一種海水中浮游植物粒徑檢測裝置及其檢測方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種海水中浮游植物粒徑檢測裝置及其檢測方法，所述的裝置包括微流控芯片承載平臺、微流控芯片、激發(fā)光源組件、光檢測組件、庫爾特計數(shù)組件、數(shù)據處理組件、水下環(huán)境信息采集組件、自動采樣組件、數(shù)據傳輸及顯示組件；所述的微流控芯片包括載玻片、儲液孔A、儲液孔B、儲液孔C、儲液孔D、主通道、檢測通道、阻抗脈沖傳感上游檢測通道和阻抗脈沖傳感下游檢測通道。由于本發(fā)明采用微流控芯片作為浮游植物粒徑譜的檢測微裝置，相關的光電檢測組件和數(shù)據處理組件體積較小，并且檢測裝置內含有自動采樣組件和數(shù)據傳輸及顯示組件等一套完整的檢測系統(tǒng)，具有便于攜帶、成本低廉，能夠進行水下浮游植物粒徑的現(xiàn)場實時檢測等優(yōu)點。
【專利說明】一種海水中浮游植物粒徑檢測裝置及其檢測方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種對海水中浮游植物粒徑譜的檢測技術，特別是一種海水中浮游植物粒徑檢測裝置及其檢測方法。
【背景技術】
[0002]海洋生態(tài)環(huán)境是海洋生物生存和發(fā)展的基本條件，生態(tài)環(huán)境的任何改變都有可能導致生態(tài)系統(tǒng)和生物資源的變化。而海洋中的浮游植物是海洋生態(tài)系統(tǒng)中最主要的初級生產者和能量轉換者，在海洋生態(tài)系統(tǒng)中起著重要作用。海洋生態(tài)環(huán)境的改變將導致浮游植物的群落結構發(fā)生變化。不同粒徑浮游植物對海洋初級生產力的貢獻不同。從而直接影響著海洋生態(tài)系統(tǒng)的物質循環(huán)和能量流動。浮游植物種類和生物量的多少決定了海區(qū)內生態(tài)系統(tǒng)的群落結構和能量分布狀態(tài)。海洋浮游植物粒徑結構是海洋生態(tài)群落結構的一個重要方面，海洋生態(tài)系統(tǒng)中的能流分配，在很大程度上取決于生物顆粒的大小。因此，準確快速測量海洋浮游植物粒徑及其分布對于深入研究海洋浮游植物生理特性、群落結構與功能、在海洋生態(tài)系統(tǒng)中的作用等都具有重大的科學意義。
[0003]目前測量海洋浮游植物粒徑的方法主要有:顯微鏡計數(shù)法、庫爾特計數(shù)法、圖像分析法、流式細胞術法等。
[0004]顯微鏡計數(shù)法是海洋浮游植物粒徑測量的基準和經典方法。該方法是用細胞固定液固定從水中分離出來浮游植物細胞，在顯微鏡下，觀察浮游植物細胞的形態(tài)，以目鏡測微尺為標尺，直接測量浮游植物細胞球體直徑，橢球半徑等參數(shù)，根據細胞不同的形態(tài)選擇相關幾何公式計算細胞的體積、表面積等。此法雖然誤差較小，但也存在明顯的缺點，如費時費力，不能形成連續(xù)的粒徑譜，也不適用于浮游植物粒徑大小的現(xiàn)場檢測。
[0005]庫爾特計數(shù)法是利用粒子通過位于恒電流電極體系中的測量小孔管時，由于瞬間取代相同體積的電解液，從而引起相應電極間電位差變化的原理來測量粒徑。電極間電位差的變化幅度與粒子體積成正比關系。脈沖信號的數(shù)目即為粒子的數(shù)目，由脈沖信號的幅度變化可以推算出粒子的體積、等效球徑、等效球體的表面積等參數(shù)。在海洋科學研究上，庫爾特計數(shù)儀也被廣泛地應用于測量海水中沉積物、海藻、實驗室培養(yǎng)的細胞等。但是目前市場上出現(xiàn)的庫爾特計數(shù)儀器體積龐大、價格昂貴，不能集成便攜，更不能帶到現(xiàn)場進行實時在線檢測。
