基于叶绿素荧光的浮游植物初级生产力的测量装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种基于叶绿素荧光的浮游植物初级生产力的测量装置及方法，在遮光条件下，通过仿真光源持续60s以上照射藻类样品，利用藻类对光照历史依赖性，在仿真光照50ms短暂关闭间隙测量光照条件下单周期和弛豫荧光动力学曲线，获得光适应条件下荧光动力学参数，以激光二极管阵列为诱导激发光源、以光电倍增管为荧光探测器，用于测量藻类叶绿素荧光动力学曲线；利用冠形光学收集器、多波段光探测器阵列，设计水下光合有效辐射测量单元，测量与藻类吸收特征对应的自然环境光谱。本发明专利技术结构紧凑、体积小、功耗低，能够实现浮游植物初级生产力快速原位测量，为赤潮和水华灾害监测预警、海洋初级生力调查评估提供一种新手段。

【技术实现步骤摘要】
基于叶绿素荧光的浮游植物初级生产力的测量装置及方法
本专利技术涉及资源与环境领域、海洋
，尤其涉及一种基于叶绿素荧光的浮游植物初级生产力的测量装置及方法。
技术介绍
浮游植物是水体中以浮游方式生活的微小植物体的统称，生物量虽不到全球总植物生物量的1％，但其初级生产力约占全球总初级生产力的40％以上，是生态系统物质循环和能量流动的基础环节，对维持全球生态系统的正常运转起着关键作用。浮游植物初级生产与浮游植物自身生长的关系、与次级生产和微食物环的关系、以及它在全球碳循环过程中的地位等，是目前GLOBEC、LOICS、JGOFS等重大全球研究计划的核心课题。而快速、准确获取海洋初级生产力状况信息是上述研究工作的基础，也是全球海洋观测计划(GOOS、Argo)以及我国“透明海洋”科学计划的重要任务。浮游植物初级生产力传统气体交换测量方法，通过测量光合放氧速率或光合固碳速率衡量浮游植物初级生产力，仍以现场采样、温育培养、实验室分析为主，包括黑白瓶法、同位素示踪法、液相氧电极法等，需要复杂的前处理、昂贵分析仪器，操作复杂费时、易引起二次污染，其时效性无法浮游植物初级生产力快速监测需求。与之相比，叶绿素荧光法提供了一种浮游植物初级生产力快速、实时分析手段，该方法以光合反应中心产生的叶绿素荧光为探针，直接测量光合反应中心对光能的吸收、利用效率，衡量浮游植物初级生产力，具有测量快速灵敏、无需样品预处理、无污染和无破坏性等特点，是快速无损伤探测浮游植物初级生产力的先进工具。CN201610528083.0公开了一种基于叶绿素荧光动力学的浮游植物初级生产力检测方法，在此基础上，覃志松、殷高方等人发表了“基于光脉冲诱导快相与弛豫荧光的光合作用参数测量技术”。但该技术方法与技术无法在自然环境光照条件下测量浮游植物荧光动力学曲线，获得用于计算初级生产力的核心荧光动力学参数，导致初级生产力荧光动力学测量方法仍停留在实验室样品分析阶段，截止目前尚缺乏能够用于实际水体浮游植物初级生力测量的装置。
技术实现思路
本专利技术目的就是为了弥补已有技术的缺陷，提供一种基于叶绿素荧光的浮游植物初级生产力的测量装置及方法。本专利技术是通过以下技术方案实现的：一种基于叶绿素荧光的浮游植物初级生产力的测量方法，具体步骤如下：(1)测量实际自然光中浮游植物特征吸收波段的光谱强度，采用对应波段可控光源仿真自然环境光照，在遮光条件下，首先测量单周转ST荧光动力学曲线，解析获得暗适应条件下荧光动力学参数即本底荧光F0和功能吸收截面σ0；(2)再通过仿真光源持续60s以上照射浮游植物样品，利用浮游植物对光照历史依赖性，在仿真光照50ms的关闭间隙测量多周转MT和弛豫RE荧光动力学曲线，获得光适应条件下荧光动力学参数即功能吸收截面σ、光化学淬灭qp、电子传递效率φe、光化学量子效率Δφm、QA平均还原时间τQA，根据公式(1)计算出表征浮游植物初级生力的光合电子传递速率Pe，式中E为自然环境光照强度。