detection of chlorophyll-a. Experimental results show that the response value of the sensor has a good linear relation with the concentration of chlorophyll-a. And the sensor has the advantage of stable performance, small size, and fast transmission speed, etc. Therefore, the sensor has preliminarily obtained the online in situ detection capability of chlorophyll-a content in seawater.

∶fluorescence method; sensor; chlorophyll-a; ocean pollution

10.3976/j.issn.1002-4026.2017.06.001

2017-05-08

國家重點研發(fā)計劃(2016YFC1400803)

張?zhí)禊i(1987—)，男，碩士研究生，研究方向為海洋環(huán)境監(jiān)測設(shè)備研發(fā)。

P715.4+1;TP212

A

1002-4026(2017)06-0001-05