楊　飛，陶志浩，鄭貴林

（武漢大學(xué)自動(dòng)化系，武漢430072）

一種藍(lán)藻生物量長(zhǎng)期原位實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)儀的研制*

楊飛*，陶志浩，鄭貴林

（武漢大學(xué)自動(dòng)化系，武漢430072）

近年來(lái)，各類(lèi)水體藍(lán)藻水華災(zāi)害頻繁發(fā)生，導(dǎo)致水體生態(tài)系統(tǒng)功能退化和破壞，并嚴(yán)重危害到水產(chǎn)養(yǎng)殖和用水安全。對(duì)水體中藍(lán)藻生物量進(jìn)行長(zhǎng)期實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)是防治藍(lán)藻水華災(zāi)害的一項(xiàng)必要措施?；谒{(lán)藻中所含藻藍(lán)蛋白的特征熒光效應(yīng)，即采用620 nm波長(zhǎng)的強(qiáng)光激發(fā)出645 nm波長(zhǎng)的熒光并通過(guò)檢測(cè)其強(qiáng)度來(lái)推算水中藍(lán)藻生物量，最終研制出了一種能對(duì)水體中活體藍(lán)藻生物量實(shí)現(xiàn)原位快速監(jiān)測(cè)的儀器，輔以專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的自清洗功能使之能長(zhǎng)期免于人工維護(hù)和校準(zhǔn)。為滿足對(duì)廣闊水域的時(shí)空分布動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的需要，采用GPS技術(shù)獲得各測(cè)點(diǎn)地理位置信息，還采用無(wú)線通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)其與監(jiān)測(cè)中心的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)在線數(shù)據(jù)通信，藉此擴(kuò)展了其實(shí)用范圍。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，藍(lán)藻生物量與檢測(cè)值的線性相關(guān)系數(shù)可達(dá)0.98以上，可見(jiàn)檢測(cè)值能精確地反映藍(lán)藻濃度的變化。

藍(lán)藻生物量；原位監(jiān)測(cè)；熒光效應(yīng)；自清洗

EEACC：7230Jdoi：10.3969/j.issn.1004-1699.2016.05.025

藍(lán)藻（Cyanobacteria）又稱(chēng)藍(lán)細(xì)菌、藍(lán)綠菌或藍(lán)綠藻，是一種能進(jìn)行產(chǎn)氧性光合作用的原核生物，其在地球上已存在了30多億年，對(duì)地球表面從無(wú)氧的大氣環(huán)境變?yōu)橛醒醐h(huán)境起到了巨大的作用。近些年來(lái)，由于人類(lèi)活動(dòng)的影響，水體富營(yíng)養(yǎng)化的現(xiàn)象屢見(jiàn)不鮮，這些水體中經(jīng)常出現(xiàn)異常大量繁殖的藍(lán)藻，極易堆積、腐爛沉降從而造成大面積水華現(xiàn)象，其危害十分巨大［1-2］。例如：藍(lán)藻的大量繁殖惡化了水體中的通風(fēng)、光照和含氧環(huán)境，破壞了水體生態(tài)系統(tǒng)，壓縮了魚(yú)類(lèi)和其他生物的生存空間，且其產(chǎn)生的異味物質(zhì)和毒素會(huì)嚴(yán)重影響到飲用水源和水產(chǎn)品的安全，乃至危害到人類(lèi)身體健康。對(duì)水體中藍(lán)藻生物量進(jìn)行監(jiān)測(cè)是預(yù)警和防治藍(lán)藻水華災(zāi)害工作的重要環(huán)節(jié)［2-3］。同時(shí)，隨著飲用水安全問(wèn)題的日益突出，國(guó)內(nèi)各主要湖區(qū)水庫(kù)都已開(kāi)始對(duì)水體的富營(yíng)養(yǎng)化進(jìn)行監(jiān)測(cè)，藍(lán)藻水華是水體污染的顯著標(biāo)志，也是水體富營(yíng)養(yǎng)化的直觀表征［4］。因此，對(duì)水體藍(lán)藻生物量進(jìn)行監(jiān)測(cè)對(duì)水體富營(yíng)養(yǎng)化程度評(píng)價(jià)也具有參考意義。

