一种基于光谱指数模型的多波长激光诱导荧光系统技术方案

本发明专利技术属于海洋生物模型领域，尤其涉及一种基于光谱指数模型的多波长激光诱导荧光系统。一种多波长LIF系统，该系统包括多波长激光发射装置（1）、y型荧光探针装置（2）、样品存储装置（4）和荧光接收装置（9）；所述y型荧光探针装置（2）包括双向长通滤波器（3）、发射光路（7）和接收光路（8）；其中，所述多波长激光发射装置（1）的出口连接有发射光路（7），所述发射光路（7）的末端连接有样品存储装置（4），所述样品存储装置（4）的出口连接有接收光路（8），所述双向长通滤波器（3）设置于接收光路（8）上，所述接收光路（8）的末端连接有荧光接收装置（9）。本发明专利技术的系统有利于利用高分辨率光谱特征指数来描述光谱的形状特征，并应用机器学习算法对不同的浮游植物种类进行分类，极大提高了分析浮游植物种类的能力。植物种类的能力。植物种类的能力。

【技术实现步骤摘要】
一种基于光谱指数模型的多波长激光诱导荧光系统


[0001]本专利技术属于海洋生物模型领域，尤其涉及一种基于光谱指数模型的多波长激光诱导荧光系统。

技术介绍

[0004]激光诱导荧光(Laser
‑
induced fluorescence, LIF)是一种很有前途的方法，它利用浮游植物独特的荧光特性，提供物种特有的光谱特征。LIF由于其快速、无损的特性以及对不同浮游植物独特荧光特性的敏感性，已成为一种很有前途的浮游植物分类技术。现有的LIF系统已被用于对各种浮游植物物种进行分类，包括硅藻、甲藻和蓝藻。例如，利用LIF系统根据浮游植物的荧光光谱来区分硅藻、甲藻、颗石藻和绿藻四种不同的浮游植物群。高光谱成像系统根据蓝藻的色素组成来识别不同种类的蓝藻。基于流式细胞技术的系统已被用于识别和量化环境样本中的浮游植物种类。

