基于荧光法的光学海水叶绿素传感器研究

吴 宁，马海宽，曹 煊，张盈盈，褚东志，张述伟，吴丙伟，马 然

(齐鲁工业大学(山东省科学院)，山东省科学院海洋仪器仪表研究所，山东省海洋监测仪器装备技术重点实验室，国家海洋监测设备工程技术研究中心，山东青岛 266001)

0 引言

海水叶绿素含量是评价海水水质、营养化程度的重要参数。为完全解决传统方法存在维护复杂，分析过程繁琐，持续时间长，二次污染严重，且不能用于浮标、岸站等载体进行定点长期监测等缺点[1]。研制体积小、精度高、功耗低、集成化程度高，具有实时性和连续性等优点的海水光学叶绿素传感器是海洋环境监测技术的发展方向和趋势，对监测海洋环境、预警海洋生态灾害等具有重要的意义。

本文提出一种基于荧光法的光学海水叶绿素传感器，采用470 nm波长LED作为激发光源激发海水浮游植物叶绿素产生荧光[2-3]。传感器采用一体化三光学探头设计，能同时检测海水叶绿素浓度、浊度以及温度，并且能对低浊度、温度变化时对叶绿素浓度产生的影响进行自动校正，除此之外，传感器配有机械电刷，可有效防止生物附着等问题。且特殊研发的电路和算法可以有效去除环境光的影响，避免了环境光对测量结果的干扰。不仅适用于浮标、台站等海洋监测平台，且可用于实验室测量和便携野外测量。

1 系统设计方案

传感器原理图如图1所示，主要包括光路模块、信号处理模块、温度检测模块、清洁电刷模块、供电管理模块、通信模块以及机械外壳等主要部分。首先将470 nm的激发光源LED分别通过数字频率合成器(DDS单元)调制成1 kHz频率的光，通过照射海水分别激发同频同相1 kHz的荧光，然后将检测到的荧光信号通过光学探头中的滤光片和透镜进入到光电二极管，荧光信号通过信号处理单元进行同步解调，解调后得到的信号可以有效抑制非调制频率的噪声源的干扰，提高输出信号的信噪比，从而将深埋在大量非相关噪声中的痕量荧光信号有效地检测出来，完成检测。

图1 传感器原理图

传感器机械结构与实物图如图2所示，主要结构由电机组件、电路板组件、电刷杆、光学组件、端盖、外罩、水密头和固定螺栓组成。仪器内部结构简洁、合理，除此之外传感器配有机械电刷，可有效防止生物附着等问题。

图2 传感器机械结构与实物图

2 光学探头模块设计

光学探头结构如图3(a)所示，采用一体化光学探头封装设计技术，探头主要由直径3 mm的470 nm超高亮发光二极管作为激发光源、荧光接收光电二极管、光纤、滤光片和透镜等组成。激发光路与检测光路设计成夹角40°，其中检测光路与光学基体轴线平行。

光学探头装配流程主要分为镜片安装和光源、检测器的装配2部分，镜片装配过程中通过光学胶紫外固化与基体结合，光源、检测器装配过程通过加工件定位和光学胶固定。封装过程采用模具灌注方式完成，装配完成实物如图3(b)所示。

图3 传感器一体封装光学探头

LED光经透镜汇聚于海水中激发活体叶绿素产生荧光，荧光经透镜后向收集，通光滤光片汇聚于光电二极管完成检测。

3 电路模块设计

为提取强背景噪声环境下的微弱荧光信号，设计了数字正交相敏检波信号处理电路[5-6]，采用调制解调技术，对波长470 nm的激发LED光源进行调制，然后采用调制解调技术与迭代数字滤波算法，实现微弱荧光信号的同步解调。通过使用调制光和数字混合解调技术，传感器可以有效抑制非调制频率的噪声源，提供出色的检测精度。电路模块包括LED恒流源驱动模块、I/V转模块及数字正交相敏检波模块。采用调制470 nm波长激发光源，从而产生同频同相荧光信号的方法进行叶绿素相对荧光强度的采集。

3.1 激发光源LED恒流源调制电路设计

选用中心波长为470 nm的LED作为海水叶绿素测定的激励光源，如图4所示，采用单片MAX1916恒流源芯片作为激励光源的驱动电路。其中MAX1916作为专用LED驱动芯片，电流匹配度可达0.3%，且具有压差低、转换效率高等优点[1]。驱动信号为1 kHz的方波信号，分别与MAX1916的EN端相连接。其中方波驱动信号由系统DDS单元产生，采用了基于查表法和Coedic算法相结合的原理产生，内部参考相对相位精度：0.001°@F=10 kHz，T=25 ℃。