對(duì)于水體中藍(lán)藻生物量的測(cè)定，傳統(tǒng)的方法一般都是通過(guò)將采集的水樣濃縮成標(biāo)本后帶回實(shí)驗(yàn)室，由專(zhuān)業(yè)分析人員在顯微鏡下觀察統(tǒng)計(jì)藍(lán)藻個(gè)體總數(shù)［5］。這種群落人工計(jì)數(shù)法對(duì)分析人員的專(zhuān)業(yè)素養(yǎng)要求很高，在實(shí)際工作中往往精度難以得到保證，而且需要耗費(fèi)大量時(shí)間和人力；更重要的是，由于不能在原位進(jìn)行快速檢測(cè)，所以并不適應(yīng)快速、連續(xù)的藍(lán)藻預(yù)警和監(jiān)測(cè)的需要。近些年來(lái)，為了滿足對(duì)日益頻發(fā)的藍(lán)藻水華現(xiàn)象進(jìn)行監(jiān)控的需要，多光譜遙感技術(shù)開(kāi)始在各國(guó)得到應(yīng)用［4，6］。水體的光譜特征是由其中的各種物質(zhì)對(duì)光輻射的吸收和散射性質(zhì)決定的，即水體中藍(lán)藻生物量濃度的差異，使水體顏色、密度、透明度等產(chǎn)生差異，從而使圖像傳感器上接收到的光譜特征存在差異，在遙感圖像上反映為色調(diào)、灰階、形態(tài)、紋理等特征的差別?；诖嗽?，可以通過(guò)研究水體反射光譜特征與水體浮游生物量之間的關(guān)系建立反演算法。盡管使用遙感技術(shù)監(jiān)測(cè)藍(lán)藻具有可快速同時(shí)監(jiān)測(cè)大面積水域的優(yōu)點(diǎn)，但因遙感圖像數(shù)據(jù)來(lái)自于搭載在各種遙感平臺(tái)上的傳感器，其成像效果容易受到云層等因素的影響［7］，所以只能用于大致判別藍(lán)藻水華是否已經(jīng)大面積暴發(fā)，并不能精確地監(jiān)測(cè)藍(lán)藻水華暴發(fā)前水體中藍(lán)藻生物量的變化過(guò)程。因此需要研究滿足對(duì)水體各處藍(lán)藻生物量進(jìn)行長(zhǎng)期原位監(jiān)測(cè)的儀器，而熒光法可能是目前最具現(xiàn)實(shí)應(yīng)用價(jià)值的檢測(cè)方法。自Lorenzen［8］率先利用葉綠素的熒光效應(yīng)成功地連續(xù)檢測(cè)海水中活體葉綠素a的濃度后，利用此原理檢測(cè)水中浮游植物生物量已是被廣為接受的檢測(cè)方法［9-11］。由于葉綠素a在各種浮游植物中廣泛存在，藍(lán)藻中也含有葉綠素a，故難以通過(guò)葉綠素的熒光效應(yīng)從浮游植物群落中準(zhǔn)確區(qū)分出其中藍(lán)藻的生物量。本文根據(jù)藍(lán)藻中特有的藻藍(lán)蛋白的熒光效應(yīng)，研制出一種能對(duì)水體中藍(lán)藻生物量進(jìn)行原位快速檢測(cè)的儀器。研究中還發(fā)現(xiàn)，由于這類(lèi)利用熒光效應(yīng)原理的原位檢測(cè)儀在各類(lèi)水體中的工作時(shí)，儀器中長(zhǎng)期與水體直接接觸的光學(xué)部件都將不可避免地受到水體中各種雜質(zhì)或浮游植物等的粘附，將會(huì)阻礙激勵(lì)光和發(fā)射光的傳播路徑，導(dǎo)致藍(lán)藻活體受照射的和檢測(cè)到其發(fā)射的光強(qiáng)均會(huì)減弱，從而會(huì)導(dǎo)致藍(lán)藻生物量檢測(cè)結(jié)果比真實(shí)值偏低，這一現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中存在的問(wèn)題在公開(kāi)文獻(xiàn)中鮮有提及。為了盡量延長(zhǎng)藍(lán)藻濃度監(jiān)測(cè)儀的人工維護(hù)周期并降低使用成本，本文所研制的儀器專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)有自清洗裝置，可對(duì)光學(xué)核心部件進(jìn)行自動(dòng)清洗，防止有害的粘附。另外，為滿足對(duì)廣闊水域的時(shí)空分布動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的需要，通過(guò)采用GPS技術(shù)獲得各測(cè)點(diǎn)位置信息，還采用無(wú)線通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)其與監(jiān)測(cè)中心的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通信，藉此擴(kuò)展了其實(shí)際應(yīng)用范圍。

