荧光法作为一种非侵入性测量手段,能够实现水体藻类初级生产力的快速测量。然而在目前初级生产力荧光动力学分析中,藻类光合尺寸单元通常采用固定值,导致初级生产力测量结果发生偏差,特别是水体存在蓝藻时尤为明显。光合尺寸单元定义为光合反应中心浓度与叶绿素浓度的比值。为获得准确的水体藻类光合尺寸单元以提高初级生产力测量结果的准确性,利用激发荧光光谱分析水体蓝藻和其他真核藻占比,以此为基础对混合藻样品光合尺寸单元进行校正,并提出一种基于光合尺寸单元校正的荧光法藻类初级生产力测量方法。纯种样品和混合样品初级生产力比对测试实验结果表明:纯种蓝藻、绿藻、甲藻样品的初级生产力测量误差由校正前的38.8%、14.3%、13.2%下降至3.9%、4.1%、5.2%;混合样品初级生产力最大和平均测量误差由校正前的20.4%、15.2%下降至4.5%、5.2%。该结果证明,所提校正方法可有效解决光合尺寸单元使用固定值带来的初级生产力测量偏差问题,为提高水体藻类初级生产力测量结果的准确性提供了重要参考。

首先采用藻类荧光产率模型,以荧光饱和参数Eσ作为饱和激发光强的判断标准,提出了一种激发光强自适应方法,以准确获取不同藻类的光合荧光参数。结果表明,7种藻经自适应调整后可快速而稳定地获得饱和激发光强,调整结果的相对标准偏差均小于2.5%。然后利用激发光强自适应的可变光脉冲诱导荧光(TPLIF)技术测量了7种藻的有效光吸收截面σPSII,并分析了不同门类藻的σPSII差异。最后采用TPLIF技术测量了不同生长时期的小球藻样品,记录了其荧光参数Fv/Fm值和变化趋势,并将其与光合活性分析仪Fast-Ocean的测量结果进行对比,结果发现两者测得的Fv/Fm值保持一致,相关系数为0.9939。本研究为不同生长时期(生长状态差异明显)、不同种类藻光合荧光参数的准确测量提供了有效的饱和激发手段。

浮游藻类群落结构是评价海洋生态环境状况的重要指标之一, 现有的研究主要基于现场采样实验室分析, 缺少快速在线自动、 原位剖面以及遥感地面验证技术装备。针对浮游藻类群落结构快速获取与遥感数据地面验证需求, 研究了基于离散三维荧 光光谱法的海洋藻类群落结构现场快速测量方法, 研发了海洋藻类群落结构原位在线测量技术仪器, 并开展了应用示范 与对比验证。结果表明, 基于离散三维荧光光谱法的海洋藻类群落结构测量技术能够快速准确地获取藻类群落结构及叶 绿素含量, 与现有技术相比, 具有测量快速、准确、稳定可靠等优势, 为海洋生态环境监测数据获取及遥感数据地面 验证提供了先进技术手段。

