段兆麗 王錦仁 辛繼國(guó) 要海東 張艷偉

1. 河北先河環(huán)保科技股份有限公司，河北石家莊 050035；2. 石家莊鐵道大學(xué)四方學(xué)院，河北石家莊 051132

一、引言

葉綠素存在于藻類和浮游植物等水中生長(zhǎng)的植物中，葉綠素濃度可以反映水中浮游植物的含量，葉綠素濃度已經(jīng)成為衡量水質(zhì)營(yíng)養(yǎng)狀況的一個(gè)重要指標(biāo)[1]。

目前已有的水中葉綠素的測(cè)量方法有高性能液相色譜法、分光光度法和實(shí)驗(yàn)室熒光法[2-3]，這些方法需要將葉綠素從浮游植物體內(nèi)提取出來(lái)，經(jīng)過離心、過濾、濃縮、烘干、研磨等過程，分析周期較長(zhǎng)，影響因素很多，無(wú)法進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)[4-5]。

本文研制了一種基于水中葉綠素a在激光照射下可以發(fā)出熒光的特性來(lái)測(cè)定水中葉綠素a含量的方法，采用脈沖式高亮發(fā)光二極管作為光源，發(fā)出的光經(jīng)過470nm的濾光片照射到被測(cè)水體，水體中的葉綠素a受到激發(fā)后，發(fā)出比激發(fā)光波長(zhǎng)更長(zhǎng)的熒光，熒光強(qiáng)度與葉綠素的濃度在一定范圍內(nèi)存在線性關(guān)系，發(fā)出的熒光被光電池接收并產(chǎn)生電信號(hào)，根據(jù)電信號(hào)的強(qiáng)弱來(lái)計(jì)算被測(cè)水體的葉綠素a含量變化。該方法測(cè)試結(jié)果與國(guó)標(biāo)方法測(cè)試結(jié)果變化趨勢(shì)是一樣的，測(cè)試結(jié)果在規(guī)定的誤差范圍內(nèi)。該方法具有免試劑、可移動(dòng)、實(shí)時(shí)檢測(cè)的特點(diǎn)，非常適用于我國(guó)大面積長(zhǎng)距離水源地水質(zhì)的安全預(yù)警監(jiān)測(cè)和應(yīng)急監(jiān)測(cè)。

二、檢測(cè)的基本原理

1、傳感原理

光源發(fā)出一定波長(zhǎng)的激發(fā)光照射被測(cè)水體中的污染物，污染物受到激發(fā)后發(fā)出熒光，熒光強(qiáng)度與污染物的濃度在一定范圍內(nèi)呈線性關(guān)系[6]，即：

其中，x —測(cè)量電壓值；

y —濃度值；

a、b —常數(shù)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)條件確定實(shí)際值。

根據(jù)本實(shí)驗(yàn)水體中葉綠素激發(fā)出的光強(qiáng)與葉綠素濃度成正比，經(jīng)過校準(zhǔn)找到光強(qiáng)（電壓值）與濃度的線性關(guān)系如圖1所示，即：

2、測(cè)試系統(tǒng)組成

采用脈沖式高亮發(fā)光二極管作為光源，發(fā)出的光經(jīng)過470nm的濾光片照射到被測(cè)水體，水體中的葉綠素a受到激發(fā)后，發(fā)出比激發(fā)光波長(zhǎng)更長(zhǎng)的熒光，光電池檢測(cè)器將接收熒光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，然后經(jīng)過RC積分電路后變成三角波，三角波經(jīng)過帶通濾波器整形后變成正弦波，正弦波經(jīng)過整流電路后產(chǎn)生半波信號(hào)，然后經(jīng)過進(jìn)一步整流濾波變成直流信號(hào)，直流信號(hào)經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換順轉(zhuǎn)換變成數(shù)字信號(hào)，經(jīng)過單片機(jī)運(yùn)算處理從而得到相應(yīng)的濃度。單片機(jī)根據(jù)電信號(hào)的強(qiáng)弱來(lái)計(jì)算被測(cè)水體中污染物的含量。測(cè)試系統(tǒng)構(gòu)成如圖2所示。