1　熒光法檢測(cè)原理

當(dāng)用高強(qiáng)度的光射入某種物質(zhì)時(shí)，該物質(zhì)中的電子吸收能量從基態(tài)躍遷到高能級(jí)，此時(shí)由于電子處于高能級(jí)非穩(wěn)態(tài)，就會(huì)從高能級(jí)躍遷至低能級(jí)，從而釋放能量發(fā)出波長(zhǎng)更長(zhǎng)的光，這種現(xiàn)象稱(chēng)為熒光效應(yīng)。一般情況下，單位體積內(nèi)這種具有熒光效應(yīng)的物質(zhì)越多，在同樣強(qiáng)度的激勵(lì)光照射下，釋放出的熒光強(qiáng)度也就越大。由于激勵(lì)光和發(fā)射熒光的波長(zhǎng)不同，因此只要選擇一組合適的窄帶帶通濾光片，即可將激勵(lì)光和發(fā)射熒光區(qū)分開(kāi)來(lái)，從而可達(dá)到通過(guò)檢測(cè)發(fā)射熒光強(qiáng)度來(lái)度量該物質(zhì)濃度的目的，這就是熒光法檢測(cè)的基本原理。研究發(fā)現(xiàn)［12］，當(dāng)用可見(jiàn)光照射藍(lán)藻時(shí)，其所特有的藻藍(lán)蛋白在受強(qiáng)光激勵(lì)后會(huì)立即以輻射躍遷形式將其吸收的能量釋放出，同時(shí)會(huì)發(fā)射出中心波長(zhǎng)為645 nm的熒光，其吸收光譜主要是620 nm左右的可見(jiàn)光。

根據(jù)藻藍(lán)蛋白的這種特征熒光效應(yīng)，本文采用一種中心波長(zhǎng)為620 nm的單色光照射待測(cè)水樣，以激發(fā)出中心波長(zhǎng)為645 nm的熒光，然后通過(guò)檢測(cè)所激發(fā)熒光的強(qiáng)度進(jìn)而推算出水樣中藍(lán)藻生物量濃度值。發(fā)射的激勵(lì)光譜避開(kāi)了葉綠素a在可見(jiàn)光波段的2個(gè)最強(qiáng)吸收區(qū)：波長(zhǎng)為640 nm～660 nm的紅光波段和波長(zhǎng)為430 nm～470 nm的藍(lán)紫光波段，因此能大大降低水樣中所含葉綠素a對(duì)檢測(cè)結(jié)果的干擾。使用這種方法檢測(cè)藍(lán)藻生物量，其待檢測(cè)水樣不需要預(yù)處理和等待，特別適合在原位快速檢測(cè)水體中各處的藍(lán)藻生物量。

研究表明，物質(zhì)激發(fā)出的熒光強(qiáng)度F與其摩爾吸光系數(shù)ε、濃度c、熒光效率φ、樣品的光程b、熒光檢測(cè)儀器常數(shù)k及激勵(lì)光強(qiáng)度I0有密切關(guān)系。當(dāng)待測(cè)物質(zhì)及檢測(cè)儀器確定后，ε、φ、b、k均為常數(shù)。根據(jù)Beer-Lambert定律，物質(zhì)的熒光相對(duì)強(qiáng)度可用下式表示［9］：

展開(kāi)式（1）中的指數(shù)項(xiàng)后可得：

當(dāng)εcb的值很小時(shí)，式（2）中括號(hào)內(nèi)的展開(kāi)項(xiàng)第二項(xiàng)及其后項(xiàng)可忽略不計(jì)，它可簡(jiǎn)化為：

由式（3）可見(jiàn)，在某一固定頻率和強(qiáng)度為I0的入射光激勵(lì)下，發(fā)射的熒光強(qiáng)度與該物質(zhì)的溶液濃度成正比。因此通過(guò)檢測(cè)接收到的激發(fā)熒光的強(qiáng)度即可推算出藍(lán)藻生物量濃度值。

2　系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的藍(lán)藻生物量監(jiān)測(cè)儀系統(tǒng)如圖1所示，它以單片機(jī)MCU作為控制核心，主要由激勵(lì)光源子系統(tǒng)、熒光檢測(cè)子系統(tǒng)、清洗子系統(tǒng)和通信子系統(tǒng)組成。

