本發(fā)明涉及淡水水域檢測領(lǐng)域，特別是涉及一種淡水藍藻生物量檢測系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

水是生命之源，但由于人類對水資源的過度開發(fā)與利用，水資源短缺和水質(zhì)污染問題已逐漸影響到人們的生活和身體健康。自從上世紀末以來，水華對我國的飲用水構(gòu)成嚴重威脅，我國66％的湖泊曾受到水華的影響。其中，太湖、巢湖、滇池三大湖泊富營養(yǎng)化問題最為突出。因此，對水華的科學治理迫在眉睫。

而在藍藻水華爆發(fā)前進行準確的預警是藍藻水華治理的重要一環(huán)，根據(jù)相關(guān)研究報道，我國有81％的水華由藍藻所引起。檢測藍藻的濃度成為藍藻水華預警機制的首要任務。

目前對藍藻的監(jiān)測都是檢測藍藻在水中的密度，市場上已出現(xiàn)多種便攜式水質(zhì)傳感器，其常用的技術(shù)有：

(1)吸光度法。利用藍藻中所特有的藻藍蛋白對特定波長光的吸收特性進行吸光度的測量，以確定藍藻的密度，吸光度法原理簡單、成本低、檢測穩(wěn)定，但靈敏度與檢測限不夠，對于低濃度下的物質(zhì)檢測誤差比較大。

(2)熒光法。利用藍藻中所特有的藻藍蛋白在吸收光照后受激發(fā)射的熒光具有波長特異性特點，通過檢測到其熒光強度的大小來確定藍藻的密度，熒光法靈敏度高，適合低濃度檢測，但抗干擾性能差。

(3)遙感法。利用藍藻中所特有的藻藍蛋白對特定波長電磁波的輻射、散射與反射情況，借助對電磁波敏感的儀器進行遠距離探測，遙感法可以遠距離檢測，檢測范圍廣，但靈敏度與精確度低，且很容易受到天氣的影響。

熒光法因其簡便易行、靈敏度高、可實現(xiàn)原位檢測等特點而被廣泛應用。熒光法檢測藍藻常以藻藍蛋白作為特征色素進行檢測。但在實際水體中常因藍藻以及其它藻類含有大量的葉綠素a產(chǎn)生熒光干擾而對導致藻藍蛋白的檢測不準確。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

基于此，有必要提供一種檢測精度及靈敏度高的淡水藍藻生物量檢測系統(tǒng)。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案：

一種淡水藍藻生物量檢測系統(tǒng)，包括：光源模塊、光路模塊及電性連接于所述光路模塊的控制模塊，所述光源模塊用于提供包括兩種波長的激發(fā)光，所述光路模塊包括第一檢測器件、第二檢測器件及過濾鏡組；其中：

所述激發(fā)光經(jīng)光纖傳輸后進入淡水水體產(chǎn)生光信號，所述光信號包括第一受激發(fā)射熒光及第二激發(fā)光；

所述第一受激發(fā)射熒光經(jīng)所述過濾鏡組過濾后由所述第一檢測器件進行熒光強度的檢測與吸收后形成第一電流信號；

所述第二激發(fā)光經(jīng)所述過濾鏡組過濾后由所述第二檢測器件進行激發(fā)光強度的檢測與吸收后形成第二電流信號；

所述控制模塊對獲取的所述第一電流信號及第二電流信號進行處理并根據(jù)處理結(jié)果實現(xiàn)對淡水藍藻生物量的檢測。

在一些較佳的實施例中，所述光源模塊包括穩(wěn)壓電源、電性連接與所述穩(wěn)壓電源的激光二極管驅(qū)動器、電性連接與所述激光二極管驅(qū)動器的激發(fā)光源及電性連接與所述激光二極管驅(qū)動器的調(diào)制單元。

在一些較佳的實施例中，所述穩(wěn)壓電源由四節(jié)1.5V的干電池串聯(lián)，所述激光二極管驅(qū)動器為LD1255R，所述激發(fā)光源包括激光二極管，所述激光二極管為兩個，其一可出射激光波長為434nm±5nm，用以激發(fā)葉綠素a；其二可出射激光波長為595nm±5nm，用以激發(fā)藻藍蛋白，且所述激光二極管出射的雙波長激發(fā)光經(jīng)光纖傳輸后進入淡水水體產(chǎn)生所述第一受激發(fā)射熒光，所述雙波長激發(fā)光經(jīng)光纖傳輸后穿過待檢測的淡水水體形成所述第二激發(fā)光，所述調(diào)制單元為正弦信號發(fā)生器。

