藍藻濃度檢測裝置設計*

羅 勇， 楊慧中

(江南大學 輕工過程先進控制教育部重點實驗室，江蘇 無錫 214122)

0 引 言

對水體中藍藻濃度進行實時監測是防治藍藻災害[1～3]的重要環節。目前，檢測方法有顯微鏡法計數[4]、液相色譜法[5]、分光光度法[6]、衛星遙感法[7，8]等，前3種方法一般都是將采集的水樣在實驗室進行預處理后再測定，需要耗費大量的人力、物力且效率低下、實時性較差、對分析人員的儀器操作能力要求較高。衛星遙感法只適合大面積水域藍藻監測，且氣溫、濕度、風向、云層等自然條件對監測結果影響大。本文利用熒光光譜儀開展實驗，由得到的實驗結果分析可知，對于太湖微囊藻，當受到610 nm的可見光照射時，其所特有的藻藍蛋白在受強光激勵后會立即以輻射躍遷形式將其吸收的能量釋放，發射中心波長為660 nm的熒光。本文根據該熒光特征波長，設計了一種對水體中藍藻濃度實現快速檢測的裝置，建立了藍藻濃度與測量電壓值之間的線性關系，可以準確測出水體中的藍藻濃度。

1 建模原理

本文設計的激發光波長為610 nm，藍藻溶液中藻藍蛋白的熒光[9,10]中心波長為660 nm。當溶液很稀時，被吸收的總激發光不超過5 %，根據朗伯比爾定律，溶液發出的熒光強度If、熒光效率η、激發光強度Io、吸光系數k、吸光介質的厚度l與溶液的濃度c之間的關系簡化表示為

If=2.3ηIoklc

(1)

可知，當激發光強度和波長一定時，熒光物質發出的熒光強度與藍藻溶液濃度成正比。因此，可以利用光電傳感器檢測熒光強度得到電壓信號，建立電壓信號與藍藻濃度之間的回歸模型。

2 裝置結構

2.1 系統總體設計

裝置主要由激發光模塊、比色皿、光電傳感器、信號處理模塊和通用分組無線業務(general packet radio service,GPRS)模塊等組成，AT89C52單片機作為控制核心器件控制整個系統的工作流程。系統框圖如圖1所示。

圖1 系統框圖

在激發光模塊中，采用中心波長為610 nm的2個功率為3 W的紅光LED燈為激發光源[11]，以滿足激發光源有足夠的能量使藻藍蛋白產生發射熒光，有助于提高檢測精度。恒流源驅動電路的輸出電流為700 mA，確保了激發光源的穩定性。

光電傳感器采用硅光電池, 最大暗電流為30 nA，直接將光信號轉換為微弱的電流信號。在光電傳感器前端加入了濾光片的設計，濾光片的中心波長為660 nm，帶寬為10 nm。濾光片可以有效的防止其他波長光的干擾，尤其是激發光源的干擾。

放大電路采用高精度儀表放大器AD620，具有高精度(最大非線性度40×10-6)、低失調電壓(最大50 μV)、低噪聲的特性。光電傳感器檢測得到的直流電壓信號含有隨機噪聲，噪聲信號分布在頻譜中頻率較高的區域，因此，在硬件上使用型號為LTC1569—7芯片組成低通濾波器濾除噪聲信號。A/D轉換采用16位A/D轉換器AD7705，其精度為0.002 %。裝置工作流程如圖2所示。

圖2 裝置工作流程

裝置的檢測周期為30 s，可以實現連續快速檢測。利用單片機定時器實現精確定時：打開注射泵，定量抽取5 mL待測溶液;打開激發光源，為了保證激發光源的穩定性，信號的采集在激發光源開啟5 s后進行;單片機程序控制每個檢測周期連續采樣30個數據，取平均值作為最后的測量結果。該算法從軟件上可以有效消除檢測過程中的隨機誤差。

2.2 結構設計

裝置結構采用獨特的模塊化設計，并滿足激發光源和光電傳感器密閉性的要求。比色皿嵌套在黑色塑料外殼中作為待測溶液的檢測池，避免了外界光源對檢測結果的影響。定制的石英玻璃比色皿，具有足夠的透光率。激發光源和光電傳感器的安裝方向垂直，光電傳感器才可以有效檢測到熒光。裝置模塊采用分段式的結構，上下層之間用螺絲固定，便于拆卸和檢修，裝置結構如圖3所示。

圖3 裝置結構

采用實驗室自主開發的注射泵采集待測溶液，比色皿無需清洗，每次用注射泵抽取多余的待測溶液對比色皿進行潤洗，避免前次溶液對本次測量結果的影響。

3 實驗結果

3.1 標準曲線

選取實驗室培養的微囊藻溶液，配置濃度為275，346 mg/L。采用去離子水逐步稀釋的方法，分別測量了346，275，137.5，68.75，34.375 mg/L和空白(0 mg/L)水樣共6組不同濃度藍藻的電壓數據。每組溶液的電壓數據連續采樣30次取平均值得到的結果,相應的測量結果為：2 085,2 033,1 913,1 836,1 779,1 744 mV。

將上述數據線性擬合，得出的藍藻濃度與電壓值之間的線性回歸方程為y=1.001 2x-1 756.9，相關系數為0.989。對多個樣品數據的測量、分析可知，本裝置檢測藍藻濃度范圍為0～346 mg/L時具有較好的線性關系。

3.2 準確性檢驗

分別配置濃度為1.8,45.3,168.2,335.7 mg/L的4種不同濃度的溶液，每個濃度溶液進行3個平行樣，對測定的藍藻濃度計算平均值與相對誤差以檢驗準確度，如表1。

表1 標準溶液準確度檢驗

3.3 實際水樣檢測結果分析

在無錫市太湖大堤沿線選取4處不同的取水地點。方法一在實驗室將待測實際水樣過濾、烘干、稱重的人工方法計算藍藻濃度；方法二利用本裝置測量實際水樣藍藻濃度。對比結果如表2所示。

表2 實際水樣檢測結果

4 結 論

本文基于熒光法原理設計了一種藍藻檢測裝置，建立了藍藻濃度和裝置測量電壓值之間的線性關系。裝置具有成本低，結構簡單，準確度高的優點。實驗結果表明，藍藻濃度在一定范圍內與電壓值之間具有良好的線性關系。本裝置可以廣泛應用于江河湖泊的藍藻濃度監測，對預警藍藻爆發有一定的指導意義。