微藻培养基光学常数及微藻光谱衰减系数的联合测量方法技术

一种微藻培养基光学常数及微藻光谱衰减系数的联合测量方法，本发明专利技术涉及培养基光学常数及光谱衰减系数的联合测量方法。本发明专利技术是要解决现有方法测量时不能准确消除玻璃和界面产生的多次反射的影响以及忽略了比色皿玻璃的影响，产生较大偏差的问题而提出的一种微藻培养基光学常数及微藻光谱衰减系数的联合测量方法。该方法是通过步骤一、建立了三层介质光线传输模型；步骤二、选择获得有效透射数据的微藻和培养基比色皿容器；步骤三、计算出培养基的光学常数；步骤四、得到微藻的衰减系数βp等步骤实现的。本发明专利技术应用于培养基光学常数及光谱衰减系数的联合测量方法。

【技术实现步骤摘要】
微藻培养基光学常数及微藻光谱衰减系数的联合测量方法
本专利技术涉及培养基光学常数及光谱衰减系数的联合测量方法，特别涉及微藻培养基光学常数及微藻光谱衰减系数的联合测量方法。
技术介绍
微藻的辐射特性是研究微藻光生物反应效率的基本参数。光谱衰减系数是基本辐射特性之一，一般可借助于光谱仪通过对法向透过率的测量而得到。Berberoglu采用单光程法测量海洋小球藻衰减系数时，把小球藻离心后置入PBS溶液内(在可见光波段吸收较小的溶液)，以置入PBS溶液的比色皿为参照来消除玻璃和界面产生的多次反射的影响，利用Beer-Lambert定律最终得到纯小球藻的衰减系数。小球藻在离心处理后，外在环境的变化对藻细胞测量结果产生的影响无从知晓，而且以内置PBS溶液比色皿为参照并不能准确消除玻璃和界面产生的多次反射的影响，因此这种方法有一定的局限性。Yun和Park采用单光程法(利用Beer-Lambert定律)对普通小球藻(Chlorellavulgaris)混悬液可见光波段的光谱衰减特性进行了研究，发现光衰减特性存在明显的光谱依赖性，但由于小球藻混悬液测量时忽略了比色皿玻璃的影响，所以会产生较大偏差。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了解决现有技术对外在环境的变化对藻细胞测量结果产生的影响无从知晓、不能准确消除玻璃和界面产生的多次反射的影响以及现有技术存在明显的光谱依赖性，忽略了比色皿玻璃的影响，产生较大偏差的问题而提出的微藻培养基光学常数及微藻光谱衰减系数的联合测量方法。上述的专利技术目的是通过以下技术方案实现的：步骤一、根据提高测量精度的要求，考虑玻璃对测量产生多次反射的影响，用光线追踪法建立了三层介质光线传输模型；其中，三层介质光线传输模型中，入射玻璃介质的厚度为L1，入射玻璃介质的复折射率为n1+iκ1；液体介质的厚度为L2；液体介质的复折射率为n2+iκ2；出射玻璃介质的厚度为L3；出射玻璃介质的复折射率为n3+iκ3，n为折射指数，κ为吸收指数；i为复数；步骤二、在测量微藻悬浮液透射比时，选择获得有效透射数据的微藻比色皿容器；测量培养基透射比时，根据培养基的吸收特性选择两个不同光程且满足透射数据测量精度的培养基比色皿容器；步骤三、将培养基装在两个不同光程培养基比色皿容器中，用光谱仪测量获得两个不同的培养基透射比Tλ,EXP和T′λ,EXP，采用三层介质光线传输模型联立两个透射比方程，利用优化算法和设定优化目标函数fλ通过Matlab优化工具箱中的遗传算法计算出培养基的光学常数；步骤四、利用光谱仪测量一个光程的装在微藻比色皿容器中的微藻悬浮液透射比，根据微藻悬浮液透射比和步骤三获得的培养基的光学常数，用单光程法求得微藻悬浮液的衰减系数β；微藻悬浮液的衰减系数β减去培养基的衰减系数αm得到微藻的衰减系数βp；即完成了微藻培养基光学常数及微藻光谱衰减系数的联合测量方法。专利技术效果本专利技术弃用传统的利用Beer-Lambert定律的简化方法，采用分步计算的方式，本专利技术充分考虑多层介质间的多次反射影响，弥补了现存方法中测量微藻衰减系数的计算缺陷，提高了测量精度如图2。