蓝藻浓度检测装置设计*

2018-09-27杨慧中

传感器与微系统 2018年10期

罗勇，杨慧中

(江南大学轻工过程先进控制教育部重点实验室，江苏无锡 214122)

0 引言

对水体中蓝藻浓度进行实时监测是防治蓝藻灾害[1～3]的重要环节。目前，检测方法有显微镜法计数[4]、液相色谱法[5]、分光光度法[6]、卫星遥感法[7，8]等，前3种方法一般都是将采集的水样在实验室进行预处理后再测定，需要耗费大量的人力、物力且效率低下、实时性较差、对分析人员的仪器操作能力要求较高。卫星遥感法只适合大面积水域蓝藻监测，且气温、湿度、风向、云层等自然条件对监测结果影响大。本文利用荧光光谱仪开展实验，由得到的实验结果分析可知，对于太湖微囊藻，当受到610 nm的可见光照射时，其所特有的藻蓝蛋白在受强光激励后会立即以辐射跃迁形式将其吸收的能量释放，发射中心波长为660 nm的荧光。本文根据该荧光特征波长，设计了一种对水体中蓝藻浓度实现快速检测的装置，建立了蓝藻浓度与测量电压值之间的线性关系，可以准确测出水体中的蓝藻浓度。

1 建模原理

本文设计的激发光波长为610 nm，蓝藻溶液中藻蓝蛋白的荧光[9,10]中心波长为660 nm。当溶液很稀时，被吸收的总激发光不超过5 %，根据朗伯比尔定律，溶液发出的荧光强度If、荧光效率η、激发光强度Io、吸光系数k、吸光介质的厚度l与溶液的浓度c之间的关系简化表示为

If=2.3ηIoklc

(1)

可知，当激发光强度和波长一定时，荧光物质发出的荧光强度与蓝藻溶液浓度成正比。因此，可以利用光电传感器检测荧光强度得到电压信号，建立电压信号与蓝藻浓度之间的回归模型。

2 装置结构

2.1 系统总体设计

装置主要由激发光模块、比色皿、光电传感器、信号处理模块和通用分组无线业务(general packet radio service,GPRS)模块等组成，AT89C52单片机作为控制核心器件控制整个系统的工作流程。系统框图如图1所示。

图1 系统框图

在激发光模块中，采用中心波长为610 nm的2个功率为3 W的红光LED灯为激发光源[11]，以满足激发光源有足够的能量使藻蓝蛋白产生发射荧光，有助于提高检测精度。恒流源驱动电路的输出电流为700 mA，确保了激发光源的稳定性。

光电传感器采用硅光电池, 最大暗电流为30 nA，直接将光信号转换为微弱的电流信号。在光电传感器前端加入了滤光片的设计，滤光片的中心波长为660 nm，带宽为10 nm。滤光片可以有效的防止其他波长光的干扰，尤其是激发光源的干扰。

放大电路采用高精度仪表放大器AD620，具有高精度(最大非线性度40×10-6)、低失调电压(最大50 μV)、低噪声的特性。光电传感器检测得到的直流电压信号含有随机噪声，噪声信号分布在频谱中频率较高的区域，因此，在硬件上使用型号为LTC1569—7芯片组成低通滤波器滤除噪声信号。A/D转换采用16位A/D转换器AD7705，其精度为0.002 %。装置工作流程如图2所示。

图2 装置工作流程

装置的检测周期为30 s，可以实现连续快速检测。利用单片机定时器实现精确定时：打开注射泵，定量抽取5 mL待测溶液;打开激发光源，为了保证激发光源的稳定性，信号的采集在激发光源开启5 s后进行;单片机程序控制每个检测周期连续采样30个数据，取平均值作为最后的测量结果。该算法从软件上可以有效消除检测过程中的随机误差。

2.2 结构设计

装置结构采用独特的模块化设计，并满足激发光源和光电传感器密闭性的要求。比色皿嵌套在黑色塑料外壳中作为待测溶液的检测池，避免了外界光源对检测结果的影响。定制的石英玻璃比色皿，具有足够的透光率。激发光源和光电传感器的安装方向垂直，光电传感器才可以有效检测到荧光。装置模块采用分段式的结构，上下层之间用螺丝固定，便于拆卸和检修，装置结构如图3所示。

图3 装置结构

采用实验室自主开发的注射泵采集待测溶液，比色皿无需清洗，每次用注射泵抽取多余的待测溶液对比色皿进行润洗，避免前次溶液对本次测量结果的影响。

3 实验结果

3.1 标准曲线

选取实验室培养的微囊藻溶液，配置浓度为275，346 mg/L。采用去离子水逐步稀释的方法，分别测量了346，275，137.5，68.75，34.375 mg/L和空白(0 mg/L)水样共6组不同浓度蓝藻的电压数据。每组溶液的电压数据连续采样30次取平均值得到的结果,相应的测量结果为：2 085,2 033,1 913,1 836,1 779,1 744 mV。

将上述数据线性拟合，得出的蓝藻浓度与电压值之间的线性回归方程为y=1.001 2x-1 756.9，相关系数为0.989。对多个样品数据的测量、分析可知，本装置检测蓝藻浓度范围为0～346 mg/L时具有较好的线性关系。