一种基于叶绿素荧光的浮游植物初级生产力的测量装置，包括有叶绿素荧光动力学测量单元、水下光合有效辐射测量单元、遮光样品室、主控制模块和装置主体，在遮光样品室内进行浮游植物样品测量，所述的装置主体为圆柱型筒体，筒体的上端安装有水下光合有效辐射测量单元，下端位于遮光样品室内，叶绿素荧光动力学测量单元和主控制模块安装在筒体内部，所述的叶绿素荧光动力学测量单元包括有光源、光源驱动模块、光源聚焦透镜组、荧光收集透镜组、光电倍增管和荧光检测模块；所述的光源是由诱导激发光源和仿真环境光源两种类型的光源组成，由主控制模块通过光源驱动模块产生激发光，激发光通过光源聚焦透镜组后汇聚成光斑照射到浮游植物样品上，样品发射的后向荧光经过所述的荧光收集透镜组汇聚后，由所述的光电倍增管接收，光电倍增管将光信号转换成电信号后，发送给所述的荧光检测模块，由荧光检测模块得到暗环境下浮游植物样品荧光动力学曲线，发送给所述的主控制模块；所述的水下光合有效辐射测量单元包括有冠形光学收集器、多波段PIN探测器阵列和所述的环境光检测模块，水下光合有效辐射区内环境光被冠形光学收集器收集后，经过多波段PIN探测器阵列将光信号转换成电信号后，发送给环境光检测模块，环境光检测模块将检测到的水下光合有效辐射区内环境光光强度发送给主控制模块，主控制模块利用仿真环境光源产生与自然环境光照仿的光照条件，利用叶绿素荧光动力学测量单元获得光照条件下的荧光动力学曲线；主控制模块对荧光动力学曲线解析获得暗适应和光适应两种条件下的荧光动力学参数，再将得到的荧光动力学参数带入式(1)中，得到表征浮游植物初级生力的光合电子传递速率Pe。所述的遮光样品室为圆柱形样品室，上端开口，下端外围镂空，下端的内部为漏斗形。所述的光源包括有诱导激发光源和仿真环境光源两组：①诱导激发光源由串联3个470nm激光二极管构成；②仿真环境光源由中心波长分别为420nm、455nm、470nm、550nm、625nm、660nm的6个LED阵列组成。所述的光源聚焦透镜组包括有从上到下依次设置的准直透镜一、转向棱镜和聚焦透镜一。所述的荧光收集透镜组包括有从下到上依次设置的准直透镜二、680nm滤光片和聚焦透镜二。所述的冠形光学收集器为透明球面，内表面采用漫反射涂层，球面立体镜为60°。所述的多波段PIN探测器阵列采用6个可见光增强PIN管，分别配有420nm、455nm、470nm、550nm、625nm、660nm滤光片。所述的主控制模块的型号为Cortex-M4。本专利技术的特点简述如下：1)提出利用仿真环境光照实现光适应条件下荧光动力学参数测量技术，设计水下光合有效辐射测量单元和仿真环境光源，产生与水下自然环境光照相仿且可控的光照条件，在仿真光照间隙测量光照条件下荧光动力学曲线，解决光适应条件下浮游植物荧光动力学参数测量难题。2)以470nm激光二极管阵列为诱导激发光源、以6个藻类特征吸收波段LED阵列为仿真环境光源、以光电倍增管为荧光探测器，设计端窗式叶绿素荧光动力学测量光学结构，结合遮光样品室，实现野外条件下浮游植物荧光动力学曲线原位测量。