圖1　系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖

下文將對(duì)各關(guān)鍵子系統(tǒng)給出詳細(xì)設(shè)計(jì)說(shuō)明。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的主要工作流程如圖2所示：首先單片機(jī)控制水泵將水樣抽取至檢測(cè)腔，接著激勵(lì)光源子系統(tǒng)調(diào)制發(fā)射波長(zhǎng)為620 nm的發(fā)光二極管（LED）光源對(duì)檢測(cè)腔中的水樣進(jìn)行照射，同時(shí)熒光檢測(cè)子系統(tǒng)中的光電轉(zhuǎn)換器件（高靈敏光敏管）接收藍(lán)藻體內(nèi)的藻藍(lán)蛋白受激發(fā)出的熒光并轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏餍盘?hào)，再經(jīng)過(guò)I/V轉(zhuǎn)換、放大、濾波、檢波等信號(hào)調(diào)理后進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，然后由單片機(jī)讀取A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)即為檢測(cè)結(jié)果。最后，單片機(jī)還需控制水泵對(duì)檢測(cè)腔內(nèi)部進(jìn)行沖洗并排干水。水樣被抽至檢測(cè)腔內(nèi)后，從控制LED發(fā)射激勵(lì)光到讀取到發(fā)射熒光轉(zhuǎn)換成的電壓值的所用時(shí)間極短，能滿足實(shí)時(shí)檢測(cè)的需要。該系統(tǒng)在野外工作，因此采用了太陽(yáng)能板和蓄電池供電。

考慮到現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中往往需要對(duì)大面積水域進(jìn)行多點(diǎn)同時(shí)監(jiān)測(cè)，且監(jiān)測(cè)點(diǎn)往往會(huì)設(shè)在離岸邊較遠(yuǎn)的水中。因此監(jiān)測(cè)儀還專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)有數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳通信接口，既可通過(guò)RS485有線通信方式或Zigbee無(wú)線模塊將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸至幾公里以內(nèi)的本地監(jiān)測(cè)中心，還可連接GPRS/3G/4G公網(wǎng)無(wú)線通信模塊將檢測(cè)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳送到任意地點(diǎn)的接有互聯(lián)網(wǎng)的監(jiān)測(cè)中心，并可接收監(jiān)測(cè)中心的控制指令。根據(jù)需要，監(jiān)測(cè)儀還可外接GPS模塊，通過(guò)讀取其授時(shí)時(shí)間和經(jīng)緯度數(shù)據(jù)得到所在地的準(zhǔn)確時(shí)間和地理位置，監(jiān)測(cè)中心可利用這些數(shù)據(jù)和GIS地理信息系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)廣闊水域的時(shí)空分布動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。

圖3為本文所設(shè)計(jì)的監(jiān)測(cè)中心上位機(jī)軟件的工作界面。圖3中橫軸表示時(shí)刻，其單位是小時(shí)，縱軸表示藍(lán)藻濃度值，其單位是cells/mL，該實(shí)時(shí)曲線為當(dāng)天0∶00～15∶00每隔1h自動(dòng)檢測(cè)1次的藍(lán)藻實(shí)時(shí)濃度值。

圖2　系統(tǒng)主要工作流程示意圖

圖3　監(jiān)測(cè)中心上位機(jī)軟件工作界面

2.2儀器機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在儀器的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，由于檢測(cè)腔是整個(gè)檢測(cè)儀器的核心裝置，所以必須進(jìn)行重點(diǎn)考慮。如圖4所示，本文所設(shè)計(jì)的檢測(cè)腔裝置主要包括：①激勵(lì)光源腔，用于安裝LED光源，向下發(fā)射光照射檢測(cè)腔中的水樣；②激勵(lì)光路帶通濾光片，將LED發(fā)出的光進(jìn)行過(guò)濾，僅使620 nm左右窄帶內(nèi)波長(zhǎng)的光通過(guò)射入下方的待測(cè)水樣；③清洗噴嘴，用于泵入高速水流沖洗對(duì)面的檢測(cè)窗口；④檢測(cè)腔體，該腔體為遮光密閉結(jié)構(gòu)，內(nèi)壁加工光潔度要求高，以盡量減少雜物粘附且便于清洗；⑤接收光路帶通濾光片，僅使650 nm左右窄帶內(nèi)波長(zhǎng)的光進(jìn)入到右邊熒光接收模塊；⑥檢測(cè)窗前端半球凸透鏡，用于匯聚水樣中藍(lán)藻受激產(chǎn)生的微弱熒光；⑦熒光接收模塊，用于將接收到熒光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)；⑧排水口，與雙向泵連接，用來(lái)將水樣泵入到檢測(cè)腔進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)完后再由此排出，避免水樣在檢測(cè)腔體中長(zhǎng)期浸泡后粘附到檢測(cè)窗表面。