塑料具有成本低、 质量好, 可塑性强等优点被广泛用于生产生活等领域, 但废弃塑料处置不当容易引发二次污染。 回收再利用有望成为解决废弃塑料污染问题的关键手段, 其前提是对废料的准确分选。 传统分选手段耗费时间, 效率低下, 难以实现废弃塑料的快速、 经济、 有效分类。 激光诱导荧光技术是一种快速灵敏的光谱检测技术。 具有操作简便, 检测效率高, 样品使用量小等优点常被应用于水体、 土壤中油类, 多环芳烃等有机污染物的快速识别与定量分析。 利用激光诱导荧光技术可以快速采集不同塑料的荧光光谱, 结合相应的模式识别算法, 可实现塑料材质的快速准确识别。 实验采集了8种塑料(ABS, HDPE, PA66, PLA, PP, PET, PS, PVC)共358组激光诱导荧光光谱, 依据特征峰信息构建358×10的光谱矩阵。 利用主成份分析法削减原光谱矩阵中的线性相关量, 提高数据精度。 结果显示前3个主成分的累计方差贡献值达98.085%, 足以表征原光谱矩阵的主要信息。 将降维的主成分PC1, PC2, PC3作为输入进行光谱分类, 其中同种塑料光谱聚合度高, 元素构成不同的塑料如PA66, PLA, HDPE和PVC的光谱分离度较好, 而元素构成相同的塑料如PET和PLA的光谱分离度较差。 PCA算法并不能准确的对未知塑料进行识别。 BP-神经网络具有收敛速度快, 预测精度高等特点被广泛用于模式识别和分类研究。 将经PCA算法得到的简化特征矩阵作为BP-神经网络算法的输入集, 其中随机抽取256组数据作为BP-神经网络算法模型的训练集, 剩余的102组数据作为模型检测集。 BP神经网络的隐藏层设定值为1, 激活函数选择双极性Sigmoid函数, 输出层为8种塑料样品。 识别结果显示, 102组数据中只有一组HDPE光谱数据被错识为PS, 其余101组数据全部正确识别。 8种塑料荧光光谱的综合识别准确率达到99%。 研究结果表明激光诱导荧光技术结合BP-神经网络算法可实现不同材质塑料的快速准确识别。 为实现废弃塑料的自动化智能分选, 降低回收成本, 减少废弃塑料危害提供新的参考。

快速、准确评估浮游植物的初级生产力对研究海洋生态环境科学及理解全球碳循环演变规律等至关重要。针对 ¹⁴C示踪法和黑白瓶法等传统方法表示的初级生产力存在测量周期长、操作繁琐等问题,依据生物膜能流理论,基于荧光动力学方法,即通过光源诱导产生可变叶绿素荧光获得光合参数,结合光合电子传递速率“生物-光学”模型,对基于荧光动力学参数的光合电子传递速率的测量进行研究。通过不同胁迫条件下蛋白核小球藻的测试,对比液相氧电极测量的光合放氧速率,验证光合电子传递速率测量浮游植物初级生产力的有效性。结果表明:在不同浓度的二氯苯基二甲脲的胁迫下,浮游植物的光合电子传递速率与光合放氧速率具有良好的一致性,且二者随胁迫浓度增加而减小明显,光合放氧速率与光合电子传递速率分别减小了71.55%和68.87%,二者相关系数的平方达到0.934;在不同营养盐或光照强度下胁迫培养15 d,浮游植物的光合电子传递速率与光合放氧速率仍然具有良好的一致性,二者相关系数的平方大于0.955。

依据氧气对物质荧光的猝灭作用,研究了一种基于时域荧光寿命的水体溶解氧浓度检测方法,根据荧光猝灭曲线上的两点计算荧光寿命,并通过Stern-Volmer方程反演获得水体溶解氧浓度。结果表明:相同溶解氧浓度下,归一化处理后的荧光猝灭曲线不受激发光强度和激励持续时间等激发条件的影响;不同溶解氧浓度下,实测荧光寿命受系统延迟的影响,补偿后荧光寿命理论曲线与修正曲线具有良好的一致性,拟合相关系数达0.9985。与HQ30d溶解氧分析仪对比,测试结果表明,0~20 mg·L ^-1范围内溶解氧质量浓度测量误差小于0.5 mg·L ^-1,线性相关系数达0.9992。

针对水体有机物离散三维荧光光谱测量,设计了基于可变增益与积分放大技术的微弱荧光信号高灵敏、 大动态范围检测电路和控制软件,进行了实验验证并应用于水体有机物离散三维荧光在线测量系统。 在电路设计中,自动程控CMOS多路模拟开关根据输入信号强度实现了前置增益放大器的调节,基于 开关型电荷积分器实现了微弱脉冲荧光信号的同步积分放大。结果表明所设计电路最低检测电流为0.09 μA, 动态检测范围为0.09 μA～0.21 mA, 检测限提高了79.25倍。 在水体有机物离散三维荧光测量系统的应用中,保证了系统的检测灵敏度, 并提高了荧光信号的动态检测范围,实现了水体有机物的高精度测量。