三、儀器設(shè)計(jì)中各類干擾因素的去除

在儀器的設(shè)計(jì)中為了有效的將環(huán)境光去除，防止環(huán)境光干擾被測(cè)的熒光信號(hào)，除了在光學(xué)通路中增設(shè)濾光片外，在電子單元部分還采用了葉綠素?zé)晒庹{(diào)制技術(shù)，具體如下：

1、針對(duì)性設(shè)計(jì)光源調(diào)制電路

對(duì)于作為激發(fā)光源的LED必須考慮三個(gè)方面的因素：

（1）發(fā)射光強(qiáng)的穩(wěn)定性，只有激發(fā)光源穩(wěn)定，才能保證后面檢測(cè)電路測(cè)得發(fā)射熒光光譜的可靠性。利用可調(diào)的恒流源來(lái)供電，保持發(fā)射光源光強(qiáng)的穩(wěn)定；

（2）運(yùn)用調(diào)制檢測(cè)的方法，即用1kHz方波調(diào)制恒流源，恒流源經(jīng)過方波調(diào)制變?yōu)榻涣鞯碾娏髅}沖，對(duì)LED激發(fā)后的熒光進(jìn)行檢測(cè)，并采用峰值檢波電路來(lái)獲得微弱的光強(qiáng)信號(hào)。

（3）光源調(diào)制的方法消除微弱環(huán)境背景光對(duì)測(cè)量的干擾，此外在一定程度上延長(zhǎng)發(fā)光二極管的使用壽命。

2、消除溫度對(duì)光源的穩(wěn)定性和光源強(qiáng)度的影響

光源的穩(wěn)定性和光源強(qiáng)度受溫度的影響。不同的LED光源受溫度影響不同，有的LED光源在某個(gè)波段范圍內(nèi)不受溫度影響，有的LED光源在某個(gè)波段范圍內(nèi)受溫度影響，影響的程度還不一樣。即使同一種波段的LED，不同廠家的受溫度影響程度不一樣；要消除光源受溫度影響，可以采用三種方法：

（1）給LED控溫，使其工作在恒定的溫度條件下；

（2）增加參比光路，從算法上消除光源光強(qiáng)變化對(duì)測(cè)量結(jié)果影響；

（3）選用受溫度影響小的光源。

3、光電檢測(cè)器放大器

光電檢測(cè)器是傳感器的一類，它對(duì)入射光和其他形式的射線作出響應(yīng)產(chǎn)生電流，然后通過跨阻放大器將這個(gè)電流轉(zhuǎn)換為電壓，并在輸入和輸出端消除可能有的負(fù)載效應(yīng)。因此光電檢測(cè)器也是儀器的重要部件，它的性能指標(biāo)直接影響儀器的技術(shù)指標(biāo)。

檢測(cè)器的靈敏度是考慮的一個(gè)主要因素，產(chǎn)生的熒光信號(hào)經(jīng)光電池將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，因此光電池的靈敏度受環(huán)境溫度影響程度也是一個(gè)很重要的指標(biāo)，不同的光電池可能檢測(cè)的波段范圍是一樣的，但是受溫度影響的程度是不同的，因此光電池選型的時(shí)候一定要選擇檢測(cè)波段不受溫度影響的光電池；這樣做出的產(chǎn)品在穩(wěn)定性和漂移方面更勝一籌。

此外探測(cè)器的靈敏度和檢測(cè)窗口也是很重要指標(biāo)，選型時(shí)檢測(cè)波段范圍內(nèi)的靈敏度選擇比較大的，檢測(cè)窗口選擇大的，這樣可以提高儀器靈敏度，從而提高儀器信噪比。

4、信號(hào)調(diào)理和檢波電路

小信號(hào)電流放大電路的檢測(cè)，需要采用低溫漂、低噪聲、低的失調(diào)電壓、高精度、高帶寬的CMOS工藝的運(yùn)算放大器。光電池將調(diào)制后的熒光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)，電流信號(hào)經(jīng)過隔直電容、電流電壓轉(zhuǎn)換電路，然后經(jīng)過帶通濾波電路，再經(jīng)過交流放大，轉(zhuǎn)化為正弦波，正弦波經(jīng)過整流電路后產(chǎn)生半波信號(hào)，然后經(jīng)過進(jìn)一步整流濾波變成直流信號(hào)，從而獲得熒光信號(hào)的最大值。