圖4　檢測(cè)腔裝置結(jié)構(gòu)示意圖

該檢測(cè)腔裝置的實(shí)物圖見(jiàn)圖5左圖上部分黑色主體部分。圖5左圖下部分的金屬盒為儀器的電氣控制部分，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和接線如圖5右圖所示。

圖5　儀器樣機(jī)及其內(nèi)部電路照片

2.3激勵(lì)光源子系統(tǒng)

對(duì)于激勵(lì)光源子系統(tǒng)而言，由于水體中的藍(lán)藻（藻藍(lán)蛋白）含量通常較低，因此需要保證激勵(lì)光源的亮度足夠大。針對(duì)藻藍(lán)蛋白的光學(xué)吸收特性，本文所設(shè)計(jì)的儀器選用中心波長(zhǎng)為620 nm的多個(gè)高亮LED作為激勵(lì)光源。相比以往研究中廣泛使用的氙燈或氦氖激光器，采用LED作為激勵(lì)光源具有體積小、功耗低、散熱小、響應(yīng)快、壽命長(zhǎng)、單色性好和工作電壓低等優(yōu)點(diǎn)，適用于在野外工作的小型儀器。其下安裝了中心波長(zhǎng)為620 nm的窄帶濾光片，其半波帶寬為10 nm，以盡量保證只有所需的特征波段的激勵(lì)光線射入水樣。LED的發(fā)光強(qiáng)度由驅(qū)動(dòng)電流決定，驅(qū)動(dòng)電流的大小和波動(dòng)都會(huì)直接影響LED激勵(lì)光源的激勵(lì)效果，進(jìn)而對(duì)儀器的穩(wěn)定性和可靠性有很大的影響。在本系統(tǒng)中，激勵(lì)光源驅(qū)動(dòng)電路采用GS6300為L(zhǎng)ED提供恒定的驅(qū)動(dòng)電流，以獲得穩(wěn)定的激勵(lì)效果。GS6300是一款高效率、恒流、恒壓芯片，輸入電壓范圍為4.5 V～40 V，方便在野外使用時(shí)用電池供電，輸出電壓1.3 V～37 V可調(diào)節(jié)，輸出電流可高達(dá)3A。LED恒流驅(qū)動(dòng)電路如圖6所示，其輸出電流值為1.55 A，在-40～125℃范圍內(nèi)能穩(wěn)定工作。MOSFET管與LED串聯(lián)接至驅(qū)動(dòng)電路的輸出端，并由MCU控制MOSFET管的導(dǎo)通和截止來(lái)控制LED激勵(lì)光源的啟停。

圖6　LED恒流驅(qū)動(dòng)電路

2.4熒光檢測(cè)子系統(tǒng)

由于水體中的藍(lán)藻即使是在強(qiáng)光激勵(lì)下發(fā)射的熒光，其光強(qiáng)依然很弱，因此熒光接收檢測(cè)系統(tǒng)需要具有很高的靈敏度，從而保證整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的有效性。將接收到的熒光轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的光接收器件的靈敏度在很大程度上決定了檢測(cè)性能。常用的光接收器件有光電池、光敏電阻、光敏管、光電倍增管等。本文選用日本濱松公司的S1336光敏管作為接收熒光的傳感器，其在波長(zhǎng)為645 nm左右波段的光靈敏度可達(dá)0.35 A/W。需要指出的是，在以往熒光檢測(cè)研究中廣泛使用的光電倍增管雖然靈敏度很高，但其工作電壓非常高，體積也較大，比較適合應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)儀器中，難以滿足野外現(xiàn)場(chǎng)使用中對(duì)功耗和體積的要求，因此本文挑選了工作電壓低、體積小便于集成的光敏管來(lái)實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換。

為了更好地接收特征波長(zhǎng)的熒光，在光敏管感光窗口前安裝了半球凸透鏡用于匯聚熒光光線，還安裝了中心波長(zhǎng)為650 nm帶通濾光片（半波帶寬為10 nm），以阻止激勵(lì)光線在水樣中被折射和反射后形成的雜散光射向光接收器件。由于激勵(lì)光和發(fā)射熒光的波段相隔較近，因此盡管發(fā)射熒光的峰值波長(zhǎng)為645 nm，但本文在選擇接收濾光片時(shí)沒(méi)有選擇中心波長(zhǎng)為645 nm的帶通濾光片，而是選擇了中心波長(zhǎng)為650 nm帶通濾光片，以盡量消弱激勵(lì)光源射向光敏管的光線。