技术实现思路

[0005]因此为了同时能够同时测量浮游植物在多个波长的荧光光谱，本专利技术设计并开发出了一种多波长的LIF硬件仪器，利用405 nm、486 nm和532 nm激光测量目标藻类的荧光光谱。
[0006]本专利技术还提供了一种基于多波长的LIF系统的浮游植物分类方法，并应用机器学习算法对不同的浮游植物种类进行分类，极大提高了分析浮游植物种类的能力。
[0007]本专利技术的目的通过如下的技术方案来实现：一种多波长LIF系统，该系统包括多波长激光发射装置（1）、y型荧光探针装置（2）、样品存储装置（4）和荧光接收装置（9）；所述y型荧光探针装置（2）包括双向长通滤波器（3）、发射光路（7）和接收光路（8）；其中，所述多波长激光发射装置（1）的出口连接有发射光路（7），所述发射光路（7）的末端连接有样品存储装置（4），所述样品存储装置（4）的出口连接有接收光路（8），所述双向长通滤波器（3）设置于接收光路（8）上，所述接收光路（8）的末端连接有荧光接收装置（9）。
[0008]作为优选，所述多波长激光发射装置（1）输出的激光波长为405nm、486nm和532nm中的一种或多种。
[0009]作为优选，所述样品存储装置（4）由一个大小为15
×
15
×
45mm3的高透射率石英试管组成。
[0010]作为优选，所述荧光接收装置（9）包括激光荧光光谱仪（5）和信号处理设备（6）。
[0011]作为优选，所述激光荧光光谱仪（5）的光谱分辨率为2nm，光谱范围为300nm ~ 900nm。
[0012]进一步地，本专利技术提供了一种基于多波长LIF系统的浮游植物分类的方法，该方法包括以下步骤：1）采集浮游植物样本；
2）对浮游植物样本进行分离纯化，并实时监测浮游植物的生长状态；3）利用所述的系统，选取指数生长阶段的浮游植物进行光谱数据采集；4）确定不同波长下浮游植物的光谱特征点，分别以Xc1和Xc2表示两个峰的横坐标，S1、S2和S3表示峰谷之间的面积差；5）采用所述的光谱特征点可以组成浮游植物的光谱表征指数，再与已有浮游植物光谱数据库进行比对，从而确定浮游植物的种类。
[0013]作为优选，所述步骤1）的具体步骤为：水样使用Niskin瓶在三个深度收集：表面、叶绿素最大值和底部以上10米；样品立即通过200 μm网格过滤，以去除大型浮游动物，并储存在4℃的深色小瓶中。
[0014]作为优选，所述步骤2）中使用毛细管微移液管技术分离和纯化目标浮游植物。
[0015]作为优选，所述步骤5）中与浮游植物光谱数据库进行比对的具体过程包括：1）随机选择待分类的浮游植物样本的在不同波段下的荧光光谱表征指数，作为的初始种群的均值向量；2）利用聚类中的距离原理将样本数据集划分离它距离最近的种群；3）根据每个样本所属的种群，更新种群的均值向量；4）重复2）3）步，当达到设置的迭代次数或种群的均值向量不再改变时，模型构建完成，输出聚类算法结果。
[0016]进一步地，本专利技术提供了所述的系统和所述的方法在浮游植物监测和分类中的应用。
[0017]本专利技术的有益效果是：该系统有利于利用高分辨率光谱特征指数来描述光谱的形状特征。通过在405nm、486 nm和532 nm波长下采集藻类的荧光光谱，根据光谱数据进行了分析，并应用机器学习算法对不同的浮游植物种类进行分类，极大提高了分浮游植物种类的能力。同时，多波长激光诱导荧光系统还具有监测浮游植物生长状况的潜力，在有害藻华预警监测系统中发挥作用。
附图说明
[0018]图1：多波长激光诱导荧光系统实体图；图2：多波长激光诱导荧光系统光学框架图；图3：光学显微镜下六种目标藻类的图像；图4
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图6：六种浮游植物三种波长荧光光谱x轴上的特征点（图4、图5、图6分别为405 nm、486 nm、532 nm外引下的光谱特征识别结果）；图7
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图8：实验室采集的六种浮游植物的光谱信号，图7为六种浮游植物在实验室培养下的生长浓度（红色矩形突出显示了用于荧光光谱收集的藻类的生长状态，它们都处于指数生长期，具有良好的活性），图8为六种浮游植物在指数生长期的多波长荧光光谱）；图9：三种波长激光激发下六种浮游植物的分类结果。
具体实施方式
[0019]下面根据附图和优选实施例详细描述本专利技术，本专利技术的目的和效果将变得更加明
白，以下结合附图和实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。
[0020]本专利技术的具体实施方案为：步骤1：浮游植物的分离和纯化水样使用Niskin瓶在三个深度收集:表面、叶绿素最大值和底部以上10米。样品立即通过200 μ m网格过滤，以去除大型浮游动物，并储存在4
°
C的深色小瓶中，直到进一步处理。收集到的样品被运送到实验室，在实验室中使用毛细管微移液管技术分离和纯化目标藻类物种。在显微镜下，单个目标藻类细胞被识别，并小心地使用毛细管吸入。这种方法允许分离所需的浮游植物物种，同时避免碎片、碎屑和其他非目标生物的污染。
[0021]步骤2：实时监测生长状况和选择分离纯化后，分离出的浮游植物物种在受控的实验室条件下进行培养。所有物种在形态和分子上都得到了鉴定（如图3）。采用光密度测量、细胞计数和显微镜检查相结合的方法实时监测浮游植物的生长状况。这些方法可以评估细胞密度、生长速率和形态特征，为确定光谱测量的最佳采样时间提供必要信息。为保证光谱测量的可靠性和准确性，仅选择指数生长期的藻类物种进行进一步分析。这一阶段的特点是快速的细胞分裂和高代谢活性，这导致一致和代表性的荧光信号。根据切片所述的实时监测方法，当浮游植物的倍增时间恒定、细胞密度高、形态特征稳定时，认为浮游植物处于指数生长期。
[0022]步骤3：稳定性测试和荧光光谱采集在收集荧光光谱的过程中，为了保证稳定的激光功率输出，在三个波段都对激光预热15分钟。控制室温度维持在22℃，以消除环境温度对荧光激发的影响。将对应的荧光探针置于移动样本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种多波长LIF系统，其特征在于，该系统包括多波长激光发射装置（1）、y型荧光探针装置（2）、样品存储装置（4）和荧光接收装置（9）；所述y型荧光探针装置（2）包括双向长通滤波器（3）、发射光路（7）和接收光路（8）；其中，所述多波长激光发射装置（1）的出口连接有发射光路（7），所述发射光路（7）的末端连接有样品存储装置（4），所述样品存储装置（4）的出口连接有接收光路（8），所述双向长通滤波器（3）设置于接收光路（8）上，所述接收光路（8）的末端连接有荧光接收装置（9）。2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述多波长激光发射装置（1）输出的激光波长为405nm、486nm和532nm中的一种或多种。3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述样品存储装置（4）由一个大小为15
×
15
×
45mm3的高透射率石英试管组成。4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述荧光接收装置（9）包括激光荧光光谱仪（5）和信号处理设备（6）。5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述激光荧光光谱仪（5）的光谱分辨率为2nm，光谱范围为300nm ~ 900nm。6.一种基于多波长LIF系统的浮游植物分类的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：1）采集浮游植物样本；2）对浮游植物样本进行分离纯化，并实时监测浮游植物的生长状态；3）利用权利要求1
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【专利技术属性】
技术研发人员：刘昕寅，张龙威，张贤良，钟璇，谭波，裴红红，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：