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1、河北科技大学硕士学位论文海水叶绿素现场检测仪的研究姓名：吕永涛申请学位级别：硕士专业：环境工程指导教师：崔建升20100527摘 要 I 摘 要 由于海水藻类中的叶绿素 a 含量与光合作用产量之间存在直接相关性，因此叶绿素 a 浓度被作为描述海洋初级生产力的重要指标。并且叶绿素 a 浓度也是评价海水有机污染程度、海洋水质和探测渔场的重要参考数据，同时海域叶绿素 a 的时空变化包含着海区的基本信息。 目前，叶绿素 a 检测仪的发展主要趋向小型化、低功耗和模块化的发展趋势。而荧光检测能较好的满足这一要求， 本仪器基于荧光分析法， 通过控制波长为 460nm的超高亮发光二极管激发叶绿素 a 产生荧光
2、信号，并利用光纤作为激发光和荧光的传导介质，利用高性能的 S8745-01 光敏器件作为荧光信号的感应装置。系统中通过低通滤波网络对信号进行去噪，并通过两级放大电路进行信号的放大，然后经模数转换后进入单片机，并通过对测量值进行多次采样，有效滤除噪声信号，最后将采样获得的数据通过 RS-232 串口上传至上位机并实时显示。 通过实验，可以验证本套系统测量的叶绿素 a 浓度与荧光光强具有很好的线性关系，并且拥有较小的检出限和较低的功耗。本系统采用小体积、低功耗、模块化设计方案，从而有利于本系统与其它检测系统的集成，也有利于整个系统的安装、维护与调试。并且本系统可适用于系泊式和走航式两种测量方式，可
3、以测量海域某点叶绿素 a 的垂直分布，还可以进行海域叶绿素 a 的空间分布测量，对海区的叶绿素 a 的时空分布研究具有重要意义。 关键词 海洋监测；光纤传导；叶绿素探头；LED光源；荧光分析 Abstract II Abstract Chlorophyll a was regarded as the important indicator to describe the marine primary production because of that the chlorophyll a content of plants in the ocean is related to its phot
4、osynthesis production. The concentration of chlorophyll a is a major parameter to evaluate marine organic pollution, water quality and detect the fishing ground, even the temporal and spatial variation of chlorophyll a contains the basic information of sea areas. Now, the developing trend of chlorop
5、hyll a fluorometer was low consumption miniaturization, and modularity. And the fluorescence analysis is suitable for the developing. The system is based on the fluorescence analysis, by controlling the ultra-high brightness LED which wavelength is 460nm to excite chlorophyll a to produce the fluore
6、scent signal, and adopt the high performance photo sensor S8745-01 as the induction system of the fluorescent signal. The system uses active low-pass filter to reject noise, and amplifying signal through two stage amplifying circuit, and input the microcontroller after analog-digital conversion, and
7、 completes the sampling and integral of measurements many times to filter the noisy signal valid. The sampled data would upload to the computer with RS-232 and display on real-time. The data of the result shows the concentration of chlorophyll a measured by the system has smaller detection limit and
8、 has the linear relation with the fluorescence intensity and lower consumption. The system adopts the modularity, lower consumption, small volume design decision, so to the benefit of integration of the system and the other sensors, also to the benefit of installation, maintain and debugging. In add