2.5清洗子系統(tǒng)

原位監(jiān)測(cè)相比取樣送檢具有很多的優(yōu)點(diǎn)，它能真實(shí)并且快速地測(cè)得所選測(cè)點(diǎn)處水體的藍(lán)藻生物量變化情況，但也比檢測(cè)技術(shù)提出了更高的要求。水體藍(lán)藻原位監(jiān)測(cè)常要求監(jiān)測(cè)儀就近安裝或直接浸于水中，對(duì)儀器的校準(zhǔn)或維護(hù)常受到野外水域環(huán)境的制約不便經(jīng)常開(kāi)展，而藍(lán)藻的防治又恰恰需要對(duì)水體進(jìn)行長(zhǎng)年的不間斷監(jiān)測(cè)。藍(lán)藻監(jiān)測(cè)儀在長(zhǎng)時(shí)間的使用過(guò)程中，儀器中長(zhǎng)期與水體直接接觸的光學(xué)部件都將不可避免地受到水體中各種雜質(zhì)或浮游植物等的粘附，這將阻礙激勵(lì)光和發(fā)射光的傳播路徑，導(dǎo)致藍(lán)藻活體受照射的和檢測(cè)到其發(fā)射的光強(qiáng)均會(huì)減弱，從而藍(lán)藻濃度檢測(cè)結(jié)果比真實(shí)值偏低，嚴(yán)重影響了監(jiān)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。針對(duì)類(lèi)似問(wèn)題，傳統(tǒng)的水質(zhì)傳感器均采用人工維護(hù)的辦法，即定期將傳感器取出，人工清洗傳感器表面和內(nèi)部污垢及附著微生物，有時(shí)還需進(jìn)行再次標(biāo)定和校準(zhǔn)。在維護(hù)期間，監(jiān)測(cè)過(guò)程被強(qiáng)行中斷，不但存在維護(hù)技術(shù)難度和成本的問(wèn)題，而且維護(hù)過(guò)程往往繁瑣耗時(shí)，如此會(huì)使相關(guān)人員疲于維護(hù)或懶于維護(hù)，因此可能還會(huì)因此導(dǎo)致監(jiān)測(cè)結(jié)果不可信的后果。

針對(duì)這一問(wèn)題，本文專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)了自維護(hù)技術(shù)，利用雙向水泵先將水樣抽入檢測(cè)腔，待測(cè)完后再完全排出，避免水樣長(zhǎng)期浸泡光學(xué)檢測(cè)窗。在光學(xué)檢測(cè)窗對(duì)面專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)有一個(gè)清洗噴嘴，每次檢測(cè)完成后使用一定的壓力將清洗液噴至光學(xué)檢測(cè)窗，以沖洗可能粘附在其上的各種雜質(zhì)，再由雙向泵排出清洗液，反復(fù)多次還可達(dá)到清洗檢測(cè)腔內(nèi)部的目的。沖洗液可以是取自附近水體并經(jīng)過(guò)濾后的凈水，也可配備其他對(duì)水體無(wú)害無(wú)污染的洗滌液。這種方法實(shí)用有效，針對(duì)性強(qiáng)，且不會(huì)大幅增加儀器的成本。

3　實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為驗(yàn)證監(jiān)測(cè)儀對(duì)真實(shí)水體中藍(lán)藻生物量的檢測(cè)效果，分別于2015年9月6日和10月26日從武漢市沙湖湖內(nèi)取得1號(hào)水樣和2號(hào)水樣，各自測(cè)定水樣中藍(lán)藻的特征熒光強(qiáng)度，即通過(guò)讀取熒光強(qiáng)度檢測(cè)輸出的電壓值，獲得水樣中藍(lán)藻生物量的相對(duì)測(cè)算值。實(shí)驗(yàn)時(shí)，將取得的原始水樣以蒸餾水等比例稀釋成不同倍數(shù)，再利用本監(jiān)測(cè)儀分別檢定稀釋后的水樣，檢測(cè)值結(jié)果見(jiàn)表1和表2所列，每個(gè)數(shù)據(jù)皆為重復(fù)檢測(cè)5次后所求的平均值，在現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)中也是依此方法求均值來(lái)得到最終檢測(cè)值。另外，還將這2次檢測(cè)實(shí)驗(yàn)中的熒光強(qiáng)度值與水樣相對(duì)濃度值進(jìn)行線性擬合，如圖7所示。

表1　1號(hào)水樣測(cè)量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

表2　2號(hào)水樣測(cè)量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖7　水樣實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果

