用于浮游植物探測的三維激光誘導熒光光譜系統

劉金濤，張凱臨, 盧 淵，郭金家，鄭榮兒

(中國海洋大學信息科學與工程學院， 山東 青島 266100)

浮游植物貢獻了地球約40%的光合作用，是人類賴以生存的關鍵；而人類發展引起的環境惡化卻不斷加深。這種狀況迫切需要加強對浮游植物的監測和研究。現有的浮游植物種類和數量分析方法有顯微鏡法、圖像法、吸收光譜法、HPLC法、分子探針法、流式細胞法、熒光光譜法等[1, 2]。其中，熒光光譜法是比較適合于現場活體浮游植物快速、實時監測和研究的方法。

熒光光譜分為激發熒光譜和發射熒光譜，兩者的組合稱為三維熒光光譜。因為三維熒光光譜可以提供豐富的信息，所以是目前浮游植物熒光研究所普遍采用的。Seppala等利用三維熒光光譜檢測了浮游植物群落結構的變化[3]。Beutler等人基于熒光光譜技術進行了現場浮游植物群落的分類研究[4]。張前前、蘇榮國等采用三維熒光光譜對中國海幾十種主要藻種進行了活體分類研究[5,6]。

目前，三維光譜測量一般采用三種方式：CCD線陣配合光柵分光；單光電倍增管配合旋轉光柵；ICCD配合光柵分光。CCD線陣配合光柵分光方式不適合脈沖光譜信號的測量，測量靈敏度也不高。單光電倍增管配合旋轉光柵方式，雖然有足夠高的測量靈敏度，但是測量周期太長，不適合三維光譜測量。ICCD配合光柵分光方式測量靈敏度高，光譜分辨率也很高，缺點是動態范圍有限，不適合現場水體剖面測量。

針對浮游植物現場探測需要，我們開發了一個三維激光誘導熒光(3D-LIF)光譜系統。該系統以波長可調諧激光器、光柵光譜儀和多陽極光電倍增管模組為核心，實現了浮游植物三維激光誘導熒光的光譜測量。本文將從系統的組成和參數設計等方面進行介紹，并給出系統的有效性測試結果。

1 系統設計與實現

圖1是實驗室研發的用于浮游植物三維激光誘導熒光光譜測量系統示意圖。由激發光源、光學接收探測和信號采集三大功能模塊構成。各功能模塊的設計參數如表1所示。具體敘述如下。

1.1 激發光源模塊

為了測量浮游植物激發熒光譜，激光光源應該多輸出波長。在研發的系統中，根據不同的浮游植物所含色素的不同，可以有針對性的選擇熒光激發波長。脈沖激光的輸出功率可以輕易超過幾十千瓦，比氙燈、發光二極管等誘發出更強的熒光信號，適合于現場熒光信號測量。激光輸出使用透鏡準直后照射到被測浮游植物目標中。激光輸出的一部分使用一個PIN管進行探測，既作為系統數據采集的觸發信號，又作為光譜數據校正的能量監測信號。

圖1 用于浮游植物三維激光誘導熒光 (3D-LIF) 測量的光譜系統示意圖Fig.1 The Schematic diagram of the 3D-LIF setup for phytoplankton investigations

浮游植物中包含有能產生熒光的多種色素成分，主要有葉綠素a/b/c、類胡蘿卜素、藻膽蛋白等。不同的色素對應的光譜吸收峰不同，主要集中在紫光到紅光波長。上述色素中，葉綠素a的熒光占主導。葉綠素a 中參與光合作用的包括光系統I(PSI)和光系統II(PSII)，其中PSI 的熒光貢獻少(約10～25%)且穩定；因此PSII 熒光的變化就是研究的重點。葉綠素a PSII 發射熒光峰在680 nm附近[7]。為了不影響680 nm熒光峰測量，根據浮游植物的熒光吸收峰，激光器的輸出波長可以選擇在400 nm～630 nm范圍。

熒光譜的測量關鍵是熒光信號強度，這主要由激光器功率和望遠鏡口徑決定。系統中激光器和望遠鏡可以根據測量目標的不同進行相應更換。如果激光脈沖寬度10 ns，則1 mJ的能量就對應10 kW的功率，一般的激光器都可滿足激發熒光要求。

1.2 光學接收探測模塊

被測浮游植物產生的熒光由望遠鏡進行接收，并匯聚耦合到光纖中。光纖將熒光信號傳導到光柵光譜儀中進行光譜分光。在光柵光譜儀的像平面處放置光纖束構成的端面陣列，每根光纖的內徑為0.2 mm，對應的光譜分辨率約為3 nm。光纖束的另一端按3根一組成束將光譜信號傳導到光電探測器。

