用于识别鱼毒性藻类的三维荧光标准光谱库的构建和应用制造技术

本发明专利技术公开一种用于识别鱼毒性藻类的三维荧光标准光谱库的构建和应用。通过对鱼毒性藻类在不同生长期和环境因子调控下的溶血活性与变化及叶绿素三维荧光光谱的研究，大样本非鱼毒性藻类的叶绿素三位荧光光谱为对照，筛选三维荧光光谱分析和判别方法，提取与鱼毒性藻类及其溶血活性密切相关的荧光特征谱，通过聚类方法，筛选鱼毒性藻类和非鱼毒性藻类的三维荧光光谱库；并以此为基础，分别建立了识别鱼毒性藻类的Fisher判别函数和判别鱼毒性藻类溶血活性强弱的函数。利用上述判别函数获得的判别结果更加稳定、准确和可靠。通过本发明专利技术的方法实现了对现场赤潮水体的鱼毒性藻类及其溶血活性很高的正确诊断识别作用。

【技术实现步骤摘要】
用于识别鱼毒性藻类的三维荧光标准光谱库的构建和应用
本专利技术涉及一种标准光谱库的构建，特别涉及一种用于识别鱼毒性藻类的三维荧光标准光谱库的构建方法和应用。
技术介绍
随着我国沿海经济和社会快速发展，远洋运输能力不断增强，沿海水域富营养化和外来生物物种急剧增加，有毒、有害赤潮呈不断上升的趋势，给我国近岸水产养殖业的持续稳定发展和海产品食用安全构成巨大威胁。近年来，我国沿海几乎每年都会发生鱼毒性藻类赤潮，给海产养殖造成巨大经济损失，如2012年4～5月间发生在福建和浙江沿海的米氏凯伦藻(Kareniamikimotoi)赤潮，造成养殖的鲍鱼和大黄鱼大量死亡，经济损失高达20多亿元，1997年10月发生在广东饶平柘林湾的球形棕囊藻(Phaeocystisglobosa)赤潮，使该湾养殖的鱼类全部死亡，损失达6千万人民币。鱼毒性赤潮藻类可产生包括醣酯类和超氧化物在内的多种溶血性物质，且有毒藻产生的毒素与藻细胞株系及生长的环境条件密切相关，因此，传统的毒素化学分析、生物测定和藻类形态分类等方法很难快速确定鱼毒性赤潮藻类的毒性及其毒力大小，严重影响赤潮灾害应急管理措施的执行。因此，迫切需要建立一种快速、准确的鱼毒性藻类及其毒力的识别诊断技术，以实现有害赤潮的早期预警和应急监测管理。三维荧光光谱法是近二十年发展起来并趋于成熟的荧光分析技术。该方法具有检测速度快、简单易携、高灵敏度的特点。目前被广泛应用于油种鉴别、水体检测以及中药鉴别等分析领域。中国专利(申请号201210005410.6)和文献(鱼毒性藻类及其溶血活性的三维荧光光谱识别研究.桓清柳等.光谱学与光谱分析,2013,33(2)：399-403；鱼毒性藻类溶血活性的三维荧光特征。桓清柳，江天久.中国海洋湖沼学会藻类学分会第八次会员大会暨第十六次学术讨论会，2011)公开了一种检测藻类溶血毒素活性的方法与应用，该方法介绍了一种利用三维荧光技术检测鱼毒性藻类溶血活性的方法。该方法通过调控鱼毒性藻类米氏凯伦藻(kareniamikimotoi)、海洋卡盾藻(chattonellamarina)及卵圆卡盾藻(chattonellaovata)和20多种非鱼毒性藻培养液中的铁离子浓度，测量这些微藻在该条件下各生长期的溶血毒素与三维荧光光谱，通过Coif2小波分析发现，鱼毒性藻类与非鱼毒性藻类的荧光特征谱差异主要集中在第1～10个数据点(波长λem＝650～680nm)和35～47个数据点(波长λem＝725～750nm；λex＝400～425nm)的荧光强度变化。利用该波段的藻类荧光强度及其对应的溶血活性值进行Fisher判别函数分析，对鱼毒性藻类的正确判别率为91.7％，非鱼毒性藻类的正确判别率高达100％，对具中等溶血活性(≥10HU，20HU)藻类的正确判别率为70％，而对低活性(10HU)和高活性(≥20HU)藻类的正确判别率均达80％以上。此方法开创性地将三维荧光技术应用有鱼毒性藻类识别，但因所建立模型的数据库仅为3种鱼毒性的藻类，营养因子仅选取了铁离子，建立的三维荧光光谱库数据有限，因而该方法仅是一种初步研究结果，对赤潮现场水体中鱼毒性藻类的正确判别率不高(平均约65％)。