[0006]圖像分析法是在顯微鏡計數(shù)法基礎上應用圖像分析學原理發(fā)展起來的一種自動測量方法。主要根據細胞形態(tài)的幾何信息，利用相關計算軟件計算浮游植物粒徑。這種方法需要復雜的樣本提取和準備過程，為保證圖像清晰，對光照條件和相機分辨率也有一定的要求。同時，由于是對單個粒子進行分析，難于實現(xiàn)有統(tǒng)計學意義的多個細胞測量，難以獲取現(xiàn)場自然海水中浮游植物粒子的粒徑分布。
[0007]流式細胞術的方法是測量通過激光照射區(qū)域的懸浮溶液中單個粒子的前向和側向散射光和熒光信號，從而計算粒子的粒徑大小和對粒子分類的方法。但此方法最適合用于計數(shù)，當用在測量浮游植物的粒徑時存在誤差。目前市場上的流式細胞術測量必須有穩(wěn)定的液流系統(tǒng)保證恒定的流速，儀器裝置較大，使用時需持續(xù)供電，數(shù)據處理軟件也很復雜，一般只能實驗室測量。
[0008]綜上分析，目前測量海洋浮游植物粒徑的方法存在無法現(xiàn)場快速檢測粒徑、設備龐大、價錢昂貴、耗時費力、受許多外界條件制約、鑒定指標不穩(wěn)定等問題，而簡單便捷和實時現(xiàn)場在線的檢測浮游植物粒徑方法是測量海洋浮游植物粒徑的方法領域中急需解決的關鍵問題。

【發(fā)明內容】

[0009]為解決現(xiàn)有技術存在的上述問題，本發(fā)明要設計一種可以實現(xiàn)水下現(xiàn)場實時檢測、設備成本低廉、工作量小且鑒定指標穩(wěn)定的海水中浮游植物粒徑檢測裝置及其檢測方法。
[0010]為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術方案如下:一種海水中浮游植物粒徑檢測裝置，包括微流控芯片承載平臺、微流控芯片、激發(fā)光源組件、光檢測組件、庫爾特計數(shù)組件、數(shù)據處理組件、水下環(huán)境信息采集組件、自動采樣組件、數(shù)據傳輸及顯示組件；所述的微流控芯片承載平臺為無光封閉式結構，所述的微流控芯片、激發(fā)光源組件、光檢測組件和庫爾特計數(shù)組件固定在微流控芯片承載平臺內；所述的庫爾特計數(shù)組件的一端與微流控芯片連接、另一端與數(shù)據處理組件連接；所述的激發(fā)光源組件與微流控芯片連接，所述的微流控芯片還依次經過光檢測器件與數(shù)據處理組件連接；所述的數(shù)據處理組件還分別與水下環(huán)境信息采集組件和數(shù)據傳輸及顯示組件連接；所述的自動采樣組件與微流控芯片的輸入端連接；
[0011]所述的微流控芯片包括載玻片、儲液孔A、儲液孔B、儲液孔C、儲液孔D、主通道、檢測通道、阻抗脈沖傳感上游檢測通道和阻抗脈沖傳感下游檢測通道，所述的儲液孔A與主通道連接，儲液孔B與主通道連接，儲液孔C與阻抗脈沖傳感上游檢測通道連接，儲液孔D與阻抗脈沖傳感下游檢測通道連接，阻抗脈沖傳感上游檢測通道和阻抗脈沖傳感下游檢測通道分別與檢測通道相連接；儲液孔A、儲液孔B、儲液孔C和儲液孔D中均插入鉬電極，儲液孔A中的鉬電極與直流電驅動的正極相連，儲液孔B中的鉬電極與直流電驅動的負極相連，儲液孔C和儲液孔D中的鉬電極分別與差分放大器的輸入端相連接；
[0012]所述激發(fā)光源組件包括LED光源、濾光片A和過光孔，LED光源的下方為濾光片A，濾光片A的下方為過光孔，過光孔的下方為微流控芯片的檢測通道；
