基于叶绿素荧光的浮游植物初级生产力的测量装置
阅读：702发布：2024-02-20
专利汇可以提供基于叶绿素荧光的浮游植物初级生产力的测量装置专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本实用新型公开了一种基于叶绿素 荧光 的浮游 植物 初级生产 力 的测量装置，以激光 二极管 阵列为诱导激发 光源 、以 光电倍增管 为荧 光探测器 ，用于测量藻类叶绿素荧光动力学曲线；利用冠形光学收集器、多波段光探测器阵列，设计 水 下光合有效 辐射 测量单元，测量与藻类吸收特征对应的自然环境 光谱 。本实用新型结构紧凑、体积小、功耗低，能够实现浮游植物初级生产力快速原位测量，为赤潮和水华灾害监测预警、海洋初级生力调查评估提供一种新手段。(ESM)同样的 发明 创造已同日 申请 发明 专利，下面是基于叶绿素荧光的浮游植物初级生产力的测量装置专利的具体信息内容。
1.一种基于叶绿素荧光的浮游植物初级生产力的测量装置，其特征在于：包括有叶绿素荧光动力学测量单元、水下光合有效辐射测量单元、遮光样品室、主控制模块和装置主体，在遮光样品室内进行浮游植物样品测量，所述的装置主体为圆柱型筒体，筒体的上端安装有水下光合有效辐射测量单元，下端位于遮光样品室内，叶绿素荧光动力学测量单元和主控制模块安装在筒体内部，所述的叶绿素荧光动力学测量单元包括有光源、光源驱动模块、光源聚焦透镜组、荧光收集透镜组、光电倍增管和荧光检测模块；所述的光源是由诱导激发光源和仿真环境光源两种类型的光源组成，由主控制模块通过光源驱动模块产生激发光，激发光通过光源聚焦透镜组后汇聚成光斑照射到浮游植物样品上，样品发射的后向荧光经过所述的荧光收集透镜组汇聚后，由所述的光电倍增管接收，光电倍增管将光信号转换成电信号后，发送给所述的荧光检测模块，由荧光检测模块得到暗环境下浮游植物样品荧光动力学曲线，发送给所述的主控制模块。
2.根据权利要求1所述的一种基于叶绿素荧光的浮游植物初级生产力的测量装置，其特征在于：所述的诱导激发光源由串联3个470nm激光二极管构成；所述的仿真环境光源由中心波长分别为420nm、455nm、470 nm、550nm、625nm、660nm的6个LED阵列组成。
3.根据权利要求1所述的一种基于叶绿素荧光的浮游植物初级生产力的测量装置，其特征在于：所述的光源聚焦透镜组包括有从上到下依次设置的准直透镜一、转向棱镜和聚焦透镜一。
4.根据权利要求1所述的一种基于叶绿素荧光的浮游植物初级生产力的测量装置，其特征在于：所述的遮光样品室为圆柱形样品室，上端开口，下端外围镂空，下端的内部为漏斗形。
5.根据权利要求1所述的一种基于叶绿素荧光的浮游植物初级生产力的测量装置，其特征在于：所述的荧光收集透镜组包括有从下到上依次设置的准直透镜二、680nm滤光片和聚焦透镜二。
6.根据权利要求1所述的一种基于叶绿素荧光的浮游植物初级生产力的测量装置，其特征在于：所述的主控制模块的型号为Cortex-M4。
基于叶绿素荧光的浮游植物初级生产力的测量装置
技术领域
[0001] 本实用新型涉及资源与环境领域、海洋技术领域，尤其涉及一种基于叶绿素荧光的浮游植物初级生产力的测量装置。
背景技术
[0002] 浮游植物是水体中以浮游方式生活的微小植物体的统称，生物量虽不到全球总植物生物量的1％，但其初级生产力约占全球总初级生产力的40％以上，是生态系统物质循环和能量流动的基础环节，对维持全球生态系统的正常运转起着关键作用。浮游植物初级生产与浮游植物自身生长的关系、与次级生产和微食物环的关系、以及它在全球碳循环过程中的地位等，是目前GLOBEC、LOICS、JGOFS等重大全球研究计划的核心课题。而快速、准确获取海洋初级生产力状况信息是上述研究工作的基础，也是全球海洋观测计划(GOOS、Argo)以及我国“透明海洋”科学计划的重要任务。
