葉綠素a熒光檢測系統(tǒng)的設(shè)計與研制

唐衛(wèi)群

摘 要： 采用熒光檢測技術(shù)，用一定波長的光激發(fā)葉綠素a發(fā)生熒光，根據(jù)檢測熒光強度實現(xiàn)對葉綠素a濃度的測定。檢測儀無需取樣，可直接投入環(huán)境水體中直接檢測，具有靈敏度高、準確性好、功耗低和綠色環(huán)保等優(yōu)點，具有一定的研究和推廣應(yīng)用價值。

關(guān)鍵詞： 葉綠素a； 熒光檢測； 激發(fā)光； 葉綠素濃度

中圖分類號： O 657 文獻標志碼： A 文章編號： 1671-2153（2017）01-0098-03

0 引 言

治理水體污染，首先要解決的是對水體的富營養(yǎng)化程度[1]進行實時、有效、準確的監(jiān)測，水體中葉綠素a的質(zhì)量濃度，是衡量水質(zhì)營養(yǎng)狀況的一個重要指標，在水質(zhì)檢測中，根據(jù)通過檢測到葉綠素a的質(zhì)量濃度，分析得到水體中浮游植物的存活時間、蘊藏量、空間分布和變化規(guī)律。本文提出的葉綠素a檢測系統(tǒng)屬熒光檢測法，但它不需要采集水樣、不需要試劑，使用時直接把檢測儀投入到待測水體中，就可以得到檢測結(jié)果，具有檢測速度高、靈敏度高、實時性高等顯著優(yōu)點，可以被廣泛應(yīng)用于水體富營養(yǎng)化的現(xiàn)場檢測。

1 檢測系統(tǒng)的設(shè)計

物質(zhì)對不同波長的入射光具有不同的激發(fā)效率[3]，熒光光譜分析就是繪制出某一物質(zhì)溶液的熒光激發(fā)光譜和發(fā)射光譜，不同分子結(jié)構(gòu)的物質(zhì)所產(chǎn)生的激發(fā)光譜和發(fā)射光譜也各不相同，就如同人類手指的指紋一樣為獨有的存在，因此，可以通過把待測物質(zhì)溶液的兩種光譜和已知物質(zhì)溶液的兩種光譜進行比對，對物質(zhì)的成份和含量進行定性分析和定量計算。

本文提出的葉綠素a熒光檢測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖1中，整個系統(tǒng)可以分成光路和硬件兩個部分。

檢測系統(tǒng)的工作原理：由微控制器（單片機）產(chǎn)生的調(diào)制信號，控制驅(qū)動模塊產(chǎn)生中心波長為430 nm的激發(fā)光；當此激發(fā)光照射到盛有葉綠素a試樣溶液的器皿時，會產(chǎn)生峰值波長為680 nm的熒光信號；經(jīng)光電轉(zhuǎn)換器接收并轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的電信號后，再經(jīng)過放大、濾波、AD轉(zhuǎn)換后得到相應(yīng)的直流電壓信號；最后，由微控制器（單片機）對信號存儲、 由RS232通信口傳送給上位機（PC機）顯示或者進一步分析處理。

1.1 光路部分

光路部分的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

光路部分的功能：在驅(qū)動信號的作用下，由LED光源產(chǎn)生激發(fā)光，通過濾光片得到特定波長（如430 nm）的光，此單色光照射到待測水體上，水體浮游植物中的葉綠素a就會受激發(fā)而發(fā)出各種波長的混合熒光，再經(jīng)過濾光片得到特定波長（如680 nm）的熒光，然后再經(jīng)過透鏡的匯聚照射到光電轉(zhuǎn)換器的接收面上。

1.2 硬件電路部分

硬件電路包括電源、LED驅(qū)動電路、光電檢測器、I/V轉(zhuǎn)換器、放大器、濾波電路、檢波電路、AD轉(zhuǎn)換電路、信號傳輸電路以及控制電路等多個部分。

1.2.1 電源

電源負責(zé)提供5.0 V的電壓給模擬信號處理電路和LED驅(qū)動電路，同時提供3.3 V的電壓給數(shù)字信號處理電路。為了滿足能夠在水下長時間工作的要求，本系統(tǒng)選用了可充電聚合物鋰電池。

1.2.2 LED驅(qū)動電路

本文檢測系統(tǒng)的光源采用LED光源，發(fā)光波長范圍取425～430 nm間，正向激勵電流100 mA，同時對驅(qū)動電路還要求其具備響應(yīng)快、效率高、能耗低、綠色環(huán)保等優(yōu)點，驅(qū)動電路采用MA1916芯片[4]實現(xiàn)，其亮度穩(wěn)定并且效率高。

驅(qū)動電路的作用主要體現(xiàn)在兩個方面，其一是要保證光源的穩(wěn)定，只有在穩(wěn)定的光源下才能夠得到穩(wěn)定的熒光光譜；其二是要實現(xiàn)對激發(fā)光源的調(diào)制，從而在較強的可見光的干擾下能夠檢測到微弱的熒光信號。

1.2.3 光電檢測器、I/V轉(zhuǎn)換電路

本檢測系統(tǒng)中光電檢測器的靈敏度足夠高，整個系統(tǒng)的檢測精度在很大程度上取決于光電檢測器的性能，系統(tǒng)采用了具有靈敏度高、響應(yīng)速度快、線性好的S1336光電二極管，以適應(yīng)較弱的熒光信號，經(jīng)光電二極管轉(zhuǎn)換得到的電流信號再經(jīng)過I/V轉(zhuǎn)換電路，得到相對應(yīng)的電壓信號后，送到后續(xù)處理電路。