[0013]所述光檢測組件包括濾光片B和光電二極管；微流控芯片檢測通道的下方為濾光片B,濾光片B的下方為光電二極管；
[0014]所述的數(shù)據處理組件包括濾波放大電路、差分放大電路、直流驅動電路、數(shù)據采集電路和ARM微處理器；光檢測組件輸出端與濾波放大電路連接，儲液孔A和儲液孔B中的鉬電極與直流驅動電路連接，儲液孔C和儲液孔D中的鉬電極與差分放大前路連接；
[0015]所述的自動采樣組件包括控制閥、導管A、導管B、過濾網和控制閥驅動電路，所述的導管A的輸出端和導管B的輸入端分別與控制閥連接，導管A的輸入端與海水連接，導管B的輸出端與微流控芯片的儲液孔A連接；導管17內設有過濾網；
[0016]所述的水下環(huán)境信息采集組件包括溫度傳感器、深度傳感器、鹽度傳感器、GPS傳感器和ARM微處理器，所述的溫度傳感器與ARM微處理器連接，深度傳感器與ARM微處理器連接，鹽度傳感器與ARM微處理器連接，GPS傳感器與ARM微處理器連接。[0017]本發(fā)明所述的LED光源為LED藍光光源。
[0018]一種海水中浮游植物粒徑檢測裝置的檢測方法，包括如下步驟:
[0019]A、自動采樣組件將檢測裝置周圍的海水樣品通過導管B輸入儲液孔A中，儲液孔A中的樣品沿著主通道經過檢測通道流向儲液孔D中；
[0020]B、當海水樣品中的一個微藻經過檢測通道時，微藻細胞內葉綠素被激發(fā)光源組件激發(fā)產生瞬時光子輻射，再經濾光片B濾除雜光，濾除后的熒光信號經過光檢測組件轉換成一個電壓脈沖信號；在微藻經過檢測通道的同時，由于微藻在檢測通道中瞬間取代相同體積的電解液，導致儲液孔C和儲液孔D中鉬電極之間的電位差發(fā)生變化，經差分放大電路的處理，庫爾特計數(shù)組件會產生一個阻抗脈沖信號；
[0021]C、當海水樣品中的一個泥沙顆粒經過檢測通道時，因為泥沙顆粒中不含葉綠素，所以泥沙顆粒不會被激發(fā)產生瞬時光子輻射，光檢測組件不會輸出電壓脈沖信號；在泥沙顆粒經過檢測通道的同時，由于泥沙顆粒經在檢測通道中瞬間取代相同體積的電解液，導致儲液孔C和儲液孔D中的鉬電極之間的電位差發(fā)生變化，庫爾特計數(shù)組件產生一個阻抗脈沖信號；
[0022]D、把光檢測組件輸出的電壓脈沖信號和庫爾特組件的輸出的阻抗脈沖信號通過數(shù)據處理組件進行處理；光檢測組件的輸出電壓脈沖信號判斷流經檢測通道顆粒的是微藻還是泥沙；庫爾特組件的輸出信號的幅度變化推算出粒子的體積、等效球徑、等效球體的表面積參數(shù)。
[0023]與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有以下有益效果:
[0024]1、由于本發(fā)明采用微流控芯片作為浮游植物粒徑譜的檢測微裝置，相關的光電檢測組件和數(shù)據處理組件體積較小，并且檢測裝置內含有自動采樣組件和數(shù)據傳輸及顯示組件等一套完整的檢測系統(tǒng)，使該檢測裝置可以方便的運送到現(xiàn)場，放入水下檢測區(qū)域進行水下浮游植物粒徑的現(xiàn)場實時檢測。因此，相對于現(xiàn)有大型粒徑檢測設備，本發(fā)明具有便于攜帶、成本低廉，能夠進行水下浮游植物粒徑的現(xiàn)場實時檢測等優(yōu)點。