[0003] 浮游植物初级生产力传统气体交换测量方法，通过测量光合放氧速率或光合固碳速率衡量浮游植物初级生产力，仍以现场采样、温育培养、实验室分析为主，包括黑白瓶法、同位素示踪法、液相氧电极法等，需要复杂的前处理、昂贵分析仪器，操作复杂费时、易引起二次污染，其时效性无法浮游植物初级生产力快速监测需求。与之相比，叶绿素荧光法提供了一种浮游植物初级生产力快速、实时分析手段，该方法以光合反应中心产生的叶绿素荧光为探针，直接测量光合反应中心对光能的吸收、利用效率，衡量浮游植物初级生产力，具有测量快速灵敏、无需样品预处理、无污染和无破坏性等特点，是快速无损伤探测浮游植物初级生产力的先进工具。CN201610528083.0公开了一种基于叶绿素荧光动力学的浮游植物初级生产力检测方法，在此基础上，覃志松、殷高方等人发表了“基于光脉冲诱导快相与弛豫荧光的光合作用参数测量技术”。但该技术方法与技术无法在自然环境光照条件下测量浮游植物荧光动力学曲线，获得用于计算初级生产力的核心荧光动力学参数，导致初级生产力荧光动力学测量方法仍停留在实验室样品分析阶段，截止目前尚缺乏能够用于实际水体浮游植物初级生力测量的装置。实用新型内容
[0005] 本实用新型是通过以下技术方案实现的：
[0006] 一种基于叶绿素荧光的浮游植物初级生产力的测量装置，包括有叶绿素荧光动力学测量单元、水下光合有效辐射测量单元、遮光样品室、主控制模块和装置主体，在遮光样品室内进行浮游植物样品测量，所述的装置主体为圆柱型筒体，筒体的上端安装有水下光合有效辐射测量单元，下端位于遮光样品室内，叶绿素荧光动力学测量单元和主控制模块安装在筒体内部，所述的叶绿素荧光动力学测量单元包括有光源、光源驱动模块、光源聚焦透镜组、荧光收集透镜组、光电倍增管和荧光检测模块；所述的光源是由诱导激发光源和仿真环境光源两种类型的光源组成，由主控制模块通过光源驱动模块产生激发光，激发光通过光源聚焦透镜组后汇聚成光斑照射到浮游植物样品上，样品发射的后向荧光经过所述的荧光收集透镜组汇聚后，由所述的光电倍增管接收，光电倍增管将光信号转换成电信号后，发送给所述的荧光检测模块，由荧光检测模块得到暗环境下浮游植物样品荧光动力学曲线，发送给所述的主控制模块；所述的水下光合有效辐射测量单元包括有冠形光学收集器、多波段PIN探测器阵列和所述的环境光检测模块，水下光合有效辐射区内环境光被冠形光学收集器收集后，经过多波段PIN探测器阵列将光信号转换成电信号后，发送给环境光检测模块，环境光检测模块将检测到的水下光合有效辐射区内环境光光强度发送给主控制模块，主控制模块利用仿真环境光源产生与自然环境光照仿的光照条件，利用叶绿素荧光动力学测量单元获得光照条件下的荧光动力学曲线；主控制模块对荧光动力学曲线解析获得暗适应和光适应两种条件下的荧光动力学参数，再将得到的荧光动力学参数带入式(1)中，得到表征浮游植物初级生力的光合电子传递速率Pe。
[0007] 具体步骤如下：(1)测量实际自然光中浮游植物特征吸收波段的光谱强度，采用对应波段可控光源仿真自然环境光照，在遮光条件下，首先测量单周转ST荧光动力学曲线，解析获得暗适应条件下荧光动力学参数即本底荧光F0和功能吸收截面σ0；
[0008] (2)再通过仿真光源持续60s以上照射浮游植物样品，利用浮游植物对光照历史依赖性，在仿真光照50ms的关闭间隙测量多周转MT和弛豫RE荧光动力学曲线，获得光适应条件下荧光动力学参数即功能吸收截面σ、光化学淬灭qp、电子传递效率φe、光化学量子效率Δφm、QA平均还原时间τQA，根据公式(1)计算出表征浮游植物初级生力的光合电子传递速率Pe，
[0009]式中E为自然环境光照强度。
[0010] 所述的遮光样品室为圆柱形样品室，上端开口，下端外围镂空，下端的内部为漏斗形。