由圖7可見(jiàn)，水樣的相對(duì)濃度與電壓值呈良好的線性關(guān)系，檢測(cè)值能較好地反映稀釋濃度變化。1號(hào)水樣所對(duì)應(yīng)的線性回歸方程為y=2 835.2x+676，相關(guān)系數(shù)為0.994 5；2號(hào)水樣所對(duì)應(yīng)的線性回歸方程為y=649.8x+642，相關(guān)系數(shù)為0.988 4。1號(hào)水樣與2號(hào)水樣取樣時(shí)間相隔50 d，雖然它們的檢測(cè)結(jié)果都具有良好的線性關(guān)系，但是它們的檢測(cè)值相差很大。分析其原因可得：10月份與9月份相比，水體平均溫度相對(duì)較低且光照較弱，從而導(dǎo)致藍(lán)藻的生長(zhǎng)緩慢，濃度明顯下降，這一現(xiàn)象符合湖泊中藍(lán)藻的生長(zhǎng)規(guī)律。其線性相關(guān)系數(shù)變化不大，說(shuō)明儀器的檢測(cè)一致性較好。故此可見(jiàn)通過(guò)真實(shí)水體水樣驗(yàn)證了本監(jiān)測(cè)儀對(duì)藍(lán)藻生物量具有較高的檢測(cè)準(zhǔn)確度。通過(guò)群落人工計(jì)數(shù)法對(duì)水樣中的藍(lán)藻進(jìn)行標(biāo)定后，得到監(jiān)測(cè)儀的最低檢出限值約為0.6×103cells/mL，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)藍(lán)藻溶液標(biāo)定得到該監(jiān)測(cè)儀在低放大倍數(shù)檔時(shí)的線性區(qū)域上界為1.9×105cells/mL。用不含藍(lán)藻的浮游植物混合液進(jìn)行同樣的實(shí)驗(yàn)，多次成倍稀釋后的檢測(cè)值無(wú)明顯變化，幾乎總是保持在590 mV左右這一水平。這是因?yàn)樵逅{(lán)蛋白是藍(lán)藻中所特有的一類(lèi)熒光物質(zhì)，其他浮游植物群落基本上不含藻藍(lán)蛋白，因此不能激發(fā)出相同特征波長(zhǎng)的熒光而被儀器檢測(cè)到，所以其檢測(cè)值亦不能反映混合液的濃度變化。

4　結(jié)論

本文利用藍(lán)藻中藻藍(lán)蛋白的特征熒光效應(yīng)，自主研制出了一種可用于河流、湖泊、水庫(kù)、海洋等水體環(huán)境的藍(lán)藻生物量監(jiān)測(cè)儀，它具有實(shí)時(shí)在線、長(zhǎng)期免維護(hù)以及支持廣闊水域時(shí)空分布監(jiān)測(cè)的功能。該儀器主要由激勵(lì)光源子系統(tǒng)、熒光檢測(cè)子系統(tǒng)、清洗子系統(tǒng)和通信子系統(tǒng)組成，具有小型化、低功耗、檢測(cè)速度快等特點(diǎn)。相對(duì)國(guó)外藍(lán)藻生物量檢測(cè)儀器，具備成本低，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，維護(hù)周期長(zhǎng)，通信接口豐富便于擴(kuò)展等優(yōu)勢(shì)。藍(lán)藻生物量檢測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，其檢測(cè)值與藍(lán)藻濃度值具有良好的線性關(guān)系，檢測(cè)靈敏度和準(zhǔn)確度較高。該儀器可廣泛應(yīng)用于湖泊藍(lán)藻水華的監(jiān)測(cè)和預(yù)警，以及海洋環(huán)境污染調(diào)查、漁情預(yù)報(bào)、海產(chǎn)養(yǎng)殖的水質(zhì)監(jiān)測(cè)與控制等，應(yīng)用前景十分廣闊。

［1］Otten T G.，Paerl H W.Health Effects of Toxic Cyanobacteria in US Drinking and Recreational Waters：Our Current Understand?ing and Proposed Direction［J］.Current Environmental Health Re?ports，2015，2（1）：75-84.

［2］李媛，張家衛(wèi)，魏杰，等.我國(guó)藍(lán)藻水華的發(fā)生機(jī)理、危害及防控利用研究進(jìn)展［J］.微生物學(xué)雜志，2015，35（4）：93-97.