图2是传统双光程法(利用Beer-Lambert定律)与本专利技术的方法对比，图中两组结果用同样透射比实验数据获得，但前者忽略玻璃的影响，在此浓度下两组结果差异较大。由于本专利技术充分考虑了玻璃对测量产生的影响，建立三层介质光线传输模型，采用分步计算的方式，即先用双光程法测量培养基的光学常数，然后再用单光程法求得微藻的光谱衰减系数。专利技术中双光程法是测量用两个材质相同、光程不同并盛放同一种液体的比色皿透射比，采用三层介质光线传输模型并联立两个透射比方程，利用优化算法反演迭代求解出待测培养基的光学常数。本项专利技术充分考虑多层介质间的多次反射，有效的消除了玻璃对测量产生的影响。基本思路是通过实验测得微藻悬浮液和培养基的透射信号，然后结合计算模型求解微藻培养基光学常数及微藻光谱衰减系数。弥补了传统的利用Beer-Lambert定律测量微藻衰减系数简化方法的计算缺陷，充分考虑多层介质间的多次反射，消除了玻璃对测量产生的影响，获得精确的结果。本专利技术为研究微藻等粒子群的衰减特性提供一种准确的方法，为微生物及纳米粒子群衰减特性的研究提供一定的参考。附图说明图1是具体实施方式一提出的三层介质光线追踪原理图；图2是具体实施方式一提出的传统方法与联合方法测量结果对比图；图3是实施例提出的联合方法测量蒸馏水光学常数与文献值对比图；图4是实施例提出的联合方法测量培养基的光学常数图；图5是实施例提出的三种不同浓度小球藻混悬液的衰减系数图；图6是实施例提出的三种不同浓度小球藻的衰减系数图；图7是具体实施方式一提出的微藻培养基光学常数及微藻光谱衰减系数的联合测量方法流程图。具体实施方式具体实施方式一：本实施方式的微藻培养基光学常数及微藻光谱衰减系数的联合测量方法，具体是按照以下步骤制备的：步骤一、根据提高测量精度的要求，考虑玻璃对测量产生多次反射的影响，用光线追踪法建立了三层介质光线传输模型；其中，三层介质光线传输模型中根据图1是三层介质光线追踪原理图，假设光源发出的光依次通过入射空气-入射玻璃-液体-出射玻璃-出射空气后到达探测器，图1中I0是透射方向在入射空气中的光强；I1是透射方向在液体中的光强；I2是透射方向在出射空气中的光强；J0是反射方向在光源入射空气中的光强；J1是反射方向在液体的光强；入射玻璃介质的厚度(单位m)为L1，入射玻璃介质的复折射率为n1+iκ1；液体介质的厚度(单位m)为L2；液体介质的复折射率为n2+iκ2；出射玻璃介质的厚度(单位m)为L3；出射玻璃介质的复折射率为n3+iκ3，空气为n0＝1，n为折射指数，κ为吸收指数；i为复数；步骤二、根据微藻悬浮液和培养基的吸收特性，因其在不同波段吸收差异较大，因此依据不同的测量波段选择适合测量微藻悬浮液和培养基光程的比色皿，即在测量微藻悬浮液透射比时，根据微藻悬浮液的吸收特性选择一个合适测量厚度，即选择获得有效透射数据的微藻比色皿容器；测量培养基透射比时，根据培养基的吸收特性选择两个不同测量厚度即两个不同光程且满足透射数据测量精度的培养基比色皿容器；步骤三、将培养基装在两个不同光程培养基比色皿容器中，用光谱仪测量获得两个不同的培养基透射比Tλ,EXP和T′λ,EXP，采用三层介质光线传输模型联立两个透射比方程，利用优化算法和设定优化目标函数fλ通过Matlab优化工具箱中的遗传算法计算出培养基的光学常数；步骤四、利用光谱仪测量一个光程的装在微藻比色皿容器中的微藻悬浮液透射比，根据微藻悬浮液透射比和步骤三获得的培养基的光学常数，用单光程法求得微藻悬浮液的衰减系数β；微藻悬浮液的衰减系数β减去培养基的衰减系数αm得到微藻的衰减系数βp；其中，培养基的衰减系数是双光程法得到的，单光程和双光程只是获取方法不同，数量级相同，适用加减关系如图7；即完成了微藻培养基光学常数及微藻光谱衰减系数的联合测量方法。本实施方式效果：本实施方式弃用传统的利用Beer-Lambert定律的简化方法，采用分步计算的方式，本实施方式充分考虑多层介质间的多次反射影响，弥补了现存方法中测量微藻衰减系数的计算缺陷，提高了测量精度如图2。