[0011] 所述的光源包括有诱导激发光源和仿真环境光源两组：①诱导激发光源由串联3个470nm激光二极管构成；②仿真环境光源由中心波长分别为420nm、455nm、470nm、550nm、625nm、660nm的6个LED阵列组成。
[0012] 所述的光源聚焦透镜组包括有从上到下依次设置的准直透镜一、转向棱镜和聚焦透镜一。
[0013] 所述的荧光收集透镜组包括有从下到上依次设置的准直透镜二、680nm滤光片和聚焦透镜二。
[0014] 所述的冠形光学收集器为透明球面，内表面采用漫反射涂层，球面立体镜为60°。
[0015] 所述的多波段PIN探测器阵列采用6个可见光增强PIN管，分别配有420nm、455nm、470nm、550nm、625nm、660nm滤光片。
[0016] 所述的主控制模块的型号为Cortex-M4。
[0017] 本实用新型的特点简述如下：
[0018] 1)提出利用仿真环境光照实现光适应条件下荧光动力学参数测量技术，设计水下光合有效辐射测量单元和仿真环境光源，产生与水下自然环境光照相仿且可控的光照条件，在仿真光照间隙测量光照条件下荧光动力学曲线，解决光适应条件下浮游植物荧光动力学参数测量难题。
[0019] 2)以470nm激光二极管阵列为诱导激发光源、以6个藻类特征吸收波段LED阵列为仿真环境光源、以光电倍增管为荧光探测器，设计端窗式叶绿素荧光动力学测量光学结构，结合遮光样品室，实现野外条件下浮游植物荧光动力学曲线原位测量。
[0020] 本实用新型的优点是：本实用新型针对浮游植物初级生产力原位测量实际需求，设计了浮游植物初级生产力原位测量装置：以激光二极管阵列为诱导激发光源、以光电倍增管为荧光探测器，设计端窗式叶绿素荧光动力学测量光学结构，用于测量藻类叶绿素荧光动力学曲线；利用冠形光学收集器、多波段光探测器阵列，设计水下光合有效辐射测量单元，测量与藻类吸收特征对应的自然环境光谱；根据测得的自然环境光谱，以对应波段LED阵列为仿真环境光源与自然环境光相仿的光照条件，结合配套设计的遮光样品室，在遮光条件下实现暗应用和光适应条件下荧光动力学参数测量，表征浮游植物初级生力的光合电子传递速率。本专利实用新型的基于叶绿素荧光的浮游植物初级生产力测量技术装置，结构紧凑、体积小、功耗低，能够实现浮游植物初级生产力快速原位测量，为赤潮和水华灾害监测预警、海洋初级生力调查评估提供一种新手段。附图说明
[0021] 图1为暗适应和光适应条件下浮游植物荧光动力学参数测量过程图。
[0022] 图2为本实用新型测量装置结构图。
[0023] 图3为水下光合有效辐射测量单元结构图。
[0024] 图4为叶绿素荧光动力学测量单元结构图。
[0025] 图5为遮光样品室结构图。
[0026] 图6为本实用新型光源驱动模块、荧光检测模块和环境光检测模块与主控制模块连接电路图。
具体实施方式
[0027] 如图2所示，一种基于叶绿素荧光的浮游植物初级生产力的测量装置，包括有水下光合有效辐射测量单元1、叶绿素荧光动力学测量单元2、遮光样品室3、主控制模块4和装置主体，将浮游植物样品放在遮光样品室3内，如图4所示，在遮光样品室3内进行浮游植物样品测量，所述的装置主体为圆柱型筒体5，筒体5的上端安装有水下光合有效辐射测量单元1，下端位于遮光样品室3内，叶绿素荧光动力学测量单元2和主控制模块4安装在筒体内部，所述的叶绿素荧光动力学测量单元包括有光源6、光源驱动模块7、光源聚焦透镜组、荧光收集透镜组、光电倍增管8和荧光检测模块9，所述的光源驱动模块7与主控制模块4连接，驱动光源6发射光，光通过光源聚焦透镜组后汇聚成光斑照射到浮游植物样品上，样品发射的后向荧光经过所述的荧光收集透镜组汇聚后，由所述的光电倍增管8接收，光电倍增管8将光信号转换成电信号后，发送给所述的荧光检测模块9，由荧光检测模块9得到暗环境下浮游植物样品荧光动力学曲线，发送给所述的主控制模块4；如图2所示，所述的水下光合有效辐射测量单元包括有冠形光学收集器11、多波段PIN探测器阵列12和所述的环境光检测模块