在一些較佳的實施例中，所述第一檢測器件為光電倍增管或光電二極管中的一種。

在一些較佳的實施例中，所述第二檢測器件為光電二極管。

在一些較佳的實施例中，所述控制模塊包括除噪電路、放大電路、模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)化電路及控制電路，所述第一電流信號及第二電流信號依次經(jīng)所述除噪電路除噪、所述放大電路放大、模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)化電路轉(zhuǎn)換后，再經(jīng)所述控制電路對檢測的數(shù)據(jù)進行運算、存儲，并跟蹤變化情況，以便于做藻華的預測報警。

在一些較佳的實施例中，所述除噪電路為數(shù)字濾波器，所述放大電路為跨阻放大電路，所述控制電路為單片機。

在一些較佳的實施例中，所述控制電路還電性連接于所述調(diào)制單元，所述控制電路根據(jù)計算結(jié)果控制所述調(diào)制單元。

在一些較佳的實施例中，所述淡水藍藻生物量檢測系統(tǒng)還包括散熱模塊，所述散熱模塊固定連接于所述光路模塊。

此外，本發(fā)明還提供了所述的淡水藍藻生物量檢測系統(tǒng)的檢測方法，包括下述步驟：

所述激發(fā)光經(jīng)光纖傳輸后進入淡水水體產(chǎn)生光信號，所述光信號包括第一受激發(fā)射熒光及第二激發(fā)光；

所述第一受激發(fā)射熒光經(jīng)所述過濾鏡組過濾后由所述第一檢測器件進行熒光強度的檢測與吸收后形成第一電流信號；

所述第二激發(fā)光經(jīng)所述過濾鏡組過濾后由所述第二檢測器件進行激發(fā)光強度的檢測與吸收后形成第二電流信號；

所述控制模塊對獲取的所述第一電流信號及第二電流信號進行處理并根據(jù)處理結(jié)果實現(xiàn)對淡水藍藻生物量的檢測。

本發(fā)明采用上述技術(shù)方案，其有益效果在于：

本發(fā)明提供的淡水藍藻生物量檢測系統(tǒng)，選用包括兩種波長的激發(fā)光，所述激發(fā)光經(jīng)光纖傳輸后進入淡水水體產(chǎn)生第一受激發(fā)射熒光及第二激發(fā)光，經(jīng)所述過濾鏡組過濾后其中的所述第一受激發(fā)射熒光經(jīng)所述第一檢測器件進行熒光強度的檢測與吸收后形成第一電流信號，經(jīng)所述過濾鏡組過濾后其中的所述第二激發(fā)光經(jīng)所述第二檢測器件進行激發(fā)光強度的檢測與吸收后形成第二電流信號，所述控制模塊對獲取的所述第一電流信號及第二電流信號進行處理并根據(jù)處理結(jié)果實現(xiàn)對淡水藍藻生物量的檢測，從而能夠同時實現(xiàn)葉綠素a與藻藍蛋白的檢測，規(guī)避了以往借助葉綠素a與藻藍蛋白的關(guān)系來實現(xiàn)藍藻的檢測，提高了檢測的精確度，實現(xiàn)兩者檢測的分離，可依據(jù)兩者的靈敏變化預測藍藻水華的發(fā)生情況。

附圖說明

圖1為一實施方式的淡水藍藻生物量檢測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實施方式

為了便于理解本發(fā)明，下面將參照相關(guān)附圖對本發(fā)明進行更全面的描述。附圖中給出了本發(fā)明的較佳的實施例。但是，本發(fā)明可以以許多不同的形式來實現(xiàn)，并不限于本文所描述的實施例。相反地，提供這些實施例的目的是使對本發(fā)明的公開內(nèi)容的理解更加透徹全面。

除非另有定義，本文所使用的所有的技術(shù)和科學術(shù)語與屬于本發(fā)明的技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員通常理解的含義相同。本文中在本發(fā)明的說明書中所使用的術(shù)語只是為了描述具體的實施例的目的，不是旨在于限制本發(fā)明。本文所使用的術(shù)語“及/或”包括一個或多個相關(guān)的所列項目的任意的和所有的組合。需要說明的，本文中所使用的術(shù)語“第一、第二”等僅為方便描述，不能理解為指示或暗示相對重要性，也不理解為有先后順序關(guān)系。

如圖1所示，一實施方式的淡水藍藻生物量檢測系統(tǒng)100，包括光源模塊110、光路模塊120及電性連接于所述光路模塊120的控制模塊130。其中：

所述光源模塊110用于提供包括兩種波長的激發(fā)光。所述光源模塊110包括穩(wěn)壓電源111、電性連接與所述穩(wěn)壓電源111的激光二極管驅(qū)動器112、電性連接與所述激光二極管驅(qū)動器112的激發(fā)光源113及電性連接與所述激光二極管驅(qū)動器112的調(diào)制單元114。其中：

