船载式浮游植物多激发波长荧光检测器的研制

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水体中叶绿素a(Chla)浓度、浮游植物分类是水质监测、初级生产力估算、水色遥感反演等所需的基础数据。Chl a的总浓度是表征水体中浮游植物浓度的主要指标,也是目前浮游植物现场测定的主要参数。浮游植物浓度测定方法主要有荧光光谱法、分光光度法,测定过程一般都是在实验室进行,使用光学系统复杂的商品化仪器,测定过程对温度/湿度的要求严格。因此,现有的实验室仪器很难满足船载/车载或现场分析的要求。本文基于浮游植物色素的激发光谱和荧光光谱特性,以及模块化设计思想,研制了以发光二极管(LED)为激发光源、流动注射为进样方式的船载浮游植物多激发波长荧光检测器,为实现高通量船载式浮游植物测定提供了硬件基础。   论文主要内容及结果如下:   1)第一章为前言。在文献收集、整理的基础上,对浮游植物Chl a测定的意义、分析仪器进展以及测定方法的原理进行总结,在此基础上提出论文的研究目标、技术路线和研究内容。   2)第二章在介绍浮游植物荧光分类分析原理的基础上,结合现代分析仪器的设计理念,提出船载式浮游植物多激发波长荧光检测器的设计方案,并对仪器各模块的研制以及硬件选择原则等进行详细说明,并根据模块的功能及硬件技术参数等进行选择、装配、测试,最终完成仪器样机的研制。论文第三章对研制的船载式荧光检测器的分析性能如稳定性、检出限、线性范围等参数进行测试,并对研制仪器的浮游植物识别算法进行研究。   实验结果表明,研制的荧光检测器具有结构简单、稳定性好、灵敏度高等优点;在450 nm、525 nm、570 nm、590 nm和610nm五个激发波长下,溶液中Chla测定的相对标准偏差(RSD)在1.43%~5.86%之间(1.00 mg/m3,n=10),以Chla表示的检出限(DL,3σ)分别为0.07 mg/m3、0.06 mg/m3、0.44 mg/m3、0.07 mg/m3和0.17 mg/m3,浓度线性范围为0~209.93 mg/m3,可以满足近岸及河口海水中低浓度Chl a样品船载快速测定要求。   通过实验室单藻培养,以及对蓝藻、绿藻、硅藻溶液在450 nm、525 nm、570 nm、590 nm和610nm波长激发时荧光响应因子的实验室测定,建立了海水中蓝藻、绿藻、硅藻的识别算法,并应用于混合浮游植物溶液中藻类识别。结果表明,可获得误差小、可靠性好的模型,实现对混合浮游植物的识别。   3)第四章为探索性研究。基于仪器小型化设计理念以及实时监测的目的,对上述船载仪器进行重新设计,对荧光检测器的结构、系统控制等进行优化设计,拓宽多波长荧光检测器的应用范围。   4)论文最后对研究工作进行了总结。本工作设计并研制了船载式浮游植物多激发波长荧光检测器,并对仪器的分析性能进行测试;建立了浮游植物识别模型,可识别蓝藻、绿藻和硅藻三个门类的浮游植物。   由于时间和实验条件的限制,没有将检测器用于现场的船载实验。但从文中对仪器的测试性能看,研制的仪器具备了船载分析设备的要求,达到了研究工作的主要目的。后续的主要工作可从以下三个方向开展:1)将船载式检测器应用于现场的浮游植物识别和测定研究,针对实际应用的结果,逐步完善仪器设计及浮游植物识别算法;2)进行仪器小型化改造,使其适应现场实时监测的要求,并装载于合适的载体如小型遥控船、机器鱼等载体上运行;3)改进、完善船载式和小型化检测器的硬件系统和软件系统,实现实验室样机的工程化和商品化,为水质监测等实际应用提供新的技术手段。
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