光電探測器選擇了濱松公司的光電倍增管模組H7260(技術參數見表1)。H7260有32個光陰極，平行排列，共用倍增極，相當于32個響應一致性很好的光電倍增管構成的探測器陣列。光譜分辨率可控制在10 nm以內。通過選擇對應入射端面陣列不同位置的光纖及光纖數量，可以方便的調節被測光譜。采用H7260一次能夠測量30多個光譜通道，可以大大減少三維光譜測量時間。

1.3 信號采集模塊

光電倍增管模組的輸出由數模轉換電路進行信號采集，整個系統的工作流程由計算機控制，測量的數據也由計算機進行處理。激發光源脈寬一般為10 ns量級，熒光持續時間約為100 ns，因而需要高速、高精度的數據采集。為了采集32通道光電信號(31個光譜通道+1個激光能量監測通道)，專門設計了基于CompactPCI平臺的數據采集電路。數據采集電路的模擬帶寬設計為20 MHz，數據采集的分辨率為14 bit，采樣頻率50 MHz。數據采集軟件采用Visual C++設計，實現三維激光誘導熒光譜測量流程控制、數據采集、數據累加、數據顯示和存儲等功能。

由于所開發的數據采集電路以高性能FPGA(現場可編程邏輯陣列)為核心，且單次熒光譜采集長度小于50點，使得以超過100kHz的頻率進行實時數據累加等處理成為可能，因而所研制的3D-LIF測量系統對激光器的重復頻率沒有特殊要求。

2 浮游植物的3D-LIF光譜測量

在實驗室進行浮游植物三維激光熒光光譜測量時，采用了美國OPOTEK公司的OPO激光器(Vibrant 355)作為激發光源，控制其輸出波長輸出范圍405 nm～615 nm，波長間隔10 nm。系統接收光譜范圍是410 nm～710 nm，接收波長間隔也是10 nm，共使用了光電倍增管模組31個通道。在實驗室實驗中，采用了一個直徑12.7 mm的球面透鏡取代了圖1中的望遠鏡接收熒光信號。

2.1 多道光譜測量性能評估

在實施3D-LIF光譜測量前，先對多道光譜測量性能進行了評估。圖2是單次測量的32通道光譜數據。由圖可見，數據都比較平滑，沒有大的起伏和毛刺，表明32個通道的響應均正常。圖3是680 nm通道64次測量得到的數據，每次測量的光譜信號隨時間變化的趨勢基本一致，但測量數據的幅值有較大起伏，激發光源的能量起伏是導致信號起伏的主要原因。因此在數據處理中引入激光能量校正環節很有必要。

圖2 32通道光譜信號單次測量數據Fig.2 The single measurement data of 32 spectra channels

圖3 680 nm通道的64次測量數據Fig.3 The single channel data at 680 nm obtained from 64 measurements

2.2 3D-LIF光譜測量

應用研發的系統對30余種中國海常見的浮游植物進行了三維激光誘導熒光光譜測量。并采用PIN管接收的激光能量信號(由第32通道的數據采集電路采集)對光譜信號進行修正。鑒于激發光的波長調諧范圍跨度較大(405 nm～615 nm)，PIN管輸出的信號先做相應的光譜響應差異校正，校正后的信號作為激光脈沖能量基準用于校正三維熒光光譜數據。

圖4 塔瑪亞歷山大藻的三維激光誘導熒光譜Fig.4 The typical 3D-LIF spectra of Alexandrium tamarense

圖4和圖5分別為塔瑪亞歷山大藻和中肋骨條藻的典型測量結果。圖中的數據是256次累加的結果。從圖中可見，所獲得的兩個藻類的3D-LIF光譜信息豐富、相對特征差異明顯，是進行浮游植物藻種的分類和識別研究的理想數據源。通過對圖4和圖5中的數據進行絕對光譜定標，可望在對海洋藻類監測中得到更有效的應用。

圖5 中肋骨條藻的三維激光誘導熒光譜Fig.5 The typical 3D-LIF spectra of Skeletonem acostatum

3 結論

本文詳細介紹了一個針對浮游植物現場探測研發的三維激光誘導熒光光譜測量系統，該系統采用新型的多陽極光電倍增管模組作為光電探測器件，一次測量31個通道光譜信號和1個通道的能量校準信號。配合以波長可調諧激光光源和分光光柵，構成具有高靈敏度、實時測量、剖面探測能力的三維激光熒光(3D-LIF)光譜測量系統。

基于研發的光譜系統，采用光學參量放大器(OPO)以獲得405 nm～615 nm可調諧激發光源，在實驗室對三十余種中國海常見的浮游植物的3D-LIF光譜進行了測量。測量結果證實了系統的穩定性和用于藻種分類和識別研究的有效性。系統中的激光器和望遠鏡可靈活更換，接收的光譜范圍和光譜分辨率等參數可便利調節，因此，該系統可望發展成為用于現場探測的3D-LIF船載和機載光譜系統。

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