技术实现思路
为了克服现有技术的缺点与不足，本专利技术的首要目的在于提供一种用于识别鱼毒性藻类的三维荧光标准光谱库的构建方法。本专利技术的另一目的在于提供通过上述构建方法得到的用于识别鱼毒性藻类的三维荧光标准光谱库的应用。本专利技术的目的通过下述技术方案实现：一种用于识别鱼毒性藻类的三维荧光标准光谱库的构建方法，包括以下步骤：(1)通过荧光分光光度计测定藻细胞样品在不同生长期、不同温度、不同盐度和不同光照强度调控下的三维荧光，激发波长为400～600nm，发射波长为650～750nm，得到藻细胞样品的三维荧光数据；(2)将藻细胞样品的三维荧光数据转换成TXT文件格式，根据Delaunay三角形方法，消除藻类三维荧光光谱的瑞利散射；再将三维荧光光谱最大归一化，然后对其三维荧光光谱进行Coif2小波分析，选取荧光特征谱；(3)在波长λEx＝575～600nm，波长λEm＝650～675nm出现与藻类的溶血活性强弱一致的荧光强度变化，初步判断所检测的藻细胞样品为鱼毒性赤潮藻；若在λEx＝575～600nm，波长λEm＝650～675nm没有出现荧光光谱强度变化，初步判断所检测的藻细胞样品为非鱼毒性赤潮藻；(4)采用系统聚类法对步骤(2)中得到的荧光特征谱进行聚类分析，获得尺度分量标准谱，组成藻类的Coif2小波尺度分量标准谱库，即得到用于识别鱼毒性藻类的三维荧光标准光谱库；(5)将步骤(4)得到的尺度分量标准谱库进行Fisher判别，Fisher判别函数方程为：y1＝-4.75+27.96x1-16.06x2-10.97x3-14.51x4+13.27x5+19.39x6-6.90x7+7.34x8-6.15x9-0.67x10+5.85x11；y2＝-8.75+46.68x1-47.71x2-11.04x3-24.40x4+15.33x5+22.16x6-12.05x7+10.32x8-9.48x9+3.32x10+10.86x11；其中x为自变量值，即步骤(4)获得的尺度分量标准谱的荧光强度；y是鱼毒性藻类或非鱼毒性藻类的分类函数值；当检测样品时，分别计算y1和y2值，比较y1和y2值，若y1>y2，则该藻类为鱼毒性藻类，反之则为非鱼毒性藻类。步骤(1)中所述的不同生长期为对数期、稳定期和衰亡期；步骤(1)中所述的不同温度优选为15～30℃；更优选为15、25和30℃；步骤(1)中所述的不同盐度中的氮磷比优选为(1～128)：1；更优选为1:1、16:1、128:1；步骤(1)中所述的不同光照强度优选为20～100μmolm-2s-1；更优选为20、60和100μmolm-2s-1；步骤(1)中所述的发射波长优选为650～675nm；步骤(2)所述的三维荧光数据首先通过Matlab6.5软件消除瑞利散射、最大归一化以及Coif2小波分析，再利用SPSS13.0进行Fisher判别，最后通过Origin8.0制图，得到荧光特征谱。步骤(4)中所述的尺度分量标准谱库中与溶血活性值对应的标准谱，设定藻类的溶血活性>20Hu为强毒性，>10Hu，≤20Hu为中毒性，<10Hu为弱毒性。以此为基础，利用鱼毒性藻类Ca3-Ex与Ca3-Em联合光谱图中35～47数据点(波长λEx＝575～600nm；λEm＝650～675nm)建立藻类溶血活性低、中和高的Fisher判别函数：Y1＝-63.914+221.28X1-500.26X2+384.15X3-308.08X4-244.55X5+536.80X6-224.65X7+745.07X8-706.21X9+4.20X10+188.60X11；Y2＝-7.17+26.99X1-78.97X2+78.72X3-77.86X4-1.50X5+71.80X6-13.61X7+109.37X8-160.93X9+20.65X10+51.86X11；Y3＝-29.60+269.10X1+28.48X2-366.60X3-42.28X