本發(fā)明屬于光學(xué)測(cè)試，具體涉及了一種基于光探測(cè)的微藻密度測(cè)量系統(tǒng)及微藻密度測(cè)量和矯正方法。

背景技術(shù)：

1、在微藻養(yǎng)殖領(lǐng)域，為了準(zhǔn)確、快速地檢測(cè)微藻顆粒的含量，目前傳統(tǒng)的檢測(cè)方法有干重法、超聲檢測(cè)法、計(jì)數(shù)法及電極法等。干重法是將一定體積的懸浮液置于高速運(yùn)轉(zhuǎn)的離心機(jī)內(nèi)進(jìn)行固液離心分離，分離出來(lái)的沉淀在經(jīng)過(guò)幾次洗滌后，再次進(jìn)行離心，然后將離心之后的顆粒在高溫下進(jìn)行干燥處理，接著將干燥之后的顆粒放入一個(gè)恒重且干燥的稱量瓶中，稱取分離顆粒的質(zhì)量，最后再計(jì)算顆粒的含量。計(jì)數(shù)法常用在檢測(cè)細(xì)胞的數(shù)目中，利用細(xì)胞計(jì)數(shù)器，或用亞甲基藍(lán)進(jìn)行染色，此方法需要用顯微鏡進(jìn)行觀察計(jì)數(shù)，并且需要多次稀釋樣品，這可能導(dǎo)致較大的誤差。超聲波法檢測(cè)濃度的工作原理是當(dāng)超聲波穿過(guò)懸浮液時(shí)，由于顆粒對(duì)聲波產(chǎn)生吸收作用，超聲波能量衰減，幅度減小，超聲波入射前后的聲強(qiáng)、聲速或聲阻將產(chǎn)生變化，而濃度大小與超聲波的改變存在某種特定關(guān)系，根據(jù)這個(gè)原理可以測(cè)得懸浮顆粒的密度。但此類儀器易受發(fā)酵液成分變化、汽泡、溫度變化和粘稠度的影響。電極法是一種標(biāo)準(zhǔn)的電化學(xué)檢測(cè)方法，利用電極間電容率的變化來(lái)測(cè)量懸液中顆粒的濃度。但這種方法通常用于檢測(cè)活細(xì)胞的數(shù)量，對(duì)于所有類型的顆粒狀懸浮微藻的檢測(cè)仍存在一定的局限性。

2、隨著光電技術(shù)的迅速發(fā)展，光電法在檢測(cè)懸浮液濃度中的應(yīng)用變得越來(lái)越廣泛。在光電技術(shù)的發(fā)展中，性能良好的先進(jìn)光源不斷涌現(xiàn)，如發(fā)光二極管(led)，紅外發(fā)光二級(jí)管、激光和紅外激光等，這些光源工作狀態(tài)穩(wěn)定，壽命長(zhǎng)，在濃度檢測(cè)時(shí)能夠長(zhǎng)時(shí)間提供穩(wěn)定的入射光，從而簡(jiǎn)化了光信號(hào)的檢測(cè)過(guò)程并且大大提高了檢測(cè)的精確度。另外，光檢測(cè)器的量子效率、光放大效果、熱電穩(wěn)定性等性能的提高，也為光電檢測(cè)技術(shù)的準(zhǔn)確性提供了可靠保障。