［3］黃君，張虎軍，江嵐，等.太湖藍(lán)藻水華預(yù)警監(jiān)測(cè)綜合系統(tǒng)的構(gòu)建［J］.中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)，2015，31（1）：139-145.

［4］黃君，莊嚴(yán)，宋挺，等.3S技術(shù)在太湖富營(yíng)養(yǎng)化和藍(lán)藻水華分布規(guī)律中的應(yīng)用研究［J］.環(huán)境污染與防治，2014，36（12）：31-37.

［5］國(guó)家環(huán)?？偩?水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法（第四版，增補(bǔ)版）［M］.北京：中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社，2002：701-707.

［6］Lunetta R S，Schaeffer B A，Stumpf R P，et al.Evaluation of Cyano?bacteria Cell Count Detection Derived From MERIS Imagery Across the Eastern USA［J］.Remote Sensing of Environment，2015，157：24-34.

［7］Wang G，Li J，Zhang B，et al.Monitoring Cyanobacteria-Dominant Algal Blooms in Eutrophicated Taihu Lake in China with Synthet?ic Aperture Radar Images［J］.Chinese Journal of Oceanology and Limnology，2015，33（1）：139-148.

［8］Lorenzen C.A Method for Continuous Measurement of In Vivo Chlorophyll Concentration［J］.Deep-Sea Research，1966，13：223-227.

［9］金海龍，王玉田.基于熒光發(fā)射光譜的活體海藻識(shí)別方法研究［J］.傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2006，19（1）：97-111.

［10］金海龍，王玉田.基于熒光法和多元回歸分析的混合海藻識(shí)別方法研究［J］.傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2006，19（4）：1198-1201.

［11］崔建升，呂鵬翼，段莉麗.海水葉綠素現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)儀的研制及性能研究［J］.分析儀器，2014（1）：12-16.

［12］Lee T，Tsuzuki M，Takeuchi T.et al.In Vivo Fluorometric Method for Early Detection of Cyanobacterial Waterblooms［J］.Journal of Applied Phycology，1994（6）：489-495.

楊飛（1981-）男，博士，講師，本文通訊作者，現(xiàn)主要從事智能傳感器與檢測(cè)技術(shù)方面的研究工作，young-free@tom.com；

陶志浩（1989-）男，碩士研究生，主要為研究方向測(cè)控技術(shù)與儀器；

鄭貴林（1963-）男，博士，教授，博士生導(dǎo)師，現(xiàn)主要為從事智能傳感器與檢測(cè)技術(shù)方面的研究工作。

Design of a Long-Term and Real-Time In-Situ Monitor for Cyanobacterial Biomass*

YANG Fei*，TAO Zhihao，ZHENG Guilin
（Department of Automation，Wuhan University，Wuhan 430072，China）

In recent years，cyanobacterial blooms occurred frequently in kinds of water bodies，which resulted in deg?radation and impairment of water ecological function，as well as serious harm to aquaculture and other water utiliza?tion.The long-term and real-time monitoring of cyanobacterial biomass in water bodies is an essential measure to prevent and harness cyanobacterial blooms.Based on phycocyanin fluorescence from vivo cyanobacteria，the strength of the fluorescence at 645 nm excited by the 620 nm bright light is detected to evaluate the cyanobacterial biomass in water，and finally a rapid and in-situ monitoring instrument for cyanobacterial biomass in water bodies is developed，supplemented by a specially designed self-cleaning device to keep from manual maintenance and calibra?tions for long-term monitoring.To meet the demand of dynamic monitoring of the temporal and spatial variation of cy?anobacterial biomass in vast water areas and expand the practical range，the GPS technology is utilized to obtain the geographical position information of each monitoring site，and the wireless communication technology is employed to realize the remote real-time online data communication among monitoring sites and the monitoring centre.The exper?imental results show that the linear correlation coefficients of the cyanobacterial biomass and the detection values ex?ceed 0.98，and thus the detection values could reflect the variations of the cyanobacterial concentration accurately.

cyanobacterial biomass；in-situ monitoring；fluorescence effect；self-cleaning

X85

A

1004-1699（2016）05-0769-07

項(xiàng)目來(lái)源：水利部科技推廣項(xiàng)目（TG1150）；國(guó)家海洋局“海洋可再生能源專(zhuān)項(xiàng)資金項(xiàng)目”（GHME2013JS01）；廣東省海洋經(jīng)濟(jì)創(chuàng)新發(fā)展區(qū)域示范專(zhuān)項(xiàng)項(xiàng)目（GD2012-C03-006）

2015-12-01修改日期：2016-01-21