鎖相放大法測量水體葉綠素應(yīng)用研究

高先和， 石朝毅

(合肥學(xué)院 安徽省現(xiàn)代電子控制與檢測應(yīng)用技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心， 合肥 230001)

鎖相放大法測量水體葉綠素應(yīng)用研究

高先和， 石朝毅

(合肥學(xué)院 安徽省現(xiàn)代電子控制與檢測應(yīng)用技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心， 合肥 230001)

藻濃度的準(zhǔn)確測量對于防治水華爆發(fā)，進(jìn)而保障漁業(yè)正常生產(chǎn)及居民健康安全具有重要作用。通過葉綠素?zé)晒鉁y量藻類葉綠素濃度是反映藻濃度的有效手段。針對葉綠素a熒光非常微弱，且易受到環(huán)境光干擾的問題，采用鎖相放大技術(shù)進(jìn)行葉綠素a熒光測量。采用LED作為激發(fā)光源，以PIN光電二極管為探測器，并基于AD630設(shè)計(jì)了鎖相放大電路。采用0～100 μg/L濃度范圍內(nèi)10個(gè)濃度梯度的魚腥藻樣品進(jìn)行測試，結(jié)果表明測量值與實(shí)際葉綠素a濃度的相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.99815。

藻類；葉綠素a熒光；鎖相放大

近年來，巢湖等湖泊頻繁爆發(fā)水華，給工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成極大損失，并嚴(yán)重危害人民的生命健康安全[1-2]。因此，準(zhǔn)確、快速測量藻濃度并及時(shí)預(yù)報(bào)藻類生長狀態(tài)是一項(xiàng)具有重要意義的工作。葉綠素是藻類進(jìn)行光合作用的主要色素，其含量可以用來衡量水體中藻類的濃度，進(jìn)而反映水體富營養(yǎng)化程度[3]。因此，水體葉綠素濃度的準(zhǔn)確檢測具有重要意義。葉綠素?zé)晒夥ㄒ蚱潇`敏度高、速度快、實(shí)時(shí)性好且非侵入性的特點(diǎn)，成了進(jìn)行葉綠素濃度測量的有效手段[4-5]。但是，由于葉綠素?zé)晒夥浅Ｎ⑷?，且易受到環(huán)境光的干擾，因此，如何進(jìn)行葉綠素?zé)晒獾臏?zhǔn)確檢測就顯得尤為重要。本文針對該問題，設(shè)計(jì)了基于鎖相放大技術(shù)的葉綠素?zé)晒鉁y量系統(tǒng)，進(jìn)行葉綠素濃度的準(zhǔn)確測量。

1 原理與方法

葉綠素分子經(jīng)光照射后，從基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)，處于較高激發(fā)態(tài)的葉綠素分子很不穩(wěn)定，在幾百飛秒內(nèi)，通過振動弛豫向周圍環(huán)境輻射熱量，回到最低激發(fā)態(tài)。最低激發(fā)態(tài)的葉綠素分子通過產(chǎn)生熒光、熱耗散以及光化學(xué)反應(yīng)3種途徑回到基態(tài)[6-7]。葉綠素分為葉綠素a和葉綠素b，在常溫下，幾乎檢測不到葉綠素b的熒光[8]，因此測量得到的是葉綠素a的熒光，且葉綠素a熒光強(qiáng)度與葉綠素濃度之間存在正比關(guān)系，因此，通過測量葉綠素a熒光強(qiáng)度即可計(jì)算得到葉綠素濃度。

2 測量方案設(shè)計(jì)

葉綠素濃度測量系統(tǒng)框圖如圖1所示，主要包括光源模塊、探測模塊、鎖相放大模塊及微處理器單元。在微處理單元的控制下，光源經(jīng)調(diào)制后激發(fā)藻類葉綠素，誘導(dǎo)產(chǎn)生具有相同調(diào)制特性的葉綠素a熒光，熒光由探測模塊探測得到并送至鎖相模塊實(shí)現(xiàn)微弱熒光信號檢測。

圖1 葉綠素濃度測量系統(tǒng)框圖

2.1 光源模塊

光源模塊主要由LED激發(fā)光源和光源調(diào)制電路組成[9-10]。根據(jù)葉綠素a的特性，選取450 nm高亮藍(lán)光LED作為激發(fā)光源。采用Maxim公司MAX1916作為LED恒流驅(qū)動芯片，該芯片能夠提供高達(dá)100 mA的驅(qū)動電流。

根據(jù)鎖相放大需求，對LED激發(fā)光源進(jìn)行方波調(diào)制。采用微處理器產(chǎn)生頻率可調(diào)、占空比為50%的PWM信號，控制MAX1916的使能端，即可實(shí)現(xiàn)LED激發(fā)光源的調(diào)制進(jìn)而誘導(dǎo)產(chǎn)生相同調(diào)制特性的熒光。

