叶绿素荧光
田黄石-悲惨世界ppt
2023年2月22日发(作者：医院oa)第31卷第6期2010年6月
仪器仪表学报
ChineseJournalofScientificInstrument
Vol31No6Jun.2010
收稿日期:200812ReceivedDate:200812
*:(叶绿素荧光检测技术及仪器的研究
*
赵友全1
,魏红艳1
,李丹1
,刘宪华2
,张鑫2
,刘子毓
1
(1天津大学精密仪器与光电子工程学院天津300072;2天津大学环境学院天
津300072
摘要:湖泊水华的爆发给人们日常生活和生产带来很大的危害,水体富营养
化、水中浮游植物和藻类的大量繁殖是产生水华的主要原因。水中叶绿素可作为水
体营养的跟踪指示器,快速检测水中的叶绿素含量可以预警水体营养程度和水质污
染。基于叶绿素荧光的光谱特征,提出了一种可快速现场用的水体营养检测技术、
研制了叶绿素荧光检测仪器,通过现场实验跟踪监测了天津大学敬业湖水体在春夏
之交的浮游植物含量的分布、生长和气候变化的影响。关键词:水华;富营养化;叶
绿素;荧光光谱
中图分类号:X85文献标识码:A国家标准学科分类代码:610.3040
Researchonthetechniqueandinstrumentofchlorophyllfluorescencemeasure
ment
ZhaoYouquan1
,WeiHongyan1
,LiDan1
,LiuXianhua2
,ZhangXin2
,LiuZiyu
1
(1CollegeofPrecisionInstrumentandOptoElectronicsEngineering,Tianjin
University,Tianjin300072,China;
2SchoolofEnvironmentalScienceandEngineering,TianjinUniversity,Tianjin
300072,China
Abstract:Waterbloominlakesbringsagreatdangertodailylifeandproductio
n,whichisprimarilyduetowatereutrophicationandrapidincreaseoftheam
dicatorofwatereutrophication,rapid
detectionofchlorophyllcontentinwatercanpredicttheextentofwatereutrophicati
nthespectralcharacteristicsofchlorophyllflu
orescence,thispaperreportsanewtechniqueforthemeasurementofeu
nsitivity
oftheinstrumentisupto310-6
.Alotofexperimentsoftrackingthedistributionandgrowthof
phytoplankton,andtheimpactofclimatechangewerecarriedoutintheJingyelake
ds:waterbloom;eutrophication;chlorophyl;l
fluorescencespectrum
1引言
近年来,我国连年出现太湖、芜湖、松花江等水危机,由于蓝绿藻类在水体中持
续爆发,使得水中浮游植物剧增、水中氧分耗尽、水体呈现大面积缺氧状态,水中生
物因此大量死亡。由于水中藻类的快速生长,水面上绿藻堆积,造成水流困难,水体
无法与外界进行空气交流,逐日变得恶臭,给人们的生产、生活和生命健康都带来了
极大的危害。
目前国内各湖区水库的相关监测站和环境研究所大
都对水体的富营养化程度进行了监测,包括化学需氧量、
总氮、总磷、叶绿素a含量等单项指标和按一定模型计算的综合指数的富营养
化评价[12]
。综合指数评价大都在
实验室或者特定条件下进行细胞培养来进行,由于取水样和运输等问题,存在较
大的测量误差,而且不是现场测定,其结果有着很大的时间滞后性,再现性难以保
证。
水体富营养化可以通过跟踪监测水中叶绿素的含量来实现,其中叶绿素a是所
有叶绿素中含量最高的,因此叶绿素a的测定能示踪湖泊的富营养化程度。已有的