本专利技术的优点是：(1)针对浮游植物初级生力荧光动力学检测技术的在实际应用中面临无法测量光适应条件下荧光动力学参数的问题，本专利技术提出利用仿真环境光照实现光适应条件下荧光动力学参数测量技术：在遮光条件下，通过仿真光源持续60s以上照射藻类样品，利用藻类对光照历史依赖性，在仿真光照50ms短暂关闭间隙测量光照条件下单周期和弛豫荧光动力学曲线，获得光适应条件下荧光动力学参数，解决光适应条件下浮游植物荧光动力学参数测量难题；(2)针对浮游植物初级生产力原位测量实际需求，设计了浮游植物初级生产力原位测量装置：以激光二极管阵列为诱导激发光源、以光电倍增管为荧光探测器，设计端窗式叶绿素荧光动力学测量光学结构，用于测量藻类叶绿素荧光动力学曲线；利用冠形光学收集器、多波段光探测器阵列，设计水下光合有效辐射测量单元，测量与藻类吸收特征对应的自然环境光谱；根据测得的自然环境光谱，以对应波段LED阵列为仿真环境光源与自然环境光相仿的光照条件，结合配套设计的遮光样品室，在遮光条件下实现暗应用和光适应条件下荧光动力学参数测量，表征浮游植物初级生力的光合本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于叶绿素荧光的浮游植物初级生产力的测量方法，其特征在于：具体步骤如下：(1)测量实际自然光中浮游植物特征吸收波段的光谱强度，采用对应波段可控光源仿真自然环境光照，在遮光条件下，首先测量单周转ST荧光动力学曲线，解析获得暗适应条件下荧光动力学参数即本底荧光F0和功能吸收截面σ0；(2)再通过仿真光源持续60s以上照射浮游植物样品，利用浮游植物对光照历史依赖性，在仿真光照50ms的关闭间隙测量多周转MT和弛豫RE荧光动力学曲线，获得光适应条件下荧光动力学参数即功能吸收截面σ、光化学淬灭qp、电子传递效率φe、光化学量子效率Δφm、QA平均还原时间τQA，根据公式(1)计算出表征浮游植物初级生力的光合电子传递速率Pe，

【技术特征摘要】
1.一种基于叶绿素荧光的浮游植物初级生产力的测量方法，其特征在于：具体步骤如下：(1)测量实际自然光中浮游植物特征吸收波段的光谱强度，采用对应波段可控光源仿真自然环境光照，在遮光条件下，首先测量单周转ST荧光动力学曲线，解析获得暗适应条件下荧光动力学参数即本底荧光F0和功能吸收截面σ0；(2)再通过仿真光源持续60s以上照射浮游植物样品，利用浮游植物对光照历史依赖性，在仿真光照50ms的关闭间隙测量多周转MT和弛豫RE荧光动力学曲线，获得光适应条件下荧光动力学参数即功能吸收截面σ、光化学淬灭qp、电子传递效率φe、光化学量子效率Δφm、QA平均还原时间τQA，根据公式(1)计算出表征浮游植物初级生力的光合电子传递速率Pe，式中E为自然环境光照强度。2.一种基于叶绿素荧光的浮游植物初级生产力的测量装置，其特征在于：包括有叶绿素荧光动力学测量单元、水下光合有效辐射测量单元、遮光样品室、主控制模块和装置主体，在遮光样品室内进行浮游植物样品测量，所述的装置主体为圆柱型筒体，筒体的上端安装有水下光合有效辐射测量单元，下端位于遮光样品室内，叶绿素荧光动力学测量单元和主控制模块安装在筒体内部，所述的叶绿素荧光动力学测量单元包括有光源、光源驱动模块、光源聚焦透镜组、荧光收集透镜组、光电倍增管和荧光检测模块；所述的光源是由诱导激发光源和仿真环境光源两种类型的光源组成，由主控制模块通过光源驱动模块产生激发光，激发光通过光源聚焦透镜组后汇聚成光斑照射到浮游植物样品上，样品发射的后向荧光经过所述的荧光收集透镜组汇聚后，由所述的光电倍增管接收，光电倍增管将光信号转换成电信号后，发送给所述的荧光检测模块，由荧光检测模块得到暗环境下浮游植物样品荧光动力学曲线，发送给所述的主控制模块；所述的水下光合有效辐射测量单元包括有冠形光学收集器、多波段PIN探测器阵列和所述的环境光检测模块，水下光合有效辐射区内环境光被冠形光学收集器收集后，经过多波段PIN探测器阵列将光信号转换...

【专利技术属性】
技术研发人员：殷高方，赵南京，马明俊，王翔，陈敏，甘婷婷，孟德硕，杨瑞芳，方丽，董鸣，刘建国，刘文清，
申请(专利权)人：中国科学院合肥物质科学研究院，
类型：发明
国别省市：安徽,34