2.2 探測模塊

探測模塊主要包括探測器、I/V轉(zhuǎn)換電路以及二級放大電路。為了減小探測部分體積及設(shè)計(jì)成本，選用PIN光電二極管作為探測器。由于PIN光電二極管輸出電流極其微弱，本設(shè)計(jì)采用OPA380設(shè)計(jì)了圖2所示的高精度I/V轉(zhuǎn)換電路。

圖2 I/V轉(zhuǎn)換電路

2.3 鎖相放大

鎖相放大電路的核心是相敏檢測器，其實(shí)質(zhì)即乘法器。本設(shè)計(jì)采用AD630進(jìn)行了相敏檢測器設(shè)計(jì)[11-12]。如圖3所示，AD630由運(yùn)算放大器A、運(yùn)算放大器B、輸出積分放大器D和比較器C等組成。輸入信號作為運(yùn)算放大器A和運(yùn)算放大器B的輸入信號，參考方波信號作為比較器C的輸入信號，當(dāng)參考方波信號的幅值大于0時(shí)，運(yùn)算放大器A工作，閉環(huán)增益GA=2；當(dāng)參考方波信號的幅值小于0時(shí)，運(yùn)算放大器B工作，閉環(huán)增益GB=-2。由此，相當(dāng)于實(shí)現(xiàn)了輸入信號與參考信號的相乘。

采用OP07組成的低通濾波器對AD630的輸出信號低通濾波后，得到與熒光強(qiáng)度成正比的直流電壓信號。如圖4所示為鎖相放大過程的信號波形圖，由上至下依次為：方波參考信號，熒光信號，AD630輸出信號以及低通濾波器輸出信號。

圖3 AD630原理框圖

圖4 鎖相放大信號波形圖

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

選擇我國湖庫藍(lán)藻水華污染的主要藻類魚腥藻為實(shí)驗(yàn)對象。應(yīng)用分光光度法，在0～100 μg/L濃度范圍內(nèi)配制10個(gè)等間隔濃度梯度藻類樣品[13]，并采用設(shè)計(jì)的測量系統(tǒng)進(jìn)行測量。如圖5所示，測量結(jié)果與實(shí)際葉綠素a濃度的相關(guān)系數(shù)為0.99815，具有良好的相關(guān)性，且系統(tǒng)在整個(gè)測量范圍內(nèi)，具有良好的線性。

圖5 測量結(jié)果與實(shí)際值相關(guān)性分析

4 結(jié)論

本文采用鎖相放大技術(shù)，設(shè)計(jì)了葉綠素濃度測量系統(tǒng)，克服了環(huán)境光的影響，實(shí)現(xiàn)了微弱熒光信號的提取，完成了葉綠素a的測量，測量值與實(shí)際值之間相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.99815，具有良好的相關(guān)性?？稍谛盘柾ǖ乐屑尤胫行念l率為調(diào)制頻率的窄帶帶通濾波器，進(jìn)一步提高鎖相放大電路的干擾抑制能力。該測量系統(tǒng)能夠以原位在線或巡航的方式實(shí)現(xiàn)水體葉綠素測量，對于水體環(huán)境監(jiān)測具有重要應(yīng)用價(jià)值。

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Measurement of chlorophyll in water using lock-in amplifier

GAO Xian-he， SHI Chao-yi

(Anhui Collaborative Innovation Center for Modern Electronic Control and Detection Technology, Hefei University， Hefei 230001, China)

Accurate measurement of algae concentration is important for prevention and treatment of algal bloom, which may seriously affect the fishery production and residents' health and safety.Measurement of chlorophyll a concentration using chlorophyll fluorescence is an effective means to reflect the algae concentration. The fluorescence is very weak and is susceptible to ambient light, so a lock-in amplifier was employed to measure the fluorescence. LED was used as excitation light source, PIN detector was employed for fluorescence detection, and a lock-in amplifier was designed based on AD630. Anabaena of 10 concentration gradients between 0-100 μg/L was used for system testing, and the measurement results showed that the correlation coefficient of the measured value and the actual concentration of chlorophyll a is 0.99815.

algae; chlorophyll a fluorescence; lock-in amplifier

2017-03-05；

2017-03-10

安徽高校自然科學(xué)研究項(xiàng)目(KJ2016A594)；安徽省自然科學(xué)基金(1708085QD87)

高先和，副教授，從事信號檢測與技術(shù)研究，E-mail: gaoxh@hfuu.edu.cn

石朝毅，博士，講師，研究方向?yàn)闇y量技術(shù)，E-mail: cyshi@hfuu.eud.cn

Q948.15；X835

A

2095-1736(2017)02-0033-03

doi∶10.3969/j.issn.2095-1736.2017.02.033