3、目前，基于光電技術(shù)的微藻密度檢測(cè)技術(shù)包括光度計(jì)檢測(cè)、光纖檢測(cè)等方法。然而，在光學(xué)方法測(cè)量微藻密度的研究中存在幾個(gè)限制：(1)較長(zhǎng)的測(cè)試流程。傳統(tǒng)測(cè)試微藻密度的步驟包括取樣、檢測(cè)、計(jì)算、信息傳輸、信息保存等多個(gè)環(huán)節(jié)，測(cè)試大量樣品時(shí)容易造成數(shù)據(jù)混淆，而且流程復(fù)雜。(2)光源可調(diào)性較低。研究人員經(jīng)常使用商業(yè)發(fā)光二極管，而較少調(diào)節(jié)或校準(zhǔn)用于光學(xué)測(cè)量的光源的照度特性。光源的亮度、波長(zhǎng)、光功率、發(fā)射角度、發(fā)光顏色等因素沒(méi)有得到充分考慮。(3)影響因素的研究不足。對(duì)影響微藻密度測(cè)量準(zhǔn)確性的因素的深入研究較少，對(duì)提高測(cè)量精度的分析也不充分。(4)光學(xué)性能差異的忽略。不同微藻種類之間的光學(xué)性能差異容易被忽視，因此，現(xiàn)有的評(píng)估方法未必能夠適用于各種測(cè)試環(huán)境。(5)培養(yǎng)密度范圍有限。許多的研究未覆蓋微藻的常用培養(yǎng)密度的范圍；相反，它們更可能集中在微藻常用培養(yǎng)密度的其中一個(gè)范圍內(nèi)，缺乏代表性。因此，微藻密度測(cè)量的許多方面還沒(méi)有得到充分研究，例如不同光波長(zhǎng)對(duì)特定微藻種類光學(xué)測(cè)量結(jié)果的影響。綜上，開發(fā)一種靈活、可靠的微藻密度測(cè)試方法，對(duì)于大規(guī)模微藻培養(yǎng)、實(shí)時(shí)測(cè)量和監(jiān)測(cè)具有重要作用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明提供一種基于光探測(cè)的微藻密度測(cè)量系統(tǒng)及微藻密度測(cè)量和矯正方法，能夠解決現(xiàn)有技術(shù)中微藻密度測(cè)量方法中未考慮光源可調(diào)性、測(cè)試準(zhǔn)確度的問(wèn)題，該方法通過(guò)光電探測(cè)器檢測(cè)透過(guò)微藻溶液的光功率變化，并利用光電探測(cè)器產(chǎn)生的光電流來(lái)實(shí)時(shí)評(píng)估微藻密度的變化，從而簡(jiǎn)化了檢測(cè)流程；另外，本發(fā)明還采用了新提出的校準(zhǔn)方法和校準(zhǔn)公式對(duì)在非標(biāo)準(zhǔn)光源條件下測(cè)試的微藻溶液密度進(jìn)行計(jì)算和矯正，并進(jìn)行計(jì)算準(zhǔn)確度的評(píng)估；本發(fā)明將光電流與與微藻密度建立直接的換算關(guān)系，測(cè)試和計(jì)算簡(jiǎn)單可靠，保證了長(zhǎng)久監(jiān)測(cè)的穩(wěn)定性。

2、為解決上述問(wèn)題，本發(fā)明提供的技術(shù)方案如下：

3、本發(fā)明實(shí)施例提供一種基于光探測(cè)的微藻密度測(cè)量系統(tǒng)，包括升降臺(tái)(7)，升降臺(tái)(7)上設(shè)置有旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)臺(tái)(8)，旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)臺(tái)(8)中間位置設(shè)置有透明的微藻溶液容器(1)，旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)臺(tái)(8)兩側(cè)對(duì)稱設(shè)置有第一支架(6-1)和第二支架(6-2)；第一支架(6-1)上設(shè)置有l(wèi)ed照明裝置，led照明裝置包括led芯片(2)、與led芯片(2)對(duì)接設(shè)置的反光杯(4)和位于反光杯(4)出光面上的光轉(zhuǎn)換材料層(3)；led芯片(2)電性連接有直流電源(9)；第二支架(6-2)上設(shè)置有光電探測(cè)器(5)，光電探測(cè)器(5)電性連接有源表(10)，源表(10)電性連接有信息處理器(11)；

