原位叶绿素a光纤荧光传感器研制
2018-01-03张天鹏褚东志马海宽张丽曹煊吴宁王小红
张天鹏,褚东志,马海宽,张丽,曹煊,吴宁,王小红
(山东省科学院海洋仪器仪表研究所，山东 青岛 266001)
【海洋科技与装备】
原位叶绿素a光纤荧光传感器研制
张天鹏,褚东志,马海宽,张丽,曹煊,吴宁,王小红
(山东省科学院海洋仪器仪表研究所，山东 青岛 266001)
运用荧光检测技术，设计了一款用于海水中叶绿素a含量检测的在线式光纤传感器。该传感器基于光纤传输与荧光分析法，通过对激发荧光信号的捕捉、传输以及解析达到在线快速检测叶绿素a的目的。实验结果表明，该传感器的响应值与叶绿素a的浓度具有良好的线性关系，检测性能稳定，且具有体积小、传输速度快等特点，初步具备了海水中叶绿素a含量的现场检测能力。
荧光法；传感器；叶绿素a；海洋污染
叶绿素a存在于所有光氧种群中，是负责光合作用的主要色素，其浓度反映了浮游植物的生物量或现存量[1]。叶绿素a含量是目前海洋环境监测的主要参数，监测水中叶绿素a含量可以有效监视赤潮和水质环境情况[2]，原位叶绿素a分析是海洋生态系统监测的重要手段之一[3]。目前叶绿素a浓度的检测方法主要有分光光度法和荧光分析法，相比较而言荧光分析法测量方法简便，具有较高的精度和较宽的测量范围。国外的叶绿素a传感器监测性能稳定，但存在价格昂贵、功耗大等问题。而国内原位监测传感器由于采用氙灯等作为激发光源，存在体积较大、使用寿命短、易损坏等问题，且检测精度、检测范围等指标与国外先进产品相比还存在较大差距[4]。本文设计的原位叶绿素a传感器基于光纤传输与荧光分析法，通过对传感器内部的光路设计来提取荧光信号，具有灵敏度高、测量速度快、体积小的特点。
1 检测原理
叶绿素a在可见光波段对波长640～660 nm的红光和波长430～470 nm的蓝紫光有很强的吸收作用。当用一定波长的蓝紫光照射叶绿素a时，荧光物质分子吸收了一定的辐射能量，低能级电子就会向更高的振动能级跃迁，由于电子跃迁过程不稳定，在短时间内又会从高能级跃迁到低能级，后部分过程会有部分能量以光子的形式释放，即称为荧光。激发光源停止照射时，荧光激发的荧光强度与叶绿素a的浓度成正比，因此，通过检测荧光强度、进行数据拟合处理即可得到海水中叶绿素a的浓度。
2 系统设计
传感器的系统设计包括外部结构、光学通路、处理电路与通讯设计三部分。外部结构总体呈圆柱形，外径最大76 mm，总高200 mm，特点是体积小、重量轻、密封性强；光学通路的主要作用是通过照射叶绿素a完成荧光的激发、信号捕捉传输；处理电路与通讯的主要作用是完成光信号至电信号的转化，对信号进行相应滤波放大处理并与上位机进行即时通讯。
2.1 光学通路设计
2.1.1 结构设计
1高亮度LED； 2平凸透镜；3干涉滤光片(激发端)；4光纤(激发端)；5镜片挡圈；6平面透镜；7光纤(接收端)；8干涉滤光片(接收端)；9平凸透镜后。图1 光路结构图Fig.1 Structure chart of optical path
光学通路的设计对于荧光的激发以及接收具有重要的意义[5]。图1为传感器的光学通路结构图，主要结构包括激发光源、平凸透镜、滤光片以及光纤。本次设计中激发光路中光源选用的是LED，其具有光照强度高、入射角小的特点；干涉滤光片可有效消除外部环境光以及激发光源对荧光信号的影响；接收光路中滤光片可有效过滤荧光信号，且在滤光片前安装凸透镜可提高荧光信号的使用效率；激发光路和接收光路信号传输均采用光纤传输的方式，可同时完成光信号的传输和获取，没有中间环节，具有工作效率高、检测灵敏度高的特点[6]。
光路的工作原理是高亮度LED发出激发光源，依次通过平凸透镜、干涉滤光片(激发端)、光纤(激发端)、镜片挡圈以及平面透镜对待测水样进行照射，水样中的叶绿素a受激发产生荧光信号,再依次经过平凸透镜、干涉滤光片(接收端)后通过光纤(接收端)进行荧光信号的捕捉和传输。
2.1.2 光路仿真
本文利用Zemax软件对传感器的光学通路进行光学仿真。如图2所示，荧光激发光路中LED的中心波长是470 nm，干涉滤光片选用的是中心波长475 nm、带宽25 nm的窄带滤光片，这样一对LED光源经过滤光片滤光后可汇聚到光纤的有效接收面积上进行传输，并可保证激发光在过滤后具备较高的光照强度，有效照射叶绿素a并激发荧光。荧光接收光路中干涉滤光片选用的是透射带为635～1 650 nm的滤光片，滤光同样可汇聚到光纤处并进行信号传输。这样传感器所接收的荧光信号强弱基本反映了海水中叶绿素a的含量。
图2 光路仿真图Fig.2 Simulation diagram of light path
2.2 处理电路与通讯设计
通讯电路的作用是能够将激发的荧光信号通过数模转换器件转换成稳定的电信号，通过放大处理后与上位机进行即时通讯。
海水中叶绿素a的含量较低，受激发后产生的荧光信号也非常微弱，需要检测灵敏度高的光敏元件来捕捉荧光信号。本设计选用的荧光接收器件是型号为PT5F850AC的光敏三极管，其感光波宽范围400～1 100 nm，在荧光的波长范围内有稳定的电流输出，额定功耗为70 mW；输出的电流通过I/V模块转化为电压信号，再经过运算放大器、滤波模块、检波模块，通过A/D模块对信号进行采集和处理[7]，最后与上位机连接，见图3。
图3 通讯电路示意图Fig.3 Communication circuit diagram
3 性能分析
3.1 稳定性分析
对设计完成的叶绿素a荧光光纤传感器在实验室进行了测试。通过在实验室配置11种浓度的标准叶绿素a样品溶液，用传感器样机对各个浓度的样品进行检测。检测结果如表1所示。
表1 不同浓度样品溶液的5组传感器响应值
对表1所测数据传感器信号响应值与标准浓度值进行线性回归分析，其回归方程为：
y=279.13x+1 022，
式中，y为传感器检测响应值；x为叶绿素a标准浓度值。