水体叶绿素a的测量方法有很多种,包括高性能液相色谱法(HPLC、分光光度法、
实验室荧光法和遥感法
[3]
。前
3种方法都属于实验室方法,需要将叶绿素从浮游植物体内提取出来,不仅工作
量大,而且整个过程中干扰因素很多,最后很可能得到错误的数据。遥感法不必萃取,
是一种在线测量的方法,但是仅适用于大面积的水域,而且航拍工作要求很高,检测
结果处理复杂。本文提出一种新的现场可用的荧光法测定水中的叶绿素,具有灵敏
度高、无需试剂、速度快、实时性好的优点,可用于湖泊、河
流、海洋等水体富营养化现场检测[47]
;大量实验测定证明了这种新技术和新仪器可用于现场检测湖泊中浮游植物的
生长和分布,以及在不同气候条件下的变化情况。
2叶绿素荧光光谱特性及测量原理
当用一定波长的光照射浮游植物时,其叶绿素分子受到激发后会以辐射跃迁形
式将其吸收的能量释放返回基态时,便会发射出波长大于激发光的荧光[8]
。在荧光光谱工作中,涉及2种光谱:激发光谱反映了在不同激发波长下所测得
的荧光强度对激发波长的依赖关系,由此可找到对该种试样的最佳激发波长;荧光
发射光谱反映在固定激发波长下所测量得的荧光强度与波长的对应关系,由此可找
到最佳检测波长。如图1所示为叶绿素a
的激发光谱和发射光谱。
图1叶绿素a的激发光谱和发射光谱
Fig.1Excitationandemissionspectrumofchlorophylla
浮游植物的叶绿素分子受到激发后发射出的荧光强度If与其吸收光强度Ia、
被激发物质的荧光量子产率Yf有关
[910]
,即:
If=YfIa(1
而吸收的光强度Ia等于入射光强度I0减去透射光强度It,于是:
If=Yf(I0-It=YfI0(1-It/I0
(2
由朗伯比尔定律可知,吸光度A=kbc,透光度T=It/I0,所以:
It/I0=e
-kbc
(3
((2:
If=YfI0(1-e
-kbc
(4
根据级数展开公式:e-kbc=1-kbc+(kbc2/2!-(kbc3/3!+(kbc4/4!+
(5
当kbc非常小(<<0.05时,e-kbc
!1-kbc代入式
(4,得:
If=YfI0kbc
(6
当用摩尔吸光系数代替k时,即得:
If=2.303YfI0bc(7式中:c为叶绿素a的浓度,单位为L;b为样品光程差(叶
层的厚度,单位为cm。也就是说,如果已知叶绿素a的荧光量子产量Yf,然后通
过测量它的荧光强度If就可以计算出它的浓度c。
3测量仪器装置
该叶绿素荧光检测仪器硬件电路以CYPRESS公司的27643单片机作为核心,
主要由光学模块、信号处理模
块和数据通信模块组成[11]
,设计框图如图2所示。
图2硬件电路设计框图
Fig.2Blockdiagramofthehardwarecircuit
在光学模块中,激发光源采用峰值波长为460nm的
蓝色LED,由单片机PWM输出1024Hz方波作为载波信号,通过模拟开关将
恒流源变为高频的电流脉冲,用该
电流脉冲给LED供电,实现激发光源调制[12]
。针对LED的光强比激光器、汞灯、氙灯等高功率光源光强弱很多、激发的
荧光信号也很微弱,荧光检测模块选用了专门针对光电二极管设置的互阻放大器,将
微弱信号放大的同时实现电流/电压转换。
信号处理模块主要是信号增益调整电路。从光电二极管输出的电压信号首先进
行前置放大;前级弱输出的信号进入单片机集成PGA进行程控放大;为消除背景光
产生的噪声,采用AD620差动放大去除背景噪声影响,
数据通信模块采用系统嵌入式集成A/D实现信号采集,在PSoCDesigner中
编写程序并通过RS232与上位
机或数据采集系统通信[1314]
。
4仪器的校正与实验
4.1仪器性能的考核及标准曲线的绘制
该叶绿素荧光测量仪器测量范围:0~500g/L,测量最小限:0.03g/L。按照分光
光度法测量水体叶绿素的标准过程提取叶绿素,并将其溶解在丙酮中,每隔5min,
对该溶液进行6次重复测量,测量结果如表1所示。
表1重复性实验数据
Table1Thedataofrepeatabilityexperiment
测量次数
测量值/mV1271.72271.83271.84271.85272.16
271.8
根据重复性的定义,按贝塞尔公式计算得到的标准方差为0.1225,证明仪器具
有较好的重复性。依据国家标准方法,对采集到得实际水样用分光光度多波长法测