图2是传统双光程法(利用Bee本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种微藻培养基光学常数及微藻光谱衰减系数的联合测量方法，其特征在于：一种微藻培养基光学常数及微藻光谱衰减系数的联合测量方法具体是按照以下步骤进行的：步骤一、根据提高测量精度的要求，考虑玻璃对测量产生多次反射的影响，用光线追踪法建立了三层介质光线传输模型；其中，三层介质光线传输模型中，入射玻璃介质的厚度为L1，入射玻璃介质的复折射率为n1+iκ1；液体介质的厚度为L2；液体介质的复折射率为n2+iκ2；出射玻璃介质的厚度为L3；出射玻璃介质的复折射率为n3+iκ3，n为折射指数，κ为吸收指数；i为复数；步骤二、在测量微藻悬浮液透射比时，选择获得有效透射数据的微藻比色皿容器；测量培养基透射比时，根据培养基的吸收特性选择两个不同光程且满足透射数据测量精度的培养基比色皿容器；步骤三、将培养基装在两个不同光程培养基比色皿容器中，用光谱仪测量获得两个不同的培养基透射比Tλ,EXP和T′λ,EXP，采用三层介质模型联立两个透射比方程，利用优化算法和设定优化目标函数fλ通过Matlab优化工具箱中的遗传算法计算出培养基的光学常数；步骤四、利用光谱仪测量一个光程的装在微藻比色皿容器中的微藻悬浮液透射比，根据微藻悬浮液透射比和步骤三获得的培养基的光学常数，用单光程法求得微藻悬浮液的衰减系数β；微藻悬浮液的衰减系数β减去培养基的衰减系数αm得到微藻的衰减系数βp；即完成了一种微藻培养基光学常数及微藻光谱衰减系数的联合测量方法。...

【技术特征摘要】
1.微藻培养基光学常数及微藻光谱衰减系数的联合测量方法，其特征在于：微藻培养基光学常数及微藻光谱衰减系数的联合测量方法具体是按照以下步骤进行的：步骤一、根据提高测量精度的要求，考虑玻璃对测量产生多次反射的影响，用光线追踪法建立了三层介质光线传输模型；其中，三层介质光线传输模型中，入射玻璃介质的厚度为L1，入射玻璃介质的复折射率为n1+iκ1；液体介质的厚度为L2；液体介质的复折射率为n2+iκ2；出射玻璃介质的厚度为L3；出射玻璃介质的复折射率为n3+iκ3，n为折射指数，κ为吸收指数；i为复数；步骤二、在测量微藻悬浮液透射比时，选择获得有效透射数据的微藻比色皿容器；测量培养基透射比时，根据培养基的吸收特性选择两个不同光程且满足透射数据测量精度的培养基比色皿容器；步骤三、将培养基装在两个不同光程培养基比色皿容器中，用光谱仪测量获得两个不同的培养基透射比Tλ,EXP和T′λ,EXP，采用三层介质光线传输模型联立两个透射比方程，利用优化算法和设定优化目标函数fλ通过Matlab优化工具箱中的遗传算法计算出培养基的光学常数；步骤四、利用光谱仪测量一个光程的装在微藻比色皿容器中的微藻悬浮液透射比，根据微藻悬浮液透射比和步骤三获得的培养基的光学常数，用单光程法求得微藻悬浮液的衰减系数β；微藻悬浮液的衰减系数β减去培养基的衰减系数αm得到微藻的衰减系数βp；即完成了微藻培养基光学常数及微藻光谱衰减系数的联合测量方法；步骤四中得到微藻的衰减系数βp具体过程为：(1)当光线垂直透过微藻悬浮液时，玻璃与微藻悬浮液的界面上等同于玻璃与培养基溶液的界面，此时微藻悬浮液透射比为Tλ表示为：得到微藻悬浮液的衰减系数β，其中，相邻的两层介质i和j的界面透射率tij，i＝0、1、2、3和4，j＝0、1、2、3和4；0代表入射空气介质，1为入射玻璃介质，2为液体介质，3为出射玻璃，4为出射空气；相邻的两层介质i和j的界面反射率...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵军明，李兴灿，刘林华，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江;23