图4 激发光源LED恒流源调制电路

3.2 I/V转换电路设计

可编程跨阻式I/V转换放大电路如图5所示。

图5 可编程跨阻式I/V转换放大电路

可编程跨阻式I/V转换放大电路采用了低失调电压、低噪声、低输入偏置电流的AD8616运放器[1]。其中光电二极管输出的电流信号经过可编程跨阻I/V转换放大电路，将电流转换为电压并进行放大，由于光电二极管产生的极小电流，因此设计采用了1 MΩ的反馈电阻，为了保证输出的稳定性，使用反馈电容以补偿总输入电容以及反馈电阻产生的极点，保证电路的稳定性。AD8231主要是对转换完成的信号进行次级放大，其中AD8231为超低噪声、轨对轨程控放大器，可根据量程实现放大倍数的自动补偿[7-8]。

3.3 数字正交同步检波电路设计

微弱荧光信号检测技术是本传感器的关键技术。设计了数字正交相敏检波信号处理电路来实现微弱荧光信号的提取。通过使用调制光和数字正交同步检波而非直流源，系统可以有效抑制非调制频率的噪声源，提供出色的检测精度。

数字正交相敏检波电路原理如图6所示，利用数字技术(FPGA)实现相敏检波和低通滤波功能。信号输入通道与模拟锁相放大器相同，经抗混叠滤波器、ADC 转换后送入到数字信号处理单元。该设计的数字正交同步检波功能电路的输出通道中没有直流放大器，可以避免直流放大器的噪声、不稳定、温度漂移等缺点；内部晶振时钟源随时间和温度变化小，减小参考信号的不稳定带来的误差，能在短时间内完成锁相功能；具有出色的正交解调性能。

图6 数字正交相敏检波电路原理图

信号经过I/V转换放大后经过工频限波和抗混叠滤波，得到输入信号，送入到数字信号处理单元分别与相位差为90°的参考信号进行乘法(PSD)运算，产生2个低频解调信号，经过A/D转换和FIR/IIR混合低通滤波后得到结果，最后通过STM32F407单片机运算单元进行平方根运算就可得到待测信号的幅值和相位。

本设计着重从相关检测原理算法、移相算法、直接频率合成算法(DDS正交参考信号)、IIR和FIR混合滤波算法等软件上实现高精度数字正交检波电路。

除此之外，传感器还能够实时测量浊度对测得的叶绿素进行校准。浊度测量原理与叶绿素测量原理相同。DDS单元同时产生2路不同频同相参考信号，一路用于叶绿素调制解调，另一路用于浊度调制解调。

4 标定实验

配置一定浓度梯度为0.5、5、10、50 μg/L的叶绿素标准溶液，按照一定比例进行稀释配成系列标准液并加入到标定装置内，将传感器分别置于不同浓度的标定装置内，仪器响应值(A/D值)与浓度梯度曲线如图7所示，从图7可以看出研制的叶绿素传感器信号值测量结果与叶绿素浓度结果成良好的线性关系，R2值为0.999 9。

图7 仪器响应值与浓度拟合曲线

5 性能测试

完成标定后将进行传感器的准确度、精密度及分辨率等性能指标实验，将标定完成的传感器和已检定的日本亚力克多参数传感器(AAQ171-0321)分别置于浓度为10、20、25、50 μg/L的叶绿素样品中。每个浓度样品测量6次取其平均值作为仪器的测量值，计算得到仪器的精密度和准确度分别如表1和表2所示。

表1 基于荧光法的光学海水叶绿素传感器精密度与准确度数据表

表2 日本亚力克多参数传感器(AAQ171-0321)精密度与准确度数据表

根据计算结果可见基于荧光法的光学海水叶绿素传感器在准确度与精密度方面已经达到了国外仪器水平，且优于日本亚力克多参数传感器(AAQ171-0321)。

6 海试实验

完成实验室测试后将在青岛中苑码头附近海域进行如图8所示的海试联调，利用浮标、趸船等平台供电，接入到数据采集系统进行海试测试，并同步挂载检定合格的亚力克多参数水质仪(AAQ171-0321)进行稳定性、可靠性、精确度等性能比对测试。

图8 传感器海试联调测试

其中随机抽取2018年12月22-23日2天的数据比对结果如图9所示，从图9可以看出传感器样机与国外仪器的综合趋势基本一致，且稳定性要优于国外同类仪器水平。

(a)2018年12月22日

(b)2018年12月23日图9 与国外仪器数据对比

7 结束语

传感器采用模块化设计，通过前期大量的实验室测试、岸边测试、海试，以验证海水光学叶绿素传感器在实际环境中的性能。其中实验过程载体为浮标和趸船。为了保证测试的效果，期间趸船同步挂载2台海水光学叶绿素传感器与检定合格的亚力克多参数水质仪(AAQ171-0321)进行性能比对。浮标同步挂载2台海水叶绿素传感器与检定合格的亚力克多参数水质仪(AAQ171-0321)进行性能比对。通过长期的挂载实验数据证明研制的海水光学叶绿素传感器具有体积小、系统集成度高、功耗低、成本低、探头可集成等优点，适合趸船、浮标和台站等原位快速测量，也适用实验室测量和便携野外测量。已经完全满足业务需求且综合性能指标优于国外同类仪器水平。