原位葉綠素a光纖熒光傳感器研制

張天鵬,褚東志,馬海寬,張麗,曹煊,吳寧,王小紅

(山東省科學院海洋儀器儀表研究所，山東 青島 266001)

【海洋科技與裝備】

原位葉綠素a光纖熒光傳感器研制

張天鵬,褚東志,馬海寬,張麗,曹煊,吳寧,王小紅

(山東省科學院海洋儀器儀表研究所，山東 青島 266001)

運用熒光檢測技術，設計了一款用于海水中葉綠素a含量檢測的在線式光纖傳感器。該傳感器基于光纖傳輸與熒光分析法，通過對激發熒光信號的捕捉、傳輸以及解析達到在線快速檢測葉綠素a的目的。實驗結果表明，該傳感器的響應值與葉綠素a的濃度具有良好的線性關系，檢測性能穩定，且具有體積小、傳輸速度快等特點，初步具備了海水中葉綠素a含量的現場檢測能力。

熒光法；傳感器；葉綠素a；海洋污染

葉綠素a存在于所有光氧種群中，是負責光合作用的主要色素，其濃度反映了浮游植物的生物量或現存量[1]。葉綠素a含量是目前海洋環境監測的主要參數，監測水中葉綠素a含量可以有效監視赤潮和水質環境情況[2]，原位葉綠素a分析是海洋生態系統監測的重要手段之一[3]。目前葉綠素a濃度的檢測方法主要有分光光度法和熒光分析法，相比較而言熒光分析法測量方法簡便，具有較高的精度和較寬的測量范圍。國外的葉綠素a傳感器監測性能穩定，但存在價格昂貴、功耗大等問題。而國內原位監測傳感器由于采用氙燈等作為激發光源，存在體積較大、使用壽命短、易損壞等問題，且檢測精度、檢測范圍等指標與國外先進產品相比還存在較大差距[4]。本文設計的原位葉綠素a傳感器基于光纖傳輸與熒光分析法，通過對傳感器內部的光路設計來提取熒光信號，具有靈敏度高、測量速度快、體積小的特點。

1 檢測原理

葉綠素a在可見光波段對波長640～660 nm的紅光和波長430～470 nm的藍紫光有很強的吸收作用。當用一定波長的藍紫光照射葉綠素a時，熒光物質分子吸收了一定的輻射能量，低能級電子就會向更高的振動能級躍遷，由于電子躍遷過程不穩定，在短時間內又會從高能級躍遷到低能級，后部分過程會有部分能量以光子的形式釋放，即稱為熒光。激發光源停止照射時，熒光激發的熒光強度與葉綠素a的濃度成正比，因此，通過檢測熒光強度、進行數據擬合處理即可得到海水中葉綠素a的濃度。

2 系統設計

傳感器的系統設計包括外部結構、光學通路、處理電路與通訊設計三部分。外部結構總體呈圓柱形，外徑最大76 mm，總高200 mm，特點是體積小、重量輕、密封性強；光學通路的主要作用是通過照射葉綠素a完成熒光的激發、信號捕捉傳輸；處理電路與通訊的主要作用是完成光信號至電信號的轉化，對信號進行相應濾波放大處理并與上位機進行即時通訊。

2.1 光學通路設計

2.1.1 結構設計

1高亮度LED； 2平凸透鏡；3干涉濾光片(激發端)；4光纖(激發端)；5鏡片擋圈；6平面透鏡；7光纖(接收端)；8干涉濾光片(接收端)；9平凸透鏡后。圖1 光路結構圖Fig.1 Structure chart of optical path