4-本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于识别鱼毒性藻类的三维荧光标准光谱库的构建方法，其特征在于：包括以下步骤：(1)通过荧光分光光度计测定藻细胞样品在不同生长期、不同温度、不同盐度和不同光照强度调控下的三维荧光，激发波长为400～600nm，发射波长为650～750nm，得到藻细胞样品的三维荧光数据；(2)将藻细胞样品的三维荧光数据转换成TXT文件格式，根据Delaunay三角形方法，消除藻类三维荧光光谱的瑞利散射；再将三维荧光光谱最大归一化，然后对其三维荧光光谱进行Coif2小波分析，选取荧光特征谱；(3)在波长λEx＝575～600nm，波长λEm＝650～675nm出现与藻类的溶血活性强弱一致的荧光强度变化，初步判断所检测的藻细胞样品为鱼毒性赤潮藻；若在λEx＝575～600nm，波长λEm＝650～675nm没有出现荧光光谱强度变化，初步判断所检测的藻细胞样品为非鱼毒性赤潮藻；(4)采用系统聚类法对步骤(2)中得到的荧光特征谱进行聚类分析，获得尺度分量标准谱，组成藻类的Coif2小波尺度分量标准谱库，即得到用于识别鱼毒性藻类的三维荧光标准光谱库。

【技术特征摘要】
1.一种用于识别鱼毒性藻类的三维荧光标准光谱库的构建方法，其特征在于：包括以下步骤：(1)通过荧光分光光度计测定藻细胞样品在不同生长期、不同温度、不同盐度和不同光照强度调控下的三维荧光，激发波长为400～600nm，发射波长为650～750nm，得到藻细胞样品的三维荧光数据；(2)将藻细胞样品的三维荧光数据转换成TXT文件格式，根据Delaunay三角形方法，消除藻类三维荧光光谱的瑞利散射；再将三维荧光光谱最大归一化，然后对其三维荧光光谱进行Coif2小波分析，选取荧光特征谱；(3)在波长λEx＝575～600nm，波长λEm＝650～675nm出现与藻类的溶血活性强弱一致的荧光强度变化，初步判断所检测的藻细胞样品为鱼毒性赤潮藻；若在λEx＝575～600nm，波长λEm＝650～675nm没有出现荧光光谱强度变化，初步判断所检测的藻细胞样品为非鱼毒性赤潮藻；(4)采用系统聚类法对步骤(2)中得到的荧光特征谱进行聚类分析，获得尺度分量标准谱，组成藻类的Coif2小波尺度分量标准谱库，即得到用于识别鱼毒性藻类的三维荧光标准光谱库。2.根据权利要求1所述的用于识别鱼毒性藻类的三维荧光标准光谱库的构建方法，其特征在于：还包括如下步骤：(5)将步骤(4)得到的尺度分量标准谱库进行Fisher判别，Fisher判别函数方程为：y1＝-4.75+27.96x1-16.06x2-10.97x3-14.51x4+13.27x5+19.39x6-6.90x7+7.34x8-6.15x9-0.67x10+5.85x11；y2＝-8.75+46.68x1-47.71x2-11.04x3-24.40x4+15.33x5+22.16x6-12.05x7+10.32x8-9.48x9+3.32x10+10.86x11；其中x为自变量值，即步骤(4)获得的尺度分量标准谱的荧光强度；y是鱼毒性藻类或非鱼毒性藻类的分类函数值；当检测样品时，分别计算y1和y2值，比较y1和y2值，若y1>y2，则该藻类为鱼毒性藻类，反之则为非鱼毒性藻类。3.根据权利要求1或2所述的用于识别鱼毒性藻类的三维荧光标准光谱库的构建方法，其特征在于：步骤(4)中所述的尺度分量标准谱库中与溶血活性值对应的标准谱，利用鱼毒性藻类Ca3-Ex与Ca3-Em联合光谱图中35～47数据点建立藻类溶血活性低、中和高的Fisher判别函数：Y1＝-63.914+221.28X1-500.26X2+384.15X3-308.08X4-244.55X5+...

【专利技术属性】
技术研发人员：江天久，恒清柳，朱伟胜，
申请(专利权)人：深圳市朗诚实业有限公司，暨南大学，
类型：发明
国别省市：广东;44