所述穩(wěn)壓電源111由四節(jié)1.5V的干電池串聯(lián)，由于穩(wěn)壓電源采用四節(jié)1.5V的干電池串聯(lián)，可以為整個系統(tǒng)提供電能。

所述激光二極管驅(qū)動器112為LD1255R，選用LD1255R的激光二極管驅(qū)動器112可實現(xiàn)精密恒流控制，結(jié)合來自正弦信號發(fā)生器的調(diào)制信號，可將驅(qū)動信號傳輸給激發(fā)光源113。

具體地，所述激光二極管113為兩個，其一可出射激光波長為434nm±5nm，用以激發(fā)葉綠素a；其二可出射激光波長為595nm±5nm，用以激發(fā)藻藍蛋白，且所述激光二極管113出射的雙波長激發(fā)光經(jīng)光纖傳輸后進入淡水水體產(chǎn)生所述第一受激發(fā)射熒光，所述雙波長激發(fā)光經(jīng)光纖傳輸后穿過待檢測的淡水水體形成所述第二激發(fā)光。

可以理解，所述激光二極管113出射的雙波長激發(fā)光經(jīng)光纖傳輸后進入淡水水體產(chǎn)生所述第一受激發(fā)射熒光實際上是兩路，且之間可分頻率切換，可分別分時檢測來自藻藍蛋白的熒光與來自葉綠素a的熒光。

可以理解，所述雙波長激發(fā)光經(jīng)光纖傳輸后穿過待檢測的淡水水體形成所述第二激發(fā)光也有兩個波長可分別分時檢測來自藻藍蛋白的激發(fā)光與來自葉綠素a的激發(fā)光。

可以理解，由于淡水中藻藍蛋白與葉綠素a兩種色素都具有熒光效應，藻藍蛋白激發(fā)譜中的激發(fā)峰在624nm，發(fā)射譜中的發(fā)射峰在650nm，葉綠素a的激發(fā)譜中的激發(fā)峰在434nm，發(fā)射譜中的發(fā)射峰在680nm，且兩種色素的熒光光譜存在很大程度上的重疊，也即存在較大的檢測干擾，因此，本發(fā)明提供的所述激發(fā)光源113包括激光二極管可出射波長為434nm±5nm與595nm±5nm在此波長下，可實現(xiàn)葉綠素a與藻藍蛋白的抗干擾解耦檢測，從而解除了檢測過程中葉綠素a的干擾，實現(xiàn)兩種色素的獨立檢測，使藻藍蛋白濃度的測量結(jié)果更加精確。

進一步地，由于激光二極管相比于普通的發(fā)光二極管，其具有光譜波長的特異性好，發(fā)出光線的準直性高，光源強度大等優(yōu)點，這有利于增強激發(fā)光源的光強與穩(wěn)定特異性，能夠提高傳感器檢測的靈敏度與檢測限。

所述調(diào)制單元114選用正弦信號發(fā)生器。可以理解，激光二極管驅(qū)動電路調(diào)制輸出的是高頻信號，為使此信號在激光二極管與激光二極管驅(qū)動器112之間實現(xiàn)不失真的有效傳遞，就必須對線路(保證信號傳輸?shù)倪B續(xù)性)和終端(保證信號被完全吸收)進行有效的匹配，由于本發(fā)明選用正弦信號發(fā)生器，其直接受控制器件控制，實行脈沖振幅調(diào)制，可更好的保證驅(qū)動信號的真實性，有利于提高傳感器檢測的檢測靈敏度。

所述光路模塊120包括第一檢測器件121、第二檢測器件122及過濾鏡組123。其中：

第一檢測器件121可以采用光電倍增管，也可以用光電二極管，其由檢測用途以及成本決定?？梢岳斫?，當用于較高濃度檢測時采用光電二極管，用于低濃度檢測則采用光電倍增管。

第二檢測器件122選用光電二極管，可檢測強度稍大些的熒光，用來檢測藻藍蛋白與葉綠素a不同激發(fā)光的光強。

可以理解，第二檢測器件實際有兩個，分別在兩個通路中，其一可檢測595nm的藻藍蛋白的激發(fā)光；其二可檢測434nm的葉綠素a的激發(fā)光。

可以理解，本發(fā)明采用靈敏的檢測器件，可大幅提升儀器檢測的靈敏度與檢測限范圍。

可以理解，過濾鏡組123實際為4套，即包括用于過濾第一受激發(fā)射熒光的兩套和用于過濾第二激發(fā)光的兩套。

所述控制模塊130包括除噪電路131、放大電路132、模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)化電路133及控制電路134。所述第一電流信號及第二電流信號依次經(jīng)所述除噪電路131除噪、所述放大電路132放大、模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)化電路133轉(zhuǎn)換后，再經(jīng)所述控制電路134計算后得到淡水藍藻生物量的濃度，所述控制電路134并根據(jù)所述濃度與閾值的大小判斷淡水藍藻生物量是否超標。其中：