[0025]2、本發(fā)明通過觀測LED激發(fā)光源激發(fā)葉綠素誘導出的熒光信號和庫爾特計數(shù)法的阻抗脈沖信號同時對海水中浮游植物的粒徑大小進行檢測，葉綠素的熒光信號可以判斷流經檢測通道的顆粒是微藻還是泥沙顆粒。庫爾特脈沖信號幅度變化可以推算出粒子的體積、等效球徑、等效球體的表面積等參數(shù)。此方法克服了庫爾特計數(shù)法無法將浮游植物和泥沙等其它粒子自動區(qū)分開的缺點。從而提高了檢測浮游植物粒徑譜的精確度和堅定指標的穩(wěn)定性。
[0026]3、激發(fā)光源用LED光源替代了傳統(tǒng)的激光器，庫爾特計數(shù)法和流式細胞術法分別與微流控芯片相結合克服了目前庫爾特計數(shù)儀和流式細胞術儀器器體積龐大的缺點，且操作簡單，無需在檢測前對微藻樣品進行染色等復雜處理，具有工作量小的特點。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0027]本發(fā)明共有附圖6張，其中:
[0028]圖1為下實時在線檢測粒徑譜的裝置的結構示意圖；
[0029]圖2為流控芯片結構不意圖；
[0030]圖3為自動采樣組件結構示意圖；[0031]圖4為水下信息環(huán)境采集組件結構示意圖；
[0032]圖5為微藻的葉綠素熒光檢測結果示意圖；
[0033]圖6為不同微藻的庫爾特原理阻抗脈沖示意圖。
[0034]圖中:1、微流控芯片，2、LED光源，3、濾光片A，4、濾光片B，5、光電二極管，6、水下環(huán)境信息采集組件，7、庫爾特計數(shù)組件，8、數(shù)據處理組件，9、數(shù)據傳輸及顯示組件，10、載玻片，12、檢測通道，13、主通道，14、阻抗脈沖傳感上游檢測通道，15、阻抗脈沖傳感下游檢測通道，16、控制閥，17、導管A，18、導管B，19、過濾網，20、自動采樣組件，21、溫度傳感器，22、深度傳感器，23、鹽度傳感器，24、GPS傳感器，25、ARM微處理器。
【具體實施方式】
[0035]下面結合附圖和實例對本發(fā)明作進一步描述。
[0036]圖1示出了本發(fā)明的整體結構框圖，由圖1可見，本發(fā)明由微流控芯片1、LED光源
2、濾光片A3、濾光片B4、光電二極管5、自動采樣組件20、水下環(huán)境信息采集組件6、庫爾特計數(shù)組件7、數(shù)據處理組件8和數(shù)據傳輸及顯示組件9等組成。因為LED光源2為LED藍光光源，濾光片A3的中心波長為480nm，帶寬為30nm，因為激發(fā)光源2激發(fā)微藻葉綠素所發(fā)的熒光為綠光，所以濾光片B4的中心波長為530nm，帶寬為40nm。檢測通道12中的微藻發(fā)出的熒光經過濾光片B4最后打到光檢測器件5上，光檢測器件5會把熒光信號轉換成電信號給數(shù)據處理組件8進行分析處理。庫爾特計數(shù)組件7包括四個插在儲液孔A、儲液孔B、儲液孔C和儲液孔D中的鉬電極、直流電驅動和差分放大電路等。儲液孔C、儲液孔D的鉬電極的電位差經差分放大電路給數(shù)據處理組件8進行分析處理。
[0037]圖2中微流控芯片I包括載玻片10、儲液孔A、儲液孔B、儲液孔C、儲液孔D、主通道13、檢測通道12、阻抗脈沖傳感上游檢測通道14和阻抗脈沖傳感下游檢測通道15，儲液孔A與主通道13連接，儲液孔B與主通道13連接，儲液孔C與第阻抗脈沖傳感上游檢測通道連接14，儲液孔D與阻抗脈沖傳感下游檢測通道連接15，阻抗脈沖傳感上游檢測通道14和阻抗脈沖傳感下游檢測通道15分別與檢測通道12相連接。儲液孔A、儲液孔B、儲液孔C和儲液孔D中均插入鉬電極，儲液孔A中的鉬電極與直流電驅動的正極相連，儲液孔B中的鉬電極與直流電驅動的負極相連，儲液孔C和儲液孔D中的鉬電極分別差分放大器輸入端相連接。