10，水下光合有效辐射区内环境光被冠形光学收集器11收集后，经过多波段PIN探测器阵列
12将光信号转换成电信号后，发送给环境光检测模块10，环境光检测模块10将检测到的水下光合有效辐射区内环境光光强度发送给主控制模块4，主控制模块4利用仿真环境光源产生与自然环境光照仿的光照条件，利用叶绿素荧光动力学测量单元获得光照条件下的荧光动力学曲线；主控制模块对荧光动力学曲线解析获得暗适应和光适应两种条件下的荧光动力学参数，再将得到的荧光动力学参数带入式(1)中，得到表征浮游植物初级生力的光合电子传递速率Pe。
10，水下光合有效辐射区内环境光被冠形光学收集器11收集后，经过多波段PIN探测器阵列
12将光信号转换成电信号后，发送给环境光检测模块10，环境光检测模块10将检测到的水下光合有效辐射区内环境光光强度发送给主控制模块4，主控制模块4利用仿真环境光源产生与自然环境光照仿的光照条件，利用叶绿素荧光动力学测量单元获得光照条件下的荧光动力学曲线；主控制模块对荧光动力学曲线解析获得暗适应和光适应两种条件下的荧光动力学参数，再将得到的荧光动力学参数带入式(1)中，得到表征浮游植物初级生力的光合电子传递速率Pe。
[0028] 如图1所示，具体步骤如下：(1)测量实际自然光中浮游植物特征吸收波段的光谱强度，采用对应波段可控光源仿真自然环境光照，在遮光条件下，首先测量单周转ST荧光动力学曲线，解析获得暗适应条件下荧光动力学参数即本底荧光F0和功能吸收截面σ0；
[0029] (2)再通过仿真光源持续60s以上照射浮游植物样品，利用浮游植物对光照历史依赖性，在仿真光照50ms的关闭间隙测量多周转MT和弛豫RE荧光动力学曲线，获得光适应条件下荧光动力学参数即功能吸收截面σ、光化学淬灭qp、电子传递效率φe、光化学量子效率Δφm、QA平均还原时间τQA，根据公式(1)计算出表征浮游植物初级生力的光合电子传递速率Pe，
[0030]式中E为自然环境光照强度。
[0031] 如图5所示，所述的遮光样品室3为圆柱形样品室，上端开口，下端外围镂空，下端的内部为漏斗形。
[0032] 所述的光源6包括有诱导激发光源13和仿真环境光源14两组：①诱导激发光源由串联3个470nm激光二极管构成；②仿真环境光源由中心波长分别为420nm、455nm、470nm、550nm、625nm、660nm的6个LED阵列组成。
[0033] 所述的光源聚焦透镜组包括有从上到下依次设置的准直透镜一15、转向棱镜16和聚焦透镜一17。
[0034] 所述的荧光收集透镜组包括有从下到上依次设置的准直透镜二18、680nm滤光片19和聚焦透镜二20。
[0035] 所述的冠形光学收集器11所述的冠形光学收集器为透明球面角为π冠形结构，内表面采用漫反射涂层，球面立体镜为60°。
[0036] 所述的多波段PIN探测器阵列12采用6个可见光增强PIN管，分别配有420nm、455nm、470nm、550nm、625nm、660nm滤光片。
[0037] 所述的主控制模块4的型号为Cortex-M4。
[0038] 1、基于叶绿素荧光的浮游植物初级生产力快速测量技术
[0039] 利用暗适应下荧光动力学参数(本底荧光F0和功能吸收截面σ0)，光适应条件下荧光动力学参数(功能吸收截面σ、光化学淬灭qp、电子传递效率φe、光化学量子效率Δφm、QA平均还原时间τQA)和自然环境光照强度E，通过(1)式可计算获得单位时间、单位体积内水体中浮游植物活体细胞光合电子传递速率Pe，Pe能够直接表征水体浮游植物初级生产力。
[0040]
