锁相放大法测量水体叶绿素应用研究

高先和， 石朝毅

(合肥学院 安徽省现代电子控制与检测应用技术协同创新中心， 合肥 230001)

锁相放大法测量水体叶绿素应用研究

高先和， 石朝毅

(合肥学院 安徽省现代电子控制与检测应用技术协同创新中心， 合肥 230001)

藻浓度的准确测量对于防治水华爆发，进而保障渔业正常生产及居民健康安全具有重要作用。通过叶绿素荧光测量藻类叶绿素浓度是反映藻浓度的有效手段。针对叶绿素a荧光非常微弱，且易受到环境光干扰的问题，采用锁相放大技术进行叶绿素a荧光测量。采用LED作为激发光源，以PIN光电二极管为探测器，并基于AD630设计了锁相放大电路。采用0～100 μg/L浓度范围内10个浓度梯度的鱼腥藻样品进行测试，结果表明测量值与实际叶绿素a浓度的相关系数达到0.99815。

藻类；叶绿素a荧光；锁相放大

近年来，巢湖等湖泊频繁爆发水华，给工农业生产造成极大损失，并严重危害人民的生命健康安全[1-2]。因此，准确、快速测量藻浓度并及时预报藻类生长状态是一项具有重要意义的工作。叶绿素是藻类进行光合作用的主要色素，其含量可以用来衡量水体中藻类的浓度，进而反映水体富营养化程度[3]。因此，水体叶绿素浓度的准确检测具有重要意义。叶绿素荧光法因其灵敏度高、速度快、实时性好且非侵入性的特点，成了进行叶绿素浓度测量的有效手段[4-5]。但是，由于叶绿素荧光非常微弱，且易受到环境光的干扰，因此，如何进行叶绿素荧光的准确检测就显得尤为重要。本文针对该问题，设计了基于锁相放大技术的叶绿素荧光测量系统，进行叶绿素浓度的准确测量。

1 原理与方法

叶绿素分子经光照射后，从基态跃迁到激发态，处于较高激发态的叶绿素分子很不稳定，在几百飞秒内，通过振动弛豫向周围环境辐射热量，回到最低激发态。最低激发态的叶绿素分子通过产生荧光、热耗散以及光化学反应3种途径回到基态[6-7]。叶绿素分为叶绿素a和叶绿素b，在常温下，几乎检测不到叶绿素b的荧光[8]，因此测量得到的是叶绿素a的荧光，且叶绿素a荧光强度与叶绿素浓度之间存在正比关系，因此，通过测量叶绿素a荧光强度即可计算得到叶绿素浓度。

2 测量方案设计

叶绿素浓度测量系统框图如图1所示，主要包括光源模块、探测模块、锁相放大模块及微处理器单元。在微处理单元的控制下，光源经调制后激发藻类叶绿素，诱导产生具有相同调制特性的叶绿素a荧光，荧光由探测模块探测得到并送至锁相模块实现微弱荧光信号检测。

图1 叶绿素浓度测量系统框图

2.1 光源模块

光源模块主要由LED激发光源和光源调制电路组成[9-10]。根据叶绿素a的特性，选取450 nm高亮蓝光LED作为激发光源。采用Maxim公司MAX1916作为LED恒流驱动芯片，该芯片能够提供高达100 mA的驱动电流。

根据锁相放大需求，对LED激发光源进行方波调制。采用微处理器产生频率可调、占空比为50%的PWM信号，控制MAX1916的使能端，即可实现LED激发光源的调制进而诱导产生相同调制特性的荧光。

2.2 探测模块

探测模块主要包括探测器、I/V转换电路以及二级放大电路。为了减小探测部分体积及设计成本，选用PIN光电二极管作为探测器。由于PIN光电二极管输出电流极其微弱，本设计采用OPA380设计了图2所示的高精度I/V转换电路。

图2 I/V转换电路

2.3 锁相放大

锁相放大电路的核心是相敏检测器，其实质即乘法器。本设计采用AD630进行了相敏检测器设计[11-12]。如图3所示，AD630由运算放大器A、运算放大器B、输出积分放大器D和比较器C等组成。输入信号作为运算放大器A和运算放大器B的输入信号，参考方波信号作为比较器C的输入信号，当参考方波信号的幅值大于0时，运算放大器A工作，闭环增益GA=2；当参考方波信号的幅值小于0时，运算放大器B工作，闭环增益GB=-2。由此，相当于实现了输入信号与参考信号的相乘。

采用OP07组成的低通滤波器对AD630的输出信号低通滤波后，得到与荧光强度成正比的直流电压信号。如图4所示为锁相放大过程的信号波形图，由上至下依次为：方波参考信号，荧光信号，AD630输出信号以及低通滤波器输出信号。

图3 AD630原理框图

图4 锁相放大信号波形图

3 实验验证

选择我国湖库蓝藻水华污染的主要藻类鱼腥藻为实验对象。应用分光光度法，在0～100 μg/L浓度范围内配制10个等间隔浓度梯度藻类样品[13]，并采用设计的测量系统进行测量。如图5所示，测量结果与实际叶绿素a浓度的相关系数为0.99815，具有良好的相关性，且系统在整个测量范围内，具有良好的线性。

图5 测量结果与实际值相关性分析

4 结论

本文采用锁相放大技术，设计了叶绿素浓度测量系统，克服了环境光的影响，实现了微弱荧光信号的提取，完成了叶绿素a的测量，测量值与实际值之间相关系数达到0.99815，具有良好的相关性。可在信号通道中加入中心频率为调制频率的窄带带通滤波器，进一步提高锁相放大电路的干扰抑制能力。该测量系统能够以原位在线或巡航的方式实现水体叶绿素测量，对于水体环境监测具有重要应用价值。

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Measurement of chlorophyll in water using lock-in amplifier

GAO Xian-he， SHI Chao-yi

(Anhui Collaborative Innovation Center for Modern Electronic Control and Detection Technology, Hefei University， Hefei 230001, China)

Accurate measurement of algae concentration is important for prevention and treatment of algal bloom, which may seriously affect the fishery production and residents' health and safety.Measurement of chlorophyll a concentration using chlorophyll fluorescence is an effective means to reflect the algae concentration. The fluorescence is very weak and is susceptible to ambient light, so a lock-in amplifier was employed to measure the fluorescence. LED was used as excitation light source, PIN detector was employed for fluorescence detection, and a lock-in amplifier was designed based on AD630. Anabaena of 10 concentration gradients between 0-100 μg/L was used for system testing, and the measurement results showed that the correlation coefficient of the measured value and the actual concentration of chlorophyll a is 0.99815.

algae; chlorophyll a fluorescence; lock-in amplifier

2017-03-05；

2017-03-10

安徽高校自然科学研究项目(KJ2016A594)；安徽省自然科学基金(1708085QD87)

高先和，副教授，从事信号检测与技术研究，E-mail: gaoxh@hfuu.edu.cn

石朝毅，博士，讲师，研究方向为测量技术，E-mail: cyshi@hfuu.eud.cn

Q948.15；X835

A

2095-1736(2017)02-0033-03

doi∶10.3969/j.issn.2095-1736.2017.02.033