光學通路的設計對于熒光的激發以及接收具有重要的意義[5]。圖1為傳感器的光學通路結構圖，主要結構包括激發光源、平凸透鏡、濾光片以及光纖。本次設計中激發光路中光源選用的是LED，其具有光照強度高、入射角小的特點；干涉濾光片可有效消除外部環境光以及激發光源對熒光信號的影響；接收光路中濾光片可有效過濾熒光信號，且在濾光片前安裝凸透鏡可提高熒光信號的使用效率；激發光路和接收光路信號傳輸均采用光纖傳輸的方式，可同時完成光信號的傳輸和獲取，沒有中間環節，具有工作效率高、檢測靈敏度高的特點[6]。

光路的工作原理是高亮度LED發出激發光源，依次通過平凸透鏡、干涉濾光片(激發端)、光纖(激發端)、鏡片擋圈以及平面透鏡對待測水樣進行照射，水樣中的葉綠素a受激發產生熒光信號,再依次經過平凸透鏡、干涉濾光片(接收端)后通過光纖(接收端)進行熒光信號的捕捉和傳輸。

2.1.2 光路仿真

本文利用Zemax軟件對傳感器的光學通路進行光學仿真。如圖2所示，熒光激發光路中LED的中心波長是470 nm，干涉濾光片選用的是中心波長475 nm、帶寬25 nm的窄帶濾光片，這樣一對LED光源經過濾光片濾光后可匯聚到光纖的有效接收面積上進行傳輸，并可保證激發光在過濾后具備較高的光照強度，有效照射葉綠素a并激發熒光。熒光接收光路中干涉濾光片選用的是透射帶為635～1 650 nm的濾光片，濾光同樣可匯聚到光纖處并進行信號傳輸。這樣傳感器所接收的熒光信號強弱基本反映了海水中葉綠素a的含量。

圖2 光路仿真圖Fig.2 Simulation diagram of light path

2.2 處理電路與通訊設計

通訊電路的作用是能夠將激發的熒光信號通過數模轉換器件轉換成穩定的電信號，通過放大處理后與上位機進行即時通訊。

海水中葉綠素a的含量較低，受激發后產生的熒光信號也非常微弱，需要檢測靈敏度高的光敏元件來捕捉熒光信號。本設計選用的熒光接收器件是型號為PT5F850AC的光敏三極管，其感光波寬范圍400～1 100 nm，在熒光的波長范圍內有穩定的電流輸出，額定功耗為70 mW；輸出的電流通過I/V模塊轉化為電壓信號，再經過運算放大器、濾波模塊、檢波模塊，通過A/D模塊對信號進行采集和處理[7]，最后與上位機連接，見圖3。

圖3 通訊電路示意圖Fig.3 Communication circuit diagram

3 性能分析

3.1 穩定性分析

對設計完成的葉綠素a熒光光纖傳感器在實驗室進行了測試。通過在實驗室配置11種濃度的標準葉綠素a樣品溶液，用傳感器樣機對各個濃度的樣品進行檢測。檢測結果如表1所示。

表1 不同濃度樣品溶液的5組傳感器響應值

對表1所測數據傳感器信號響應值與標準濃度值進行線性回歸分析，其回歸方程為：

y=279.13x+1 022，

式中，y為傳感器檢測響應值；x為葉綠素a標準濃度值。

通過分析得出r=0.997 4(p<0.01)，相對標準偏差<10%，可見在該測量濃度范圍內，葉綠素a濃度與傳感器響應值呈現良好的線性關系，且精密度良好。圖4為葉綠素a濃度與傳感器響應值的對應關系。

圖4 傳感器響應曲線Fig.4 Response curve of a sensor

3.2 溫度影響分析

高溫條件下葉綠素a不穩定，易降解，降低了葉綠素a的熒光量子產率，熒光強度隨之降低，故溫度對葉綠素a的檢測具有顯著影響。隨著溫度的升高，不同濃度的葉綠素a均呈現相似的下降趨勢，且通過驗證，在溫度為5～35 ℃時，溫度對葉綠素a濃度的影響甚微[8]。本文通過改變待測水樣溫度對傳感器的檢測性能進行測定。

