叶绿素a荧光检测系统的设计与研制

唐卫群

摘 要： 采用荧光检测技术，用一定波长的光激发叶绿素a发生荧光，根据检测荧光强度实现对叶绿素a浓度的测定。检测仪无需取样，可直接投入环境水体中直接检测，具有灵敏度高、准确性好、功耗低和绿色环保等优点，具有一定的研究和推广应用价值。

关键词： 叶绿素a； 荧光检测； 激发光； 叶绿素浓度

中图分类号： O 657 文献标志码： A 文章编号： 1671-2153（2017）01-0098-03

0 引 言

治理水体污染，首先要解决的是对水体的富营养化程度[1]进行实时、有效、准确的监测，水体中叶绿素a的质量浓度，是衡量水质营养状况的一个重要指标，在水质检测中，根据通过检测到叶绿素a的质量浓度，分析得到水体中浮游植物的存活时间、蕴藏量、空间分布和变化规律。本文提出的叶绿素a检测系统属荧光检测法，但它不需要采集水样、不需要试剂，使用时直接把检测仪投入到待测水体中，就可以得到检测结果，具有检测速度高、灵敏度高、实时性高等显著优点，可以被广泛应用于水体富营养化的现场检测。

1 检测系统的设计

物质对不同波长的入射光具有不同的激发效率[3]，荧光光谱分析就是绘制出某一物质溶液的荧光激发光谱和发射光谱，不同分子结构的物质所产生的激发光谱和发射光谱也各不相同，就如同人类手指的指纹一样为独有的存在，因此，可以通过把待测物质溶液的两种光谱和已知物质溶液的两种光谱进行比对，对物质的成份和含量进行定性分析和定量计算。

本文提出的叶绿素a荧光检测系统的结构如图1所示。图1中，整个系统可以分成光路和硬件两个部分。

检测系统的工作原理：由微控制器（单片机）產生的调制信号，控制驱动模块产生中心波长为430 nm的激发光；当此激发光照射到盛有叶绿素a试样溶液的器皿时，会产生峰值波长为680 nm的荧光信号；经光电转换器接收并转换为对应的电信号后，再经过放大、滤波、AD转换后得到相应的直流电压信号；最后，由微控制器（单片机）对信号存储、 由RS232通信口传送给上位机（PC机）显示或者进一步分析处理。

1.1 光路部分

光路部分的结构如图2所示。

光路部分的功能：在驱动信号的作用下，由LED光源产生激发光，通过滤光片得到特定波长（如430 nm）的光，此单色光照射到待测水体上，水体浮游植物中的叶绿素a就会受激发而发出各种波长的混合荧光，再经过滤光片得到特定波长（如680 nm）的荧光，然后再经过透镜的汇聚照射到光电转换器的接收面上。

1.2 硬件电路部分

硬件电路包括电源、LED驱动电路、光电检测器、I/V转换器、放大器、滤波电路、检波电路、AD转换电路、信号传输电路以及控制电路等多个部分。

1.2.1 电源

电源负责提供5.0 V的电压给模拟信号处理电路和LED驱动电路，同时提供3.3 V的电压给数字信号处理电路。为了满足能够在水下长时间工作的要求，本系统选用了可充电聚合物锂电池。

1.2.2 LED驱动电路

本文检测系统的光源采用LED光源，发光波长范围取425～430 nm间，正向激励电流100 mA，同时对驱动电路还要求其具备响应快、效率高、能耗低、绿色环保等优点，驱动电路采用MA1916芯片[4]实现，其亮度稳定并且效率高。

驱动电路的作用主要体现在两个方面，其一是要保证光源的稳定，只有在稳定的光源下才能够得到稳定的荧光光谱；其二是要实现对激发光源的调制，从而在较强的可见光的干扰下能够检测到微弱的荧光信号。

1.2.3 光电检测器、I/V转换电路

本检测系统中光电检测器的灵敏度足够高，整个系统的检测精度在很大程度上取决于光电检测器的性能，系统采用了具有灵敏度高、响应速度快、线性好的S1336光电二极管，以适应较弱的荧光信号，经光电二极管转换得到的电流信号再经过I/V转换电路，得到相对应的电压信号后，送到后续处理电路。