[0038]圖3中自動采樣組件20包括控制閥16、導管A17、導管B18和過濾網19等組成?？刂崎y和導管A配合采集檢測裝置周圍的海水，海水經過過濾網并在控制閥的控制下通過導管B18送到儲液孔A中。
[0039]圖4中的水下環(huán)境信息采集組件包括溫度傳感器21、深度傳感器22、鹽度傳感器23、GPS傳感器24和ARM微處理器25。溫度傳感器21、深度傳感器22、鹽度傳感器23和GPS傳感器24以某一頻率向ARM微處理器25傳送采集到的檢測裝置周圍海水的溫度、檢測裝置位于海面下的深度、檢測裝置周圍海水的鹽度和檢測裝置的GPS地理位置信息。
[0040]本發(fā)明的具體工作步驟如下:
[0041 ] 1、將10 μ L緩沖液加入到儲液孔B、儲液孔C和儲液孔D中，將微流控芯片I放入微流控芯片承載平臺內，把整個設備放入將要檢測的海水區(qū)域中，通過通信組件開啟設備的自動采樣組件20、激發(fā)光源2、光檢測組件5、庫爾特計數(shù)組件7和數(shù)據處理組件8。自動采樣組件20將設備周圍的海水樣品通過導管B輸入儲液孔A中，儲液孔A中的樣品沿著主通道13經過檢測通道12流向儲液孔D，樣品中的微藻經過檢測通道12時，微藻細胞內葉綠素被激發(fā)光激發(fā)產生瞬時光子輻射，產生熒光信號。同時，微藻顆粒通過阻抗脈沖傳感檢測區(qū)域時產生阻抗脈沖信號；微藻經過檢測區(qū)域時產生的阻抗脈沖信號如圖6所示。
[0042]2、熒光信號和阻抗脈沖信號經過數(shù)據處理組件8進行分析，通過熒光信號排除泥沙顆粒的干擾，通過阻抗脈沖信號得出不同微藻的粒徑大小。微藻經過檢測區(qū)域時產生的熒光脈沖信號如圖5所示。
【權利要求】
1.一種海水中浮游植物粒徑檢測裝置，其特征在于:包括微流控芯片(1)承載平臺、微流控芯片(1)、激發(fā)光源組件、光檢測組件、庫爾特計數(shù)組件(7)、數(shù)據處理組件(8)、水下環(huán)境信息采集組件(6)、自動采樣組件(20)、數(shù)據傳輸及顯示組件(9);所述的微流控芯片(1)承載平臺為無光封閉式結構，所述的微流控芯片(1)、激發(fā)光源組件、光檢測組件和庫爾特計數(shù)組件(7)固定在微流控芯片(1)承載平臺內；所述的庫爾特計數(shù)組件(7)的一端與微流控芯片(1)連接、另一端與數(shù)據處理組件(8)連接；所述的激發(fā)光源組件與微流控芯片(1)連接，所述的微流控芯片(1)還依次經過光檢測器件與數(shù)據處理組件(8)連接；所述的數(shù)據處理組件(8)還分別與水下環(huán)境信息采集組件(6)和數(shù)據傳輸及顯示組件(9)連接；所述的自動采樣組件(20)與微流控芯片(1)的輸入端連接； 所述的微流控芯片(1)包括載玻片(10)、儲液孔A、儲液孔B、儲液孔C、儲液孔D、主通道(13)、檢測通道(12)、阻抗脈沖傳感上游檢測通道(14)和阻抗脈沖傳感下游檢測通道(15)，所述的儲液孔A與主通道(13)連接，儲液孔B與主通道(13)連接，儲液孔C與阻抗脈沖傳感上游檢測通道(14)連接，儲液孔D與阻抗脈沖傳感下游檢測通道(15)連接，阻抗脈沖傳感上游檢測通道(14)和阻抗脈沖傳感下游檢測通道(15)分別與檢測通道(12)相連接；儲液孔A、儲液孔B、儲液孔C和儲液孔D中均插入鉬電極，儲液孔A中的鉬電極與直流電驅動的正極相連，儲液孔B中的鉬電極與直流電驅動的負極相連，儲液孔C和儲液孔D中的鉬電極分別與差分放大器的輸入端相連接； 