[0041] 上述荧光动力学参数需要通过测量暗环境、自然环境光照E光适应两种条件下荧光动力学曲线解析获得。然而，自然环境光照强度E是浮游植物叶绿素荧光强度的数万倍，且含有叶绿素荧光同波段光谱，在实际自然环境光照下测量叶绿素荧光动力学参数面临难以逾越的技术难题，也是浮游植物初级生产力叶绿素荧光动力学测量方法存在的核心问题。
[0042] 根据浮游植物光谱吸收特性，本实用新型通过测量实际自然光中藻类特征吸收波段的光谱强度，采用对应波段可控光源仿真自然环境光照。在遮光条件下，首先测量单周转ST荧光动力学曲线，解析获得暗适应条件下荧光动力学参数(本底荧光F0和功能吸收截面σ0)；再通过仿真光源持续60s以上照射藻类样品，利用藻类对光照历史依赖性，在仿真光照50ms短暂关闭间隙测量光照条件下多周转MT和弛豫RE荧光动力学曲线，获得光适应条件下荧光动力学参数(功能吸收截面σ、光化学淬灭qp、电子传递效率φe、光化学量子效率Δφn、QA平均还原时间τQA)，根据公(1)计算出表征浮游植物初级生力的光合电子传递速率Pe，整个测量过程如图1所示。
[0043] 2、浮游植物初级生产力快速原位测量装置
[0044] 根据上述浮游植物初级生产力叶绿素荧光法测量的技术与需求，本实用新型设计了适用于野外环境的浮游植物初级生产力原位测量装置，装置结构如图2所示。装置主要由三个核心功能模块组成：水下光合有效辐射测量单元、叶绿素荧光动力学测量单元、遮光样品室，如图2所示。叶绿素荧光测量单元的主控制器是整个装置核心，负责实现装置内部所有模块的控制、数据解析与模型算法、外部通信。
[0045] 装置核心功能模块详细设计如下：
[0046] (1)水下光合有效辐射测量单元
[0047] 水下环境光测量单元用于测量水下光合有效辐射区内环境光光谱。由冠形光学收集器、多波段光探测器阵列、环境光检测模块三部分组成。冠形光学收集器内表面采用漫反射涂层、球面解为π，用于大角度环境光收集；多波段光探测器阵列采用6个可见光增强PIN管，配合420nm、455nm、470nm、550nm、625nm、660nm等滤光片，实现环境光中对应藻类特征吸收的光谱强度测量。
[0048] (2)叶绿素荧光动力学测量单元
[0049] 叶绿素荧光动力学测量单元用于测量样品室中浮游植物样品荧光动力学曲线。主要由光源、光源驱动模块、光源聚焦透镜组、荧光收集透镜组、荧光滤光片、光电倍增管、荧光检测模块和主控制器组成。为了方便光学窗口清洁及原位测量装置小型化，采用端窗式光学结构设计，光源通过准直透镜、转向棱镜、聚焦透镜汇聚成直径20mm光斑照射样品，样品发射的后向荧光经准直透镜、680nm滤光片、聚焦透镜汇聚，由光电倍增管接收。
[0050] 光源分为诱导激发光源和仿真环境光源两组：①诱导激发光源由串联3个470nm激光二极管构成，通过振幅、频率、占空比可调脉冲驱动电路驱动，产生最大瞬时激发光强达60000μmol/m2/s且连续可调的诱导光，用于调控藻类细胞光合电子传递过程，诱导藻类细胞产生荧光动力学过程；②仿真环境光源由中心波长分别为420nm、455nm、470nm、550nm、
625nm、660nm的6个LED阵列组成，与水下光合有效辐射测量单元获得的环境光谱相同，6个LED由6路驱动电路控制，各LED的激发强度分别连续可调，激发时间同步可控，用于产生与自然环境光照相仿可控的光照条件。
625nm、660nm的6个LED阵列组成，与水下光合有效辐射测量单元获得的环境光谱相同，6个LED由6路驱动电路控制，各LED的激发强度分别连续可调，激发时间同步可控，用于产生与自然环境光照相仿可控的光照条件。
[0051] (3)遮光样品室
[0052] 遮光样品室用于遮挡外界的环境光、削减光源散射光，解决环境光和光源散射光对样品荧光测量干扰问题。圆柱形样品室，上端开口，下端外围镂空，样品室内外水体可自由交换；样品室内部采用漏斗形设计，配合下端中间圆锥形遮光体，起到遮挡环境光和疏导激发光的作用，防止环境光和光源散射光进入装置的光学测量窗口。