1.2.4 放大滤波电路

采用LTC6240芯片实现放大滤波，同相放大器的电压放大倍数约达50倍，信号在滤除了高频和低频成分后，得到了较为平滑的信号。

1.2.5 检波电路

检波电路的作用是把交流信号转换为直流信号，再由AD转换器转换成对应的数字信号，然后再进行采集。

1.2.6 AD转换电路

检波得到的模拟信号，需要经过AD转换器转换成数字信号，方能送到微处理器中进行处理。本系统采用的是ADS1100芯片，具有16位分辨率、全差分输入、带自校准等功能[5]，并且该芯片内的可编程增益放大器可提供最大增益达8，可以采样到极微弱的信号，该芯片在一次转换结束后，会自动关闭自身电源，从而减少系统在空闲周期内的消耗。

1.2.7 控制电路

系统的控制电路采用MSP430F149单片机为核心，该芯片具有功耗低、总线丰富、运算性能优越等突出优点。单片机通过SPI总线把数字信号传输到存储器中暂存，信号处理结束后再通过RS232串行接口把数据上传到上位机（PC机），作显示或进一步分析。此外，控制电路还负责产生2KHZ的驱动信号，以供各部分电路的电源控制。

2 系统测试

本文检测系统通过以下实验来分析和验证叶绿素a的质量浓度与荧光检测系统的输出电压值之间的关系。具体做法：配置已知质量浓度的叶绿素a系列标准原液，并用检测系统进行测定，记录在不同质量浓度的溶液下，所对应的检波电路输出端的电压值，检测结果如图3所示。由图3可以看出，荧光强度对应的电压值与叶绿素a溶液的质量浓度基本呈现负指数关系；再对实验得到的数据进行线性拟合，发现待测原液质量浓度越低、曲线的线性度越好，也就是说在叶绿素a溶液的质量浓度较低时，叶绿素a质量浓度与其荧光强度对应的电压值呈线性关系。为验证结论，再取叶绿素a溶液的质量浓度在1.190 mg/L以下的数据进行再次拟合，其数据如表1所示，拟合结果如图3所示。

对实验得到的标准曲线进行线性分析可知，其线性相关系数R=0.99382，说明叶绿素a的稀溶液的荧光强度满足线性关系，本文提出的检测系统达到最初的设计要求。另外，根据检测数据，同时得到检测系统的输出电压与叶绿素a质量浓度的回归方程为

y=1.4019x+0.02005。

根据此方程，可以对系统进行标定，在检测未知浓度的叶绿素a溶液时，可以把检测系统输出的电压值代入上式，就可以计算得到其质量浓度。不过，要注意的是，当测量水域改变，则需要重新标定再检测，以确保检测结果的可靠准确。

3 结束语

由于荧光信号很微弱，在檢测时容易受到元器件引脚、可见光等因素的干扰，所以在本系统的设计中，硬件电路的电子元件都选用贴片封装，以减少元件引脚带来的干扰，并且也能降低成本；采用调制信号驱动来产生激发光，以有效减少可见光和光电器件的低频噪声的影响。通过原理分析以及实验验证，本文提出的荧光检测系统完全符合设计要求，可以准确且快速地检测出叶绿素a稀溶液的质量浓度，并且还具有灵敏度高、实时性好、无需试剂、使用方便、环保低功耗等显著优点。

本文提出的荧光检测系统，适用于河流、湖泊等水体中的浮游植物叶绿素a的实时在线检测，具有较高的推广应用价值。

参考文献：

[1] 魏红艳. 叶绿素荧光检测技术及仪器的研制[D]. 天津大学，2009.

[2] 杨益民. 叶绿素a荧光检测仪的设计与开发[D]. 浙江大学，2011.

[3] 武会江. 叶绿素荧光检测系统的设计与实现[J]. 电子测量技术，2014（7）：121-124.

[4] 尚云. 叶绿素荧光检测电路设计[J]. 测控技术，2015（3）：9-12.

[5] 赵友全. 叶绿素荧光检测技术及仪器的研究[J]. 仪器仪表学报，2010（6）：1342-1344.

Abstract： Based on the fluorescence detection technology， using a certain wavelengths of light excites chlorophyll a for fluorescence， detects for the concentrations of chlorophyll a according to the intensity of fluorescence. Detector neednt sampling， can be directly used in water， and has lots of advantages， such as high sensitivity， good accuracy， low power consumption， going green and environmental protection and so on. So it is of value in both theoretical research and actual practice.

Keywords： chlorophyll a； fluorescence detection； excitation light； chlorophyll concentration

（责任编辑：徐兴华）