所述激發(fā)光源組件包括LED光源(2)、濾光片A (3)和過光孔，LED光源(2)的下方為濾光片A (3)，濾光片A (3)的下方為過光孔，過光孔的下方為微流控芯片(1)的檢測通道(12)； 所述光檢測組件包括濾光片B (4)和光電二極管(5);微流控芯片(1)檢測通道(12)的下方為濾光片B (4)，濾光片B (4)的下方為光電二極管(5); 所述的數(shù)據處理組件(8)包括濾波放大電路、差分放大電路、直流驅動電路、數(shù)據采集電路和ARM微處理器(25);光檢測組件輸出端與濾波放大電路連接，儲液孔A和儲液孔B中的鉬電極與直流驅動電路連接，儲液孔C和儲液孔D中的鉬電極與差分放大前路連接； 所述的自動采樣組件(20)包括控制閥(16)、導管A (17)、導管B (18)、過濾網(19)和控制閥(16)驅動電路，所述的導管A (17)的輸出端和導管B (18)的輸入端分別與控制閥(16)連接，導管A(17)的輸入端與海水連接，導管B (18)的輸出端與微流控芯片(1)的儲液孔A連接；導管17內設有過濾網(19)； 所述的水下環(huán)境信息采集組件(6)包括溫度傳感器(21)、深度傳感器(22)、鹽度傳感器(23)、GPS傳感器(24)和ARM微處理器(25)，所述的溫度傳感器(21)與ARM微處理器(25 )連接，深度傳感器(22 )與ARM微處理器(25 )連接，鹽度傳感器(23 )與ARM微處理器(25 )連接，GPS傳感器(24 )與ARM微處理器(25 )連接。
2.根據權利要求1所述的一種海水中浮游植物粒徑檢測裝置，其特征在于:所述的LED光源(2)為LED藍光光源。
3.一種海水中浮游植物粒徑檢測裝置的檢測方法，其特征在于:包括如下步驟: A、自動采樣組件(20)將檢測裝置周圍的海水樣品通過導管B(18)輸入儲液孔A中，儲液孔A中的樣品沿著主通道(13)經過檢測通道(12)流向儲液孔D中； B、當海水樣品中的一個微藻經過檢測通道(12)時，微藻細胞內葉綠素被激發(fā)光源組件激發(fā)產生瞬時光子輻射，再經濾光片B (4)濾除雜光，濾除后的熒光信號經過光檢測組件轉換成一個電壓脈沖信號；在微藻經過檢測通道(12)的同時，由于微藻在檢測通道(12)中瞬間取代相同體積的電解液，導致儲液孔C和儲液孔D中鉬電極之間的電位差發(fā)生變化，經差分放大電路的處理，庫爾特計數(shù)組件(7)會產生一個阻抗脈沖信號； C、當海水樣品中的一個泥沙顆粒經過檢測通道(12)時，因為泥沙顆粒中不含葉綠素，所以泥沙顆粒不會被激發(fā)產生瞬時光子輻射，光檢測組件不會輸出電壓脈沖信號；在泥沙顆粒經過檢測通道(12)的同時，由于泥沙顆粒經在檢測通道(12)中瞬間取代相同體積的電解液，導致儲液孔C和儲液孔D中的鉬電極之間的電位差發(fā)生變化，庫爾特計數(shù)組件(7)產生一個阻抗脈沖信號； D、把光檢測組件輸出的電壓脈沖信號和庫爾特組件的輸出的阻抗脈沖信號通過數(shù)據處理組件(8)進行處理；光檢測組件的輸出電壓脈沖信號判斷流經檢測通道(12)顆粒的是微藻還是泥沙；庫爾特組件的輸出信號的幅度變化推算出粒子的體積、等效球徑、等效球體的表面積參數(shù)。`
【文檔編號】G01N15/12GK103822868SQ201410096575
【公開日】2014年5月28日 申請日期:2014年3月14日 優(yōu)先權日:2014年3月14日
【發(fā)明者】王俊生, 宋有楠, 潘新祥, 孫野青, 李冬青 申請人:大連海事大學