[发明专利]水体荧光物质测量装置

说明书

技术领域

本专利涉及了一种用于水体荧光物质测量的装置。 

技术背景

我国大陆海岸线长度为1.8万公里，岛屿海岸线1.4万公里，有300万平方公里的可管辖海洋国土，同时还有长江黄河两大河，水利资源总量居世界前列，但人均资源量远低于世界平均水平，在这一点上我国是水资源匮乏国。为了合理利用水利资源，需要对水质进行检测，如含氧量、盐分、叶绿素、污染物等。通常有很多的方法来进行水质检测，有化学方法、物理方法、生物方法等。其中光谱法应用比较广泛。光谱测量简单快速，非接触式测量，测量结果直接数字化存储、传输。光谱仪可以放在飞行器或者卫星上，可对大面积水域进行快速测量、长期监测。 

用于环境测量的光谱仪有很多种，例如成像光谱仪、荧光光谱仪等。这里主要讲荧光光谱仪。不同物质具有不同的能级结构，当被适合波长的光激发后会跃迁到高能级上，一般高能级是不稳定的，会往基态跃迁，同时发出荧光。不同物质的能级结构不同，所发出的荧光的光谱也不同，所以可以通过测量荧光光谱来确定物质的成分和含量。 

利用荧光原理可以测量水中某种物质含量，通常是这样做的，用一个可以有效激发该物质荧光的光源照射该物质，在垂直方向上用一个会聚透镜收集荧光，并用滤光片滤掉激发光，用传感器测量出荧光的强弱，再通过计算机数据处理得到该物质在水中的浓度。 

发明内容

本专利用于水中荧光物质的测量。装置中有一个与外部连通的腔，水在这里面可以任意流通，这样可以测量实时水质的情况，并且外界的光不能进入腔内。在腔的一侧是透明板6，的主要作用是把水和装置内部的光学系统隔开，同时激发光和荧光可以通过。 

隔板的另一侧是光学系统，有一个LED灯1作为激发光源，根据所测量物质的需要选取适合的波长的光作为激发光。LED发出的光照射在一个倾斜45°放置的长波通过干涉滤光片2上，滤光片的截止波长大于激发光的波长，所以激发光会被完全反射到透明板6上，照射到水里面去，在透明板6和滤光片2之间有一个会聚透镜3，它把LED发出的光会聚到水里面，水在激发光的照射下，水里面的杂质受激发产生荧光，一部分荧光透过透明板回到透镜，会聚之后照射到滤光片2上，长波通过滤光片2的截止波长小于荧光的波长，所以荧光可以完全透过滤波片并照射到光电二极管5上，产生的光电流输入到数据采集卡，数字化后输入计算机处理。 

该装置中使用的滤波片为干涉型滤波片，它对截止波长以下的光完全反射，对波长大于截止波长的光完全透过，它的透射曲线如图2和图3。其中图2为激发光垂直于滤光片入射时的透射曲线，截止波长在600nm左右，图3为激发光倾斜入射时的透射曲线，截止波长会蓝移，大概为580nm左右，带边的倾斜程度与垂直入射时相比稍微平缓一些。如探测水中的叶绿素a，LED发出470nm的激发光，由于处于滤光片的截止区域，470nm的入射光将被反射到样品上。样品吸收了470nm的激发光后发射出680nm的荧光，荧光处于滤光片的透射带，几乎可以无损的透过滤光片被探测器接收，所以光电二极管5接收到的荧光会 比较强，提高了信噪比。 

附图说明

图1为本装置的结构示意图，其中1为激发光LED灯，2为长波通过干涉滤光片，3为会聚透镜，4为待测水体，5为光电二极管，6为透明板，7为控制处理单元。图2为激发光垂直于滤光片入射时的透射曲线，图3为激发光倾斜入射时的透射曲线，可以看出倾斜入射时滤光片的截止波长与垂直入射时相比会发生蓝移，但由于实际应用中的激发波长和荧光波长均远离截止波长，所以截止波长的些许移动不会对实际应用产生不良的影响。 

具体实施方式

装置示意图如图1所示。在实际应用中，待测水体流入装置中与外部联通的腔，腔是半密闭的，水可以流通，考虑探测水中的叶绿素a含量，LED发出的470nm的激发光被滤光片反射，经透镜汇聚，透过透明挡板照射到待测水体上，水中待测物质吸收入射光后发出680nm的荧光，荧光透过透明挡板和滤光片被探测器接收。 

为了减少环境的光进入系统后产生的背景噪声，本装置采取以下方法：用周期信号驱动LED产生激发光，检测有激发光和无激发光时光电二极管接收到的光，计算机通过算法处理后消除背景噪声，得到测量物质的浓度。 

本发明的优点在于：使用一块滤波片和一个透镜完成了光路，利用滤光片的性质巧妙的将激发光和信号光分开，元件的使用减少，从而使得装置结构更加紧凑、稳定；装置中的干涉滤光片对特定波长的光反射率和透过率很高，从而光电部分接收到的荧光信号比较强，使得测量更加精确。