[發(fā)明專利]基于離散三維熒光光譜的浮游植物識別測定方法與裝置

有效

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• 申請日: 2014-03-14
• 公開（公告）號: CN103868901A
• 公開（公告）日: 2014-06-18
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 殷高方;趙南京;胡麗;石朝毅;余曉婭;方麗;段靜波;肖雪;甘婷婷;董欣欣;張玉鈞;劉建國;劉文清
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院
• 主分類號: G01N21/64
• 分類號: G01N21/64
• 代理公司: 安徽合肥華信知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 34112
• 代理人: 余成俊

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及環(huán)境科學(xué)領(lǐng)域，具體涉及一種基于離散三維熒光光譜的浮游植物識別測定方法與裝置。

背景技術(shù)

浮游植物種類和數(shù)量可以反映該區(qū)域的生態(tài)狀況，浮游植物長期以來就被用作水質(zhì)的指標(biāo)生物，特別對于大面積水域，測定浮游植物的物種和數(shù)量，對水質(zhì)評價有著更為重要的實用意義。隨著我國內(nèi)陸湖泊和近海海域水體富營養(yǎng)化，導(dǎo)致水體浮游植物過量增殖，赤潮和水華頻發(fā)，迫切需要發(fā)展能夠直接、快速進(jìn)行浮游植物種類和數(shù)據(jù)分析技術(shù)與設(shè)備，為赤潮和水華監(jiān)測預(yù)警提供重要手段。

浮游植物常用的識別測定方法主要有高效液相色譜法（HPLC）、分光光度法、熒光分析法。分光光度法和HPLC具有選擇性好、分離性能和靈敏度等特點(diǎn)，在我國的廢水監(jiān)測分析和湖泊富營養(yǎng)化調(diào)查廣泛應(yīng)用，其中HPLC是美國EPA中標(biāo)準(zhǔn)浮游藻類葉綠素a濃度檢測方法447.0，但這兩處方法都需要復(fù)雜而昂貴的檢測儀器、且樣品需要預(yù)處理、分析時間長、整套設(shè)備體積大、對實驗環(huán)境條件要求高、只適于在實驗室內(nèi)進(jìn)行測量；熒光分析法具有靈敏度高、易于實現(xiàn)實時現(xiàn)場檢測及對物質(zhì)具有良好的鑒別性等優(yōu)點(diǎn)而廣受關(guān)注，是最具發(fā)展?jié)摿Φ母∮沃参锟焖僮R別測定手段。Cowles等（1993）通過測量藻紅蛋白熒光發(fā)射光譜波長的位移,推斷了海水中含藻紅蛋白浮游植物種類和豐度的變化；Lee等（1995）根據(jù)藍(lán)藻所具有的藻藍(lán)蛋白發(fā)出的特征激發(fā)熒光譜，建立了現(xiàn)場活體監(jiān)測藍(lán)藻含量的熒光分析技術(shù)；Kolbowski等（1995）通過初始葉綠素?zé)晒鈪^(qū)分開了三個主要的藻類種群；Beutler等（2002），利用浮游植物活體葉綠素激發(fā)熒光光譜，將浮游植物分為四大類（綠藻，藍(lán)藻，隱藻，混合藻（含甲藻和硅藻））識別測定，建立了浮游植物群落組成測定技術(shù)。然而，單獨(dú)利用激發(fā)或發(fā)射熒光光譜進(jìn)行浮游植物分類測量，存在的缺陷是識別與測定精度不夠，無法將色素組成相近的浮游植物（如硅藻和甲藻）或同門類不同種類的浮游植物分類識別，難以滿足我國赤潮和水華常見浮游植物監(jiān)測的需要。張前前等（2006）、王志剛等（2007）、蘇榮國等（2008）利用浮游植物活體三維熒光光譜，結(jié)合平行因子、小波變換等光譜模型算法，對浮游植物的濃度進(jìn)行了分類測量。因為三維熒光光譜提供了更為豐富的指紋信息，所以能夠在更細(xì)層次上區(qū)分浮游植物，浮游植物識別與測定精度都有很大程度提高。但由于傳統(tǒng)三維熒光光譜測量儀器體積大、功耗高、光柵傳動等機(jī)構(gòu)對運(yùn)行穩(wěn)定性要求高，使得基于三維熒光光譜的浮游植物識別測定方法停留在實驗室樣品分析階段，難以滿足浮游植物現(xiàn)場識別測定的需求。

發(fā)明目的

針對我國水體富營養(yǎng)化現(xiàn)狀和國家對赤潮和水華災(zāi)害監(jiān)測的急迫需求，結(jié)合浮游植物監(jiān)測方法和技術(shù)的發(fā)展方向，本發(fā)明提出了一種基于離散三維熒光光譜的浮游植物識別測定方法，并針對浮游植物熒光光譜特征，設(shè)計了一種離散三維熒光光譜測定裝置，該裝置體積小、功耗低、結(jié)構(gòu)簡單穩(wěn)定，能夠現(xiàn)場檢測浮游植物的特征離散三維熒光光譜，實現(xiàn)浮游植物種類識別與含量測定。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明提供了一種基于離散三維熒光光譜的浮游植物識別測定方法與裝置，可以直接測量水體中浮游植物的群落組成和色素含量，整個操作過程無需預(yù)處理，可用于野外水體浮游植物現(xiàn)場快速調(diào)查。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：

一種基于離散三維熒光光譜的浮游植物識別測定方法，其特征在于，具體包括以下步驟：

（1）首先利用熒光分光光度計測量不同門類浮游植物連續(xù)三維熒光光譜，結(jié)合浮游植物色素組成得到不同門類浮游植物的熒光光譜特征，結(jié)合目前單色發(fā)光二極管的技術(shù)水平和濾光片加工工藝，選擇412nm、435nm、455nm、470nm、507nm、535nm、567nm、624nm、635nm、665nm等10個激發(fā)波段，選擇620nm、654nm、670nm、683nm、692nm、725nm等6個發(fā)射波段，構(gòu)建由36個特征光譜點(diǎn)組成的離散三維熒光光譜；

（2）然后，以葉綠素a濃度為統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，將特征熒光光譜對葉綠素a濃度歸一化，建立不同門類浮游藻類標(biāo)準(zhǔn)離散三維熒光光譜庫；

（3）在浮游植物標(biāo)準(zhǔn)離散三維熒光光譜庫找到與待測樣品離散三維熒光光譜最為相似的特征譜或特征譜組合，再轉(zhuǎn)化為線性回歸問題，即以標(biāo)準(zhǔn)離散三維熒光光譜庫中的各特征光譜對樣品特征光譜進(jìn)行擬合，具體計算過程如下：

1）建立需要測量的浮游植物的標(biāo)準(zhǔn)離散三維熒光光譜庫；

2）測量混合浮游植物樣品的離散三維熒光光譜；