1.2.4 放大濾波電路

采用LTC6240芯片實現(xiàn)放大濾波，同相放大器的電壓放大倍數(shù)約達50倍，信號在濾除了高頻和低頻成分后，得到了較為平滑的信號。

1.2.5 檢波電路

檢波電路的作用是把交流信號轉(zhuǎn)換為直流信號，再由AD轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的數(shù)字信號，然后再進行采集。

1.2.6 AD轉(zhuǎn)換電路

檢波得到的模擬信號，需要經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，方能送到微處理器中進行處理。本系統(tǒng)采用的是ADS1100芯片，具有16位分辨率、全差分輸入、帶自校準等功能[5]，并且該芯片內(nèi)的可編程增益放大器可提供最大增益達8，可以采樣到極微弱的信號，該芯片在一次轉(zhuǎn)換結(jié)束后，會自動關(guān)閉自身電源，從而減少系統(tǒng)在空閑周期內(nèi)的消耗。

1.2.7 控制電路

系統(tǒng)的控制電路采用MSP430F149單片機為核心，該芯片具有功耗低、總線豐富、運算性能優(yōu)越等突出優(yōu)點。單片機通過SPI總線把數(shù)字信號傳輸?shù)酱鎯ζ髦袝捍?，信號處理結(jié)束后再通過RS232串行接口把數(shù)據(jù)上傳到上位機（PC機），作顯示或進一步分析。此外，控制電路還負責(zé)產(chǎn)生2KHZ的驅(qū)動信號，以供各部分電路的電源控制。

2 系統(tǒng)測試

本文檢測系統(tǒng)通過以下實驗來分析和驗證葉綠素a的質(zhì)量濃度與熒光檢測系統(tǒng)的輸出電壓值之間的關(guān)系。具體做法：配置已知質(zhì)量濃度的葉綠素a系列標準原液，并用檢測系統(tǒng)進行測定，記錄在不同質(zhì)量濃度的溶液下，所對應(yīng)的檢波電路輸出端的電壓值，檢測結(jié)果如圖3所示。由圖3可以看出，熒光強度對應(yīng)的電壓值與葉綠素a溶液的質(zhì)量濃度基本呈現(xiàn)負指數(shù)關(guān)系；再對實驗得到的數(shù)據(jù)進行線性擬合，發(fā)現(xiàn)待測原液質(zhì)量濃度越低、曲線的線性度越好，也就是說在葉綠素a溶液的質(zhì)量濃度較低時，葉綠素a質(zhì)量濃度與其熒光強度對應(yīng)的電壓值呈線性關(guān)系。為驗證結(jié)論，再取葉綠素a溶液的質(zhì)量濃度在1.190 mg/L以下的數(shù)據(jù)進行再次擬合，其數(shù)據(jù)如表1所示，擬合結(jié)果如圖3所示。

對實驗得到的標準曲線進行線性分析可知，其線性相關(guān)系數(shù)R=0.99382，說明葉綠素a的稀溶液的熒光強度滿足線性關(guān)系，本文提出的檢測系統(tǒng)達到最初的設(shè)計要求。另外，根據(jù)檢測數(shù)據(jù)，同時得到檢測系統(tǒng)的輸出電壓與葉綠素a質(zhì)量濃度的回歸方程為

y=1.4019x+0.02005。

根據(jù)此方程，可以對系統(tǒng)進行標定，在檢測未知濃度的葉綠素a溶液時，可以把檢測系統(tǒng)輸出的電壓值代入上式，就可以計算得到其質(zhì)量濃度。不過，要注意的是，當測量水域改變，則需要重新標定再檢測，以確保檢測結(jié)果的可靠準確。

3 結(jié)束語

由于熒光信號很微弱，在檢測時容易受到元器件引腳、可見光等因素的干擾，所以在本系統(tǒng)的設(shè)計中，硬件電路的電子元件都選用貼片封裝，以減少元件引腳帶來的干擾，并且也能降低成本；采用調(diào)制信號驅(qū)動來產(chǎn)生激發(fā)光，以有效減少可見光和光電器件的低頻噪聲的影響。通過原理分析以及實驗驗證，本文提出的熒光檢測系統(tǒng)完全符合設(shè)計要求，可以準確且快速地檢測出葉綠素a稀溶液的質(zhì)量濃度，并且還具有靈敏度高、實時性好、無需試劑、使用方便、環(huán)保低功耗等顯著優(yōu)點。

本文提出的熒光檢測系統(tǒng)，適用于河流、湖泊等水體中的浮游植物葉綠素a的實時在線檢測，具有較高的推廣應(yīng)用價值。

參考文獻：

[1] 魏紅艷. 葉綠素?zé)晒鈾z測技術(shù)及儀器的研制[D]. 天津大學(xué)，2009.

[2] 楊益民. 葉綠素a熒光檢測儀的設(shè)計與開發(fā)[D]. 浙江大學(xué)，2011.

[3] 武會江. 葉綠素?zé)晒鈾z測系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J]. 電子測量技術(shù)，2014（7）：121-124.

[4] 尚云. 葉綠素?zé)晒鈾z測電路設(shè)計[J]. 測控技術(shù)，2015（3）：9-12.

[5] 趙友全. 葉綠素?zé)晒鈾z測技術(shù)及儀器的研究[J]. 儀器儀表學(xué)報，2010（6）：1342-1344.

Abstract： Based on the fluorescence detection technology， using a certain wavelengths of light excites chlorophyll a for fluorescence， detects for the concentrations of chlorophyll a according to the intensity of fluorescence. Detector neednt sampling， can be directly used in water， and has lots of advantages， such as high sensitivity， good accuracy， low power consumption， going green and environmental protection and so on. So it is of value in both theoretical research and actual practice.

Keywords： chlorophyll a； fluorescence detection； excitation light； chlorophyll concentration

（責(zé)任編輯：徐興華）