定其中含有叶绿素浓度,同时对该水样稀释成不同倍数,使用叶绿素荧光仪器分别测
量稀释后的水样得到电压值如图3
所示。
图3水样实验测定结果
fe
线性回归分析得相关系数为0.9973,说明叶绿素荧光检测仪器测得的电压值与
溶液的叶绿素浓度成较好的
线性关系。
4.2湖泊浮游植物的动态跟踪
用校正后的荧光仪对天津大学敬业湖叶绿素a的含量进行监测,从而实现对一
定时期内浮游植物数量动态变
化的跟踪,并从多个角度对现场监测所得的数据进行分析,就可以寻找出浮游植
物在天然水体中的生长特点和规律。图4是根据荧光仪测得四月份的叶绿素a浓度
绘制而成的分布图,其中:横坐标代表湖长,纵坐标代表湖宽m,灰度由深到浅代表叶
绿素a的浓度由高到低变化。
(d4月30日
图4四月湖中叶绿素a浓度分布变化情况Fig.4Monitoringdataofchl
orophyllaconcentrationinApril
从图4可以看出:四月份开始监测时,浮游植物已有大量生长,到中旬生长加
速。但是到了四月下旬,浮游植物浓度有明显的下降。根据现场的观察,湖内大型藻
类生长较为旺盛。所以可以推测,可能是由于温度升高和强烈光照为其提供了适宜
的生长环境,使其迅速生长,从而将水中的营养物质消耗,使浮游植物的生长受到限
制。这种假设也在天津大学校园内的其他湖泊得到了印证:在某些有常年大量挺水
植物(主要是芦苇和荷花生长的水面,水体十分清澈,浊度较低,即浮游植物的量较
少[15]。另外,四月下旬,正是鱼类繁殖的季节,大量以浮游植物为食的鱼类的出现,
对水华的产生起到了一定的抑制作用。4.3湖泊浮游植物的空间分布
湖中心区和岸边空间位置的不同,会对浮游植物的生长有明显的影响。实验选
取同一监测日湖内9个监测点和与之对应的岸边位置的叶绿素浓度数据,其中9个
点排列为3行3列,5点位于湖心,其他8点沿湖岸均匀分布。
从表2所示数据明显可以看出,湖边叶绿素浓度总体上是高于对应的湖内浓度
的。这点在图4也有体现,与多数天然湖体的蓝藻水华爆发于岸边相吻合。出现这
种分布不同主要有两个方面的原因:一方面,岸边多有排污源头,水质的富营养化程
度严重;另一方面,岸边水深较浅,水动力条件稳定,适宜浮游植物生长。
表2湖内和岸边监测数据对比Table2Themonitoringdataofthelake
监测点
湖内浓度/(mg∀L
-1
岸边浓度/(mg∀L
-1
1147220
5结论
本文基于叶绿素荧光的光谱特征,研制开发了可用于湖泊、河流、海洋等水体
富营养化现场检测监测的新技术和新仪器,与其他测量方法相比具有灵敏度高、无
需试剂(不会产生二次污染、速度快、实时性好的优点,文中也给出了叶绿素荧光
法的测量原理、光源驱动电路、信号自动增益调整电路和信号传输电路等有关内
容。
用国家标准方法对本文研发的叶绿素荧光测量技术和仪器进行了标定、验证了
可靠性;用标定后的仪器跟踪监测了天津大学敬业湖在春夏之交的浮游植物含量,
并从时间和空间2个方面进行了分析,从而验证了此种检测技术和研发仪器的可用
性。
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27.
作者简介
赵友全,博士、天津大学精密仪器与光电子工程学院副教授,主要研究方向为光
谱分析技术及仪器、光谱显微成像技术。Emai:lzhaoyouquan@
isanassociateprofessorinCollegeofPrecisionInstrument
andOptoelectronicsEngineering,
searchisfocusedonspectrumanalysistechnologyandinstrumentdevelopm
ent,andspectralimagingtechnology
.
魏红艳,天津大学精密仪器与光电子
工程学院硕士,主要从事光电检测技术方面的研究。
WeiHongyanreceivedhermasterdegreein2009fromCollegeofPrecision
InstrumentandOptoelectronicsEngineering,
Tianjin
dyisfocusedonoptoelectronicmeasurement
technology.