4、其中，微藻溶液容器(1)用于盛放不同密度和不同品種的微藻溶液；led芯片(2)用作光轉(zhuǎn)換材料的激發(fā)光源以及在測(cè)試中調(diào)節(jié)led照明裝置發(fā)光亮度；光轉(zhuǎn)換材料層(3)用于將led芯片的短波長(zhǎng)進(jìn)行光轉(zhuǎn)換，變成不同的、可見(jiàn)光范圍內(nèi)的長(zhǎng)波長(zhǎng)；反光杯(4)用于收集led芯片產(chǎn)生的光線并穿過(guò)光轉(zhuǎn)換材料，激發(fā)光轉(zhuǎn)換材料層(3)發(fā)光；反光杯(4)的邊緣用于固定光轉(zhuǎn)換材料層(3)；光電探測(cè)器(5)用于接收光源發(fā)射的光信號(hào)；升降臺(tái)(7)用于調(diào)整微藻溶液容器(1)在測(cè)試中放置的垂直高度；旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)臺(tái)(8)用于控制微藻溶液容器(1)和led照明裝置相對(duì)于光電探測(cè)器(5)的旋轉(zhuǎn)角度；直流電源(9)用于調(diào)節(jié)led芯片(2)的驅(qū)動(dòng)電壓、驅(qū)動(dòng)電流的參數(shù)；源表(10)用于電性連接光電探測(cè)器(5)，并反饋光電探測(cè)器探測(cè)(5)的實(shí)時(shí)光電流的變化；信息處理器(11)用于獲取源表(10)所得光電流的信息，并進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析與計(jì)算。

5、本發(fā)明一可選實(shí)施例，led芯片(2)為深紫外led、紫外led、藍(lán)光led的短波光源中的任意一種；led芯片(2)的功率根據(jù)測(cè)試的微藻溶液容器(1)的厚度進(jìn)行選擇，若微藻溶液容器(1)的厚度較厚，則可選用較大功率的led芯片發(fā)光，以確保光的穿透性較高；若微藻溶液容器(1)的厚度較薄，則可選用較小功率的led芯片發(fā)光，以確保測(cè)試光功率在測(cè)試量程之內(nèi)。

6、本發(fā)明一可選實(shí)施例，光轉(zhuǎn)換材料層(3)的材料為熒光粉、量子點(diǎn)、鈣鈦礦、有機(jī)染料的光轉(zhuǎn)換材料中的的任意一種。

7、本發(fā)明一可選實(shí)施例，反光杯(4)使用鋁材或者亞克力材質(zhì)。

8、本發(fā)明一可選實(shí)施例，信息處理器(11)采用電腦或平板的操作終端設(shè)備。

9、本發(fā)明實(shí)施例提供一種基于光探測(cè)的微藻密度測(cè)量和矯正方法，采用如上述實(shí)施例的一種基于光探測(cè)的微藻密度測(cè)量系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的，其中，包括以下步驟：

10、步驟1，對(duì)光轉(zhuǎn)換材料、led芯片的各項(xiàng)發(fā)光屬性進(jìn)行表征，對(duì)微藻溶液進(jìn)行生物表征，采用傳統(tǒng)測(cè)試方法測(cè)量微藻溶液中微藻形態(tài)、微藻溶液密度、微藻顏色的參數(shù)；對(duì)光電探測(cè)器在不同波長(zhǎng)下的光響應(yīng)屬性進(jìn)行表征；將測(cè)試所得所有參數(shù)在信息處理器中進(jìn)行存儲(chǔ)，方便后續(xù)調(diào)用；

11、步驟2，采用特定光轉(zhuǎn)換材料和led芯片組成的標(biāo)準(zhǔn)led照明裝置對(duì)微藻溶液進(jìn)行測(cè)試，獲得實(shí)時(shí)變化的光電流，并進(jìn)行分析；

12、步驟3，采用任意光轉(zhuǎn)換材料和led芯片組成的非標(biāo)準(zhǔn)led照明裝置對(duì)微藻溶液進(jìn)行測(cè)試，獲得實(shí)時(shí)變化的光電流，并進(jìn)行分析；