9、ition, Chlorophyll a fluorometer could be used in mooring measurement and profile measurement, so it could measure the vertical distribution of chlorophyll a in one point of sea area, also could measure the spatial distribution of sea area, thus it has important significance for researches of chloro
10、phyll a distribution in the sea areas. Key words ocean detection; Fiber conduction; Chlorophyll Probe; LED light source; fluorescence analysis 第 1 章 绪 论 1 第 1 章 绪 论 叶绿素 a 荧光光纤检测仪是通过特定波长的强光对叶绿素 a 进行照射， 叶绿素 a在激发光的照射下会发出具有更长波长的红色荧光信号，通过测定荧光光强获知叶绿素 a 浓度的一种海上连续监测装置。本章分析了叶绿素 a 浓度测量的主要研究背景、国内外研究现状，确定了本课题的主
11、要研究内容。 1.1 研究背景及意义 目前，海洋环境受到越来越多的关注，海洋环境的好坏开始直接影响人的生产生活，海洋污染所形成的“赤潮”遍及世界各地，越来越多的海洋赤潮事件表明，赤潮不仅给水体生态环境造成危害，给渔业资源和生产造成重大经济损失，还给旅游业和人类生活带来了危害，已成为全球性海洋灾害之一。 赤潮，又称红潮，是海洋生态系统中的一种异常现象。它是由海藻家族中赤潮藻在特定环境条件下爆发性地增殖造成的。海藻是一个庞大的家族，除了一些大型海藻外，很多都是非常微小的植物，有的是单细胞植物。根据引发赤潮的生物种类和数量的不同，海水有时也呈现黄、绿、褐色等不同颜色。其危害主要表现为1：有些赤潮生物
12、能向体外分泌粘液，或者死后分解也产生粘液，附在海洋动物的鳃上使其窒息而死；有些赤潮生物含有毒素，在海洋生物滤食或呼吸过程中可以在其体内消化、吸收和积累，如果这些海洋生物被人类或者其他动物食用就会发生中毒或者死亡；大量赤潮生物吸收水中的氧气或者死亡后分解消耗水中的氧气会造成缺氧环境，使大量海洋生物死亡；大量繁殖的赤潮生物在海水表层抢先吸收阳光，使其他海洋生物吸收不到充足的阳光，也会使大量海洋生物死亡。因此，对海洋进行实时有效的监测成为海水污染监测和治理的关键。通过对海洋水体中叶绿素的实时监测，可反映出海水中浮游植物的空间分布、时间、蕴藏量及其变化规律，对水质环境状况进行评价，实现提前捕捉赤潮发生
13、先兆，进行赤潮早期预报。 我国目前的海洋环境特别是江河入海口和一些濒临城市的海湾，其海水污染问题非常严重。主要是近岸海域污染总体水平没有根本缓解，不少河口、海湾及大中城市毗邻的近岸海域污染严重，并有加剧的趋势。其中，陆源污染物排入海里是海洋环境恶化的主要原因。海域水质和底质污染或含有毒化学元素直接影响海洋生物的栖息和繁衍，使经济海产产量连年降低，养殖滩涂荒废。由于海洋污染，我国近岸“赤潮”发生次数明显增多，仅 1990 年我国沿海已记录到 34 次，持续时间较长，严重损害海水养殖业。因此，加强海洋保护意识，提高综合治理水平是经济可持续发展的可靠保证2。 河北科技大学硕士学位论文 2 海洋环境监
14、测的手段主要包括：卫星和航空遥感系统；船舶、浮标、潜器、海床基、台站等自动监测系统；采样和分析系统。卫星海洋遥感监测是一种快速大面积的海平面或表层的环境监测手段，它可以监测大面积的赤潮和油溢及其漂移和发展。航空遥感适用于中小尺度和近岸海域的环境监测。国际上从 70 年代开始先后研究适用于各种不同目的的海洋环境自动监测系统，但是到目前为止，水质现场在线自动监测仍然处于以化学分析的自动化和小型化为基础的测量水平上，海洋环境监测的化学和生物传感器尚处于实验阶段。海水中藻类经常作为鉴定不同藻类和估测浮游植物群落组成的特征标示物。通常以叶绿素浓度来表示浮游植物的含量2。 叶绿素中，叶绿素 a 是水生态系
15、统的一个重要参数，它存在于所有的光养种群中，其含量实反映海水中浮游植物生物量或现存量的一项重要观测项目，也是计算初级生产力的基础。其他主要辅助叶绿素（如叶绿素 b、叶绿素 c） ，一些类胡萝卜素的存在与否是浮游植物群落分类的重要特征。在叶绿素中，叶绿素 a 是负责光合作用的主要色素。叶绿素 b、叶绿素 c、叶绿素 d 和类胡萝卜素等都作为辅助色素，在接受光照的能量后， 高效率的将光能传递给叶绿素 a。 叶绿素 a 是所有藻类中都含有的成分，但叶绿素 a 以外的其它色素，不同种类的藻类之间有着很大的差异。因此叶绿素 a很早就开始被作为海洋藻类生产量的重要指标。传统的叶绿素 a 含量测量方法主要有
16、实验室荧光分析法、分光光度法，这些方法和技术无论在国内和国外都已经成熟。然而上述方法都属于取样分析测量方法，需经过定点采水、抽滤、萃取、测定等步骤，准确度较高，但存在定位随机性大、取样困难、周期长、数据少、耗费大量人力和财力等缺点，不能实现在线测量。面对海洋污染现状的复杂性和实时性监测要求，必须对叶绿素 a 含量进行在线监测3，达到监测海水结构细微变化及海洋污染程度。 针对海洋环境进行的各种探测活动越来越频繁，人们对得到数据的及时性越来越高，所以高效获取海洋环境的有效数据已经成为研究的主要内容之一。各国对于叶绿素 a 检测仪的研究一直没有停止过，自上个世纪 60 年代开始，一些发达国家已经开始使用荧光测量法进行海洋现场检测的应用研究。70 年代中期，德国、苏联海洋学家首先采用脉冲氙灯作光源，窄带干涉滤光片作光谱滤光和脉冲检测技术研制成脉冲式水下荧光计。此后，丹麦、日本、英国、美国也进行了这方面的工作。40多年来,各国研制的水下荧光计已广泛应用于物理海洋、海洋生物、海洋光学、海洋地质、河口港湾和海洋环境检测等方面。构成海洋生物并维持其生活的基础有机物质主要