在實驗室配置濃度為3 μg/L的葉綠素a樣本，分別在5 ℃、10 ℃、15 ℃、20 ℃、25 ℃、30 ℃、35 ℃環境下，通過實驗室檢測和傳感器檢測對比驗證傳感器的檢測性能。檢測數據如表2所示。

表2 不同溫度下實驗室與傳感器檢測結果對比Table 2 Comparison of laboratory and sensor testing results at different temperatures

從表2可以看出，該傳感器檢測值符合溫度與葉綠素a濃度的變化規律，具有良好的線性關系，通過對傳感器響應值單因素方差分析，F=0.001 50.05，所以認為溫度對儀器的性能無顯著影響，表現出良好的性能。

3.3 海上實驗

為了驗證該傳感器的現場檢測性能，在青島附近海域對其進行了連續測試，傳感器響應值如圖5所示。結果表明該傳感器在現場檢測時有穩定的輸出響應，響應值標準差約為93.50，波動幅度不大。

圖5 海上實驗傳感器響應值Fig.5 Sensor response value in seawater experiment

4 結論

本文利用熒光法檢測葉綠素a的原理，通過對光學通路以及處理電路與通訊的設計，初步完成了原位葉綠素a光纖熒光傳感器的研制工作。實驗結果表明，傳感器系統設計具備一定可行性，設備檢測數據穩定，可用于葉綠素a的長期現場觀測，對我國海洋水質檢測、赤潮等災害的預報具有重要意義。

[1]王文華，封余軍，師文慶，等.光線傳感器在海洋科學領域的應用與研究進展[J].光纖與電纜及其應用技術，2010(5)：5-8.

[2]李世杰.應重視湖泊科學的建設與發展[J].中國科學院院刊，2006,9( 5) 16-18.

[3]胡軼，葉樹明，樓凱凱，等.原位葉綠素a 精密測量方案設計[J].儀器儀表學報，2012,33(6)：1372-1376.

[4]李鑫星，王聰，陳英文，等.基于熒光分析法的水體葉綠素a傳感器光通路設計[J].農業機械學報，2015,46(5)：300-305.

[5]范陳清，王巖峰，張杰，等.用于海洋水質監測的小型葉綠素a熒光計[J].微計算機信息(測控自動化)，2010,26(9-1)：104-106.

[6]吳鴻賓.全光纖傳感器的制備與傳感特性研究[D].北京：北京理工大學,2014.

[7]李鑫星，王聰，李振波，等.水體葉綠素a光學傳感器信號調理電路設計與測試[J].農業機械學報，2015,46(9)：314-318.

[8]呂鵬翼，崔建升.溫度對現場熒光法測定水體中葉綠素a的影響[J].中國環境監測，2015，31(2)：130-134.

Developmentofinsitufiberopticfluorescencesensorforchlorophyll-a

ZHANGTian-peng,CHUDong-zhi,MAHai-kuan,ZHANGLi,CAOXuan,WUNing,WANGXiao-hong

(InstituteofOceanographicInstrumentation,ShandongAcademyofSciences,Qingdao266001,China)

∶An online in situ fiber optic sensor used for detecting the chlorophyll-a content was designed by fluorescence detection technology. The sensor was based on optical fiber transmission and fluorescence analysis method, which could be used to capture, transmit and analyze the fluorescence signal to achieve the goal of online rapid detection of chlorophyll-a. Experimental results show that the response value of the sensor has a good linear relation with the concentration of chlorophyll-a. And the sensor has the advantage of stable performance, small size, and fast transmission speed, etc. Therefore, the sensor has preliminarily obtained the online in situ detection capability of chlorophyll-a content in seawater.

∶fluorescence method; sensor; chlorophyll-a; ocean pollution

10.3976/j.issn.1002-4026.2017.06.001

2017-05-08

國家重點研發計劃(2016YFC1400803)

張天鵬(1987—)，男，碩士研究生，研究方向為海洋環境監測設備研發。

P715.4+1;TP212

A

1002-4026(2017)06-0001-05