所述除噪電路131為數(shù)字濾波器，由第一檢測器件121、第二檢測器件122所輸出的電流信號經(jīng)除噪電路131可去除干擾信號。

放大電路132選用跨阻放大器，放大電路132將電流信號放大并轉(zhuǎn)換為電壓信號。

控制電路134選用低功耗的MSP系列的單片機，由控制電路134對檢測的數(shù)據(jù)進行運算、存儲，并跟蹤變化情況，以便于做藻類的預測報警?？梢岳斫?，本發(fā)明的控制電路134采用低功耗的MSP系列的單片機，降低系統(tǒng)的功耗，彌補因激光光源功率過大帶來的損耗。

進一步地，所述控制電路134還電性連接于所述調(diào)制單元114，所述控制電路134根據(jù)計算結(jié)果控制所述調(diào)制單元134，完成一個閉環(huán)控制。

優(yōu)選地，本發(fā)明提供的所述淡水藍藻生物量檢測系統(tǒng)100還包括散熱模塊(圖未示)，所述散熱模塊固定連接于所述光路模塊120。

可以理解，通過散熱模塊可將系統(tǒng)檢測過程中產(chǎn)生的熱量及時消散，提高系統(tǒng)的使用壽命。

上述淡水藍藻生物量檢測系統(tǒng)100的工作原理如下：光源模塊110提供的包括兩種波長的激發(fā)光經(jīng)光纖傳輸后進入淡水水體A產(chǎn)生光信號，所述光信號包括第一受激發(fā)射熒光及第二激發(fā)光；所述第一受激發(fā)射熒光經(jīng)所述過濾鏡組123過濾后由所述第一檢測器件121進行熒光強度的檢測與吸收后形成第一電流信號；所述第二激發(fā)光經(jīng)所述過濾鏡組123過濾后由所述第二檢測器件122進行激發(fā)光強度的檢測與吸收后形成第二電流信號；所述控制模塊130對獲取的所述第一電流信號及第二電流信號進行處理并根據(jù)處理結(jié)果實現(xiàn)對淡水藍藻生物量的檢測。

另外，本發(fā)明還提供了一種根據(jù)所述的淡水藍藻生物量檢測系統(tǒng)的檢測方法，包括下述步驟：

步驟S110：所述激發(fā)光經(jīng)光纖傳輸后進入淡水水體產(chǎn)生光信號，所述光信號包括第一受激發(fā)射熒光及第二激發(fā)光；

步驟S120：所述第一受激發(fā)射熒光經(jīng)所述過濾鏡組過濾后由所述第一檢測器件進行熒光強度的檢測與吸收后形成第一電流信號；

步驟S130：所述第二激發(fā)光經(jīng)所述過濾鏡組過濾后由所述第二檢測器件進行激發(fā)光強度的檢測與吸收后形成第二電流信號；

步驟S140：所述控制模塊對獲取的所述第一電流信號及第二電流信號進行處理并根據(jù)處理結(jié)果實現(xiàn)對淡水藍藻生物量的檢測。

上述淡水藍藻生物量檢測系統(tǒng)的檢測方法其詳細的工作原理在淡水藍藻生物量檢測系統(tǒng)100中已有詳細描述，這里不再闡述。

本發(fā)明提供的淡水藍藻生物量檢測系統(tǒng)100，選用更加合理的激發(fā)波長與發(fā)射波長，在數(shù)據(jù)處理中采用抗干擾解耦多元校正模型算法，解除檢測過程中葉綠素a的干擾，實現(xiàn)兩種色素的獨立檢測，使藻藍蛋白濃度的測量結(jié)果更加精確；同時，光路模塊中采用雙通道設(shè)計，可同時實現(xiàn)葉綠素a與藻藍蛋白的檢測，規(guī)避以往借助葉綠素a與藻藍蛋白的關(guān)系來實現(xiàn)藍藻檢測的方法，進一步提高了檢測的精確度。

以上所述實施例的各技術(shù)特征可以進行任意的組合，為使描述簡潔，未對上述實施例中的各個技術(shù)特征所有可能的組合都進行描述，然而，只要這些技術(shù)特征的組合不存在矛盾，都應當認為是本說明書記載的范圍。

以上所述實施例僅表達了本發(fā)明的幾種實施方式，其描述較為具體和詳細，但并不能因此而理解為對發(fā)明專利范圍的限制。應當指出的是，對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進，這些都屬于本發(fā)明的保護范圍。因此，本發(fā)明專利的保護范圍應以所附權(quán)利要求為準。