5、其他干擾影響的消除

在儀器測(cè)試過程中要注意其他干擾物質(zhì)的影響，氣泡的影響、濁度的影響、色度的影響、溫度的影響、光線的影響等等。在設(shè)計(jì)時(shí)首先考慮這些影響，并消除此影響。

四、不同因素對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響

表1～表4測(cè)試條件：環(huán)境溫度25℃～30℃；大氣壓99kPa～101kPa；相對(duì)濕度在85%RH以下。

表5設(shè)備在高低溫箱中完成的，設(shè)定的溫度分別為5℃、15℃和30℃，大氣壓99kPa～101kPa。

測(cè)試設(shè)備為我們開發(fā)的葉綠素分析儀，測(cè)試方法：把實(shí)驗(yàn)過程中需要的標(biāo)液按規(guī)定的要求準(zhǔn)備好放到試劑瓶中，將儀器開機(jī)預(yù)熱待儀器運(yùn)行穩(wěn)定后，分別放到工裝中進(jìn)行測(cè)試。

測(cè)試結(jié)果表明，氣泡對(duì)測(cè)試結(jié)果有一定的影響，因?yàn)闅馀輹?huì)影響光路導(dǎo)致信號(hào)變?nèi)酢岫葘?duì)測(cè)量結(jié)果沒有影響。色度值越大，對(duì)測(cè)量結(jié)果影響越大，適合色度小于等于1的水體。光線對(duì)測(cè)量結(jié)果有一定的影響，環(huán)境光會(huì)影響光電池的輸出，環(huán)境光越強(qiáng)，光電池輸出信號(hào)越大，如果特別強(qiáng)導(dǎo)致光電池飽和測(cè)量結(jié)果無(wú)效，所以一定要做好避光。溫度對(duì)測(cè)量結(jié)果基本不影響，主要是選用的器件都是低溫漂的器件，保證了測(cè)量系統(tǒng)的溫度穩(wěn)定性。

表1 氣泡對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響

表2 濁度對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響（所用濁度液標(biāo)準(zhǔn)濃度為400度，被測(cè)定標(biāo)液濃度為37.2μg/L）

表3色度對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響（所用色度液的標(biāo)準(zhǔn)濃度為500度，被測(cè)定的標(biāo)液濃度為54.2μg/L）

表4光線對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響（采用50μg/L的標(biāo)液進(jìn)行測(cè)試）

表5溫度對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響（采用150μg/L的標(biāo)準(zhǔn)液作為測(cè)試液）

五、實(shí)際水樣對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果

為了驗(yàn)證數(shù)據(jù)的可靠性，我們進(jìn)行了實(shí)際水樣比對(duì)試驗(yàn)，試驗(yàn)情況如圖3所示。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，該方法測(cè)試結(jié)果與國(guó)標(biāo)方法測(cè)試結(jié)果變化趨勢(shì)是一樣的，測(cè)試結(jié)果在規(guī)定的誤差范圍內(nèi)。本系統(tǒng)在水質(zhì)成分相對(duì)穩(wěn)定的情況下，采用熒光法測(cè)定葉綠素是可行的。

六、結(jié)束語(yǔ)

本文研制了一種基于水中葉綠素a在激光照射下可以發(fā)出熒光的特性來(lái)測(cè)定水中葉綠素a含量的方法，該方法具有免試劑、可移動(dòng)、實(shí)時(shí)檢測(cè)的特點(diǎn)，非常適用于我國(guó)大面積長(zhǎng)距離水源地水質(zhì)的安全預(yù)警監(jiān)測(cè)和應(yīng)急監(jiān)測(cè)。此外，不僅葉綠素可以采用紫外熒光方法檢測(cè)，藍(lán)綠藻也可以通過這種方法檢測(cè)，對(duì)其他物質(zhì)含量檢測(cè)的設(shè)計(jì)具有一定指導(dǎo)意義。