13、步驟4，采用校準(zhǔn)公式對(duì)在步驟3的非標(biāo)準(zhǔn)led照明裝置條件下測(cè)試的微藻溶液密度進(jìn)行計(jì)算和矯正；

14、步驟5，對(duì)計(jì)算所得微藻溶液密度進(jìn)行評(píng)估，獲得在不同測(cè)試條件下的準(zhǔn)確率。

15、本發(fā)明一可選實(shí)施例，步驟2具體包括：選取一種固定的光轉(zhuǎn)換材料以及l(fā)ed芯片，組合產(chǎn)生一個(gè)led照明裝置，并將該led照明裝置規(guī)定為標(biāo)準(zhǔn)led照明裝置；采用該標(biāo)準(zhǔn)led照明裝置對(duì)不同濃度的海洋微藻樣品進(jìn)行測(cè)試，并通過(guò)光電探測(cè)器獲取光電流；對(duì)不同密度的海洋微藻測(cè)試條件下獲得的光電流數(shù)據(jù)進(jìn)行線性回歸分析，并擬合數(shù)據(jù)，以獲得光電流在不同海洋微藻密度條件下的變化趨勢(shì)；分析光電流與海洋微藻密度的變化關(guān)系，得到如下公式：

16、dm＝α·ps(1)；其中，dm為海洋微藻密度，α為比例系數(shù)，ps為光電流的大??；

17、其中，測(cè)試條件包括：通用條件和特定條件；通用條件包括：檢測(cè)系統(tǒng)能正常運(yùn)行并保持穩(wěn)定，確保未知微藻密度的微藻溶液分布均勻；測(cè)試時(shí)保持光源的入射角度不變；特定條件包括：不同波長(zhǎng)的可見(jiàn)光、不同種類的光源、不同藻種、不同光程和檢測(cè)微藻密度分布中的任意一種。

18、本發(fā)明一可選實(shí)施例，步驟3具體包括：非標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試環(huán)節(jié)：由于基于光轉(zhuǎn)換材料的led照明裝置具有靈活調(diào)控的特點(diǎn)，可以通過(guò)更改光轉(zhuǎn)換材料以及l(fā)ed芯片，將標(biāo)準(zhǔn)led照明裝置改為非標(biāo)準(zhǔn)led照明裝置，并進(jìn)行步驟1的測(cè)試。

19、本發(fā)明一可選實(shí)施例，步驟4具體包括：非標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)led照明裝置的特點(diǎn)為光轉(zhuǎn)換材料、led芯片可調(diào)，因此，當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)led照明裝置改為非標(biāo)準(zhǔn)led照明裝置時(shí)，公式(1)中的α、ps的參數(shù)會(huì)產(chǎn)生波動(dòng)，因此，需要通過(guò)密度校正，重新校準(zhǔn)dm與ps之間的關(guān)系；校準(zhǔn)考慮了不同光轉(zhuǎn)換材料的光轉(zhuǎn)換效率、顏色變化對(duì)光電探測(cè)器的光敏性的影響，以及微藻對(duì)不同顏色的吸收；在這種情況下，定義校準(zhǔn)后的光電流為pc，新的光轉(zhuǎn)換材料相對(duì)于舊的光轉(zhuǎn)換材料的光轉(zhuǎn)換效率之比為le，光電探測(cè)器對(duì)新的光轉(zhuǎn)換材料的敏感度與光電探測(cè)器對(duì)舊的光轉(zhuǎn)換材料的敏感度之比為sr，微藻在舊的光轉(zhuǎn)換材料下的光吸收率為as，微藻在舊的光轉(zhuǎn)換材料下的光吸收率為ac；上述因素都是用于校準(zhǔn)光電流pc的，以確保校準(zhǔn)后的光電流pc與原來(lái)的光電流ps一致，與dm保持明顯的相關(guān)性；