[0053] 原位装置的具体测量过程如下：在样品进行遮光样品室后，第一步，通过叶绿素荧光动力学测量单元获得暗环境下荧光动力学曲线；第二步，通过水下光合有效辐射测量单元获得水下环境光谱，利用仿真环境光源产生与自然环境光照仿的光照条件，利用叶绿素荧光动力学测量单元获得光照条件下的荧光动力学曲线；第三步，对荧光动力学曲线解析获得暗适应和光适应两种条件下的荧光动力学参数；第四步，利用(1)式“生物-光学”模型计算获得浮游植物初级生产力。
[0054] 本实用新型所涉及的光源驱动模块、荧光检测模块和环境光检测模块已在专利号201510230569.1的专利中公开，如图6所示的电路图，具体如下：
[0055] 光源驱动模块7包括直接数字式频率合成器DDS23、储能单元21、大功率MOS管22，主控模块两路模/数转换器输出与直接数字式频率合成器DDS23输入连接、直接数字式频率合成器DDS203输出通过大功率MOS管22与光源连接，储能单元21亦与光源连接。DDS在主控制模块的16位数/模转换器(DAC)控制下产生振幅、频率、脉宽可精确调的可变电脉冲，电脉冲信号控制MOS管驱动激发光源产生可变光脉冲，储能单元为光源提供能量来源，确保能够产生瞬时稳定的强光脉冲。
[0056] 荧光检测模块9与环境光检测模块10分别包括双通道模拟开关30、快速荧光检测通道31、锁相荧光检测通道32，光电倍增管通过双通道模拟开关30分别与快速荧光检测通道31、锁相荧光检测通道31连接，快速荧光检测通道31包括前置放大电路31a、高速数/模转换器31b、FPGA驱动器31c、快速数据传输接口31d，前置放大电路输入与双通道模拟开关连接，前置放大电路输出与高速数/模转换器输入连接，高速数据采集电路输出与FPGA驱动器输入连接、FPGA驱动器输出与快速数据传输接口输入连接，快速数据传输接口输出与主控模块的快速数据传输接口53连接。锁相荧光检测通道32包括输入端放大器32a、带通滤波器32b、信号触法器32c、移相器32d、乘法器32e、低通滤波器32f、输出放大器32g，PMT产生的荧光信号传输给输入端放大器、输入端放大器输出与带通滤波器输入连接、DDS信号作为参考信号传输给信号触法器、信号触法器输出与移相器输入连接、移相器输出和带通滤波器输出作为乘法器输入、乘法器输出与低通滤波器输入连接、低通滤波器输出与输出放大器输入连接、输出放大器输出与主控模块数/模转换器52连接。
[0057] 荧光检测模块9主要由双通道模拟开关30、快速荧光检测通道31、锁相荧光检测通道32组成，两个检测通道与PMT探测器之间通过模拟开关切换。①快速荧光探测通道，探测器信号通过前置放大，由高速数据采集电路采集(采集速率需达到5Mbps以上)，采集数据通过快速数据传输接口输出至主控制模块，该通道可实现1s以内快变荧光过程精确测量；②锁相荧光检测通道，探测器信号和激发光的DDS驱动信号输入通过锁相检测电路，获得与激发光同频率的荧光信号，制频带以抑的直流背景和噪声，输出信号由主控制模块模/数转换器(ADC)采集，该通道能够实现特定频率荧光的高灵敏探测。
[0058] 环境光检测模块检测PIN探测信号，实现激发光源光强探测。该模块与荧光检测模块相同，具有快速检测和锁相检测两个通道。快速检测通道数据通过快速数据传输接口输出给主控，锁相检测通道信号由主控制模块ADC采集。
[0059] 主控模块4由Cortex-M4处理器构建而成，主控模块4中Cortex-M4处理器分别与荧光检测模块和光源参考光检测模块中快速数据传输接口输出、锁相检测电路输出连接。
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