通过分析得出r=0.997 4(p<0.01)，相对标准偏差<10%，可见在该测量浓度范围内，叶绿素a浓度与传感器响应值呈现良好的线性关系，且精密度良好。图4为叶绿素a浓度与传感器响应值的对应关系。
图4 传感器响应曲线Fig.4 Response curve of a sensor
3.2 温度影响分析
高温条件下叶绿素a不稳定，易降解，降低了叶绿素a的荧光量子产率，荧光强度随之降低，故温度对叶绿素a的检测具有显著影响。随着温度的升高，不同浓度的叶绿素a均呈现相似的下降趋势，且通过验证，在温度为5～35 ℃时，温度对叶绿素a浓度的影响甚微[8]。本文通过改变待测水样温度对传感器的检测性能进行测定。
在实验室配置浓度为3 μg/L的叶绿素a样本，分别在5 ℃、10 ℃、15 ℃、20 ℃、25 ℃、30 ℃、35 ℃环境下，通过实验室检测和传感器检测对比验证传感器的检测性能。检测数据如表2所示。
表2 不同温度下实验室与传感器检测结果对比Table 2 Comparison of laboratory and sensor testing results at different temperatures
从表2可以看出，该传感器检测值符合温度与叶绿素a浓度的变化规律，具有良好的线性关系，通过对传感器响应值单因素方差分析，F=0.001 5
3.3 海上实验
为了验证该传感器的现场检测性能，在青岛附近海域对其进行了连续测试，传感器响应值如图5所示。结果表明该传感器在现场检测时有稳定的输出响应，响应值标准差约为93.50，波动幅度不大。
图5 海上实验传感器响应值Fig.5 Sensor response value in seawater experiment
4 结论
本文利用荧光法检测叶绿素a的原理，通过对光学通路以及处理电路与通讯的设计，初步完成了原位叶绿素a光纤荧光传感器的研制工作。实验结果表明，传感器系统设计具备一定可行性，设备检测数据稳定，可用于叶绿素a的长期现场观测，对我国海洋水质检测、赤潮等灾害的预报具有重要意义。
[1]王文华，封余军，师文庆，等.光线传感器在海洋科学领域的应用与研究进展[J].光纤与电缆及其应用技术，2010(5)：5-8.
[2]李世杰.应重视湖泊科学的建设与发展[J].中国科学院院刊，2006,9( 5) 16-18.
[3]胡轶，叶树明，楼凯凯，等.原位叶绿素a 精密测量方案设计[J].仪器仪表学报，2012,33(6)：1372-1376.
[4]李鑫星，王聪，陈英文，等.基于荧光分析法的水体叶绿素a传感器光通路设计[J].农业机械学报，2015,46(5)：300-305.
[5]范陈清，王岩峰，张杰，等.用于海洋水质监测的小型叶绿素a荧光计[J].微计算机信息(测控自动化)，2010,26(9-1)：104-106.
[6]吴鸿宾.全光纤传感器的制备与传感特性研究[D].北京：北京理工大学,2014.
[7]李鑫星，王聪，李振波，等.水体叶绿素a光学传感器信号调理电路设计与测试[J].农业机械学报，2015,46(9)：314-318.
[8]吕鹏翼，崔建升.温度对现场荧光法测定水体中叶绿素a的影响[J].中国环境监测，2015，31(2)：130-134.
Developmentofinsitufiberopticfluorescencesensorforchlorophyll-a
ZHANGTian-peng,CHUDong-zhi,MAHai-kuan,ZHANGLi,CAOXuan,WUNing,WANGXiao-hong
(InstituteofOceanographicInstrumentation,ShandongAcademyofSciences,Qingdao266001,China)
∶An online in situ fiber optic sensor used for detecting the chlorophyll-a content was designed by fluorescence detection technology. The sensor was based on optical fiber transmission and fluorescence analysis method, which could be used to capture, transmit and analyze the fluorescence signal to achieve the goal of online rapid detection of chlorophyll-a. Experimental results show that the response value of the sensor has a good linear relation with the concentration of chlorophyll-a. And the sensor has the advantage of stable performance, small size, and fast transmission speed, etc. Therefore, the sensor has preliminarily obtained the online in situ detection capability of chlorophyll-a content in seawater.
∶fluorescence method; sensor; chlorophyll-a; ocean pollution
10.3976/j.issn.1002-4026.2017.06.001
2017-05-08
国家重点研发计划(2016YFC1400803)
张天鹏(1987—)，男，硕士研究生，研究方向为海洋环境监测设备研发。
P715.4+1;TP212
A
1002-4026(2017)06-0001-05