20、校準(zhǔn)后的光電流pc可以使用以下校準(zhǔn)公式計(jì)算：

21、pc＝ps·le·sr·(1-ac)/(1-as)?(2)；

22、公式(2)考慮了在替換為非標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)led照明裝置的過(guò)程中對(duì)微藻溶液和光電探測(cè)器產(chǎn)生的所有變化；因此，公式(2)是通用的，不僅可以適用于不同光轉(zhuǎn)換材料的變化，還可以適用于不同led芯片的條件下使用；這種適應(yīng)性得益于le的計(jì)算中已經(jīng)考慮了任何可能由光轉(zhuǎn)換材料或led芯片的變化引起的變化；因此，公式(2)確保系統(tǒng)可以適應(yīng)不同的配置，同時(shí)保持密度測(cè)量的準(zhǔn)確性；

23、校準(zhǔn)后的微藻密度dmc通過(guò)以下公式(3)描述，該公式(3)包含了校準(zhǔn)后的光電流pc，dmc＝α·pc(3)。

24、本發(fā)明一可選實(shí)施例，步驟5具體包括：準(zhǔn)確率計(jì)算和分析環(huán)節(jié)：為了驗(yàn)證在使用非標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)led照明裝置后dm的準(zhǔn)確性，在準(zhǔn)確率評(píng)估步驟5中可以使用以下方程計(jì)算測(cè)試所得準(zhǔn)確率ac，

25、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明實(shí)施例提供一種基于光探測(cè)的微藻密度測(cè)量系統(tǒng)及微藻密度測(cè)量和矯正方法，具有以下有益效果：

26、(1)、本發(fā)明提出了一種基于光信號(hào)的海洋微藻密度的簡(jiǎn)單測(cè)試方法，該方法以光為介質(zhì)，無(wú)接觸、環(huán)保，無(wú)需頻繁取樣的問(wèn)題，僅需通過(guò)移動(dòng)測(cè)試裝置，即可在微藻養(yǎng)殖容器的不同部位監(jiān)測(cè)微藻溶液的密度，避免了因頻繁取樣造成的微藻溶液污染。

27、(2)、本發(fā)明可直接采用廉價(jià)的led照明裝置為光源，以光電探測(cè)器測(cè)試所得的光電流作為監(jiān)測(cè)對(duì)象，具有簡(jiǎn)便、易測(cè)試的優(yōu)點(diǎn)，測(cè)試系統(tǒng)便攜，可廣泛應(yīng)用于多類場(chǎng)合的信號(hào)測(cè)試。

28、(3)、本發(fā)明通過(guò)光轉(zhuǎn)換材料結(jié)合反光杯、led芯片的方法組裝微藻密度測(cè)試所需的光源，在微藻密度測(cè)試中具有靈活的可調(diào)整性，而且可以在任意組裝的led照明裝置中挑選合適的組合進(jìn)行測(cè)試、結(jié)果校正，相較于傳統(tǒng)的單一led照明裝置，本發(fā)明更適用于多種場(chǎng)合的微藻密度研究。

29、(4)、本發(fā)明提出了一種在非標(biāo)準(zhǔn)led照明裝置條件下對(duì)微藻密度測(cè)算結(jié)果的校正方法，該方法可以確保在不同光轉(zhuǎn)換材料和led芯片搭配條件下，測(cè)試的微藻密度仍然保持較高的準(zhǔn)確率。

30、(5)、本發(fā)明提出了一種計(jì)算校正后微藻密度準(zhǔn)確率的方法，通過(guò)準(zhǔn)確率的計(jì)算評(píng)估本發(fā)明的適用性。本發(fā)明具有一定的商業(yè)價(jià)值，無(wú)論從海洋污水檢測(cè)、微藻溶液培養(yǎng)監(jiān)控，還是海洋可見(jiàn)光傳感關(guān)鍵技術(shù)突破等領(lǐng)域，本發(fā)明都能夠支撐其技術(shù)需求。