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光纤式海藻叶绿素a浓度的荧光测量理论与实验研究

作　者: 郑龙江
导　师: 王玉田
学　校: 燕山大学
专　业: 测试计量技术及仪器
关键词: 荧光测量海藻叶绿素a浓度光纤传输干涉滤光片弱光信号检测
分类号: Q947
类　型: 博士论文
年　份: 2002年
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内容摘要

荧光光纤传感器是现代光纤传感技术领域研究的热点之一。它通过测量物质的特征荧光光谱特性来鉴别被测物质的种类和浓度，在海洋环境监测方面具有相当的应用潜力。海水中的浮游植物是海洋生态系统中最主要的初级生产者和能量的主要转换者，海藻是主要的海洋浮游植物，通常以海藻叶绿素浓度来表示浮游植物的含量。叶绿素a是水生态系统的一个重要参数，其含量是反映海水中浮游植物生物量或现存量的一项重要观测项目，也是计算初级生产力的基础。本文将荧光测量法和光纤传感技术相结合，采用弱光信号检测技术，提出一种现场测量海水叶绿素a浓度的荧光光纤测量系统，实现海藻浓度的在线测量，为海洋污染的监测和治理以及估测海水中浮游植物生物量的研究提供一种新的检测手段。本文主要进行以下研究工作： (1)论述荧光测量法的基本原理及特点，对海藻叶绿素a的荧光特性进行分析，为激发光源、滤光片、光探测器的合理选择及使用奠定理论基础。 (2)设计荧光光纤测量系统的总体方案。根据光纤探头的结构、特点，建立荧光信号测量及传输的数学模型，为系统标定提供理论依据。论述激发光源、干涉滤光片、传输光纤、光探测器的原理及特性。对光源—光纤、光纤—光探测器的耦合效率进行简要分析，为激发光纤和接收光纤的合理选择提供依据。 (3)海水中叶绿素a所产生的荧光信号很弱，而且受到背景光噪声的影响。为此，采用低功耗、高强度、窄脉冲宽度的脉冲氙灯作为激发光源，低损耗石英光纤束作为光信号传输通道，高灵敏度、低噪声光电倍增管作为荧光信号探测器，及以Boxcar积分器原理为核心的微弱信号检测电路，实现微弱荧光信号的激发、收集、传输、探测及处理。 (4)为了有效地分离海藻内叶绿素a所产生的荧光和激发光的散射光，采用高阻塞系数的干涉滤光片作光谱滤光。激发滤光片(宽带)的中心波长为420nm，带宽100nm；荧光发射滤光片(窄带)的中心波长为685nm，带宽10nm，以确保光电倍增管所接收到的光通量为叶绿素a所产生的荧光。 (5)为了消除激发光源的波动对测量结果的影响，采用双光路双通道测量方式。激发光经过光纤分束器分为两路，一路作为参考光通过光纤到达光电二极管；另一路作为激发光通过光纤传至探头端，激发水中的叶绿素a产生荧光，再由接收光纤收集荧光并将其传送到光电倍增管。通过脉冲氙灯的每次闪光强度与光电倍增管所检测的荧光强度之比来表征叶绿素a的浓度。 (6)进行荧光光纤测量系统的实验研究，包括激发光波长与荧光强度的关系、叶蒸山大学工学博士学位论文绿素a浓度与荧光强度关系的标定、叶绿素a溶液的荧光一温度特性、海藻的生长特性、测量系统的时间漂移等实验。本研究的主要创新在于首次提出采用50In石英光纤束同时传输激发光和荧光，并设计相应的水下光纤荧光探头以实现海藻叶绿素a浓度的水中走航在线测量；首次提出采用420urn的宽谱带光作为激发光激励海水中的叶绿素a发射荧光，以获得较强的荧光发射，并进行了相关实验验证。

全文目录

中文摘要  3-5
英文摘要  5-13
第1章绪论  13-24
  1．1 引言  13-16
  1．2 叶绿素a含量现场测量方法的国内外研究现状  16-20
  1．3 课题研究的目的和意义  20-23
  1．4 课题来源及主要研究内容  23-24
    1．4．1 课题来源  23
    1．4．2 主要研究内容  23-24
第2章海藻荧光测量机理及其系统的总体方案设计  24-44
  2．1 引言  24
  2．2 荧光分析法及其特点  24-26
    2．2．1 荧光分析  24-25
    2．2．2 荧光分析法的特点  25-26
  2．3 荧光发射光谱特性  26-30
    2．3．1 光的吸收和发射  26-27
    2．3．2 荧光发射光谱  27-30
  2．4 溶液的荧光强度及影响荧光强度的几个因素  30-35
    2．4．1 荧光强度和溶液浓度的关系  30-32
    2．4．2 溶剂对荧光强度的影响  32-33
    2．4．3 温度对荧光强度的影响  33-34
    2．4．4 激发光的照射对荧光强度的影响  34-35
  2．5 水中浮游植物的荧光特性  35-38
    2．5．1 生物分子的荧光发射  35-37
    2．5．2 浮游植物的荧光特性  37-38
  2．6 荧光光纤测量系统的总体实施方案  38-43
    2．6．1 荧光光学系统  38-39
    2．6．2 荧光信号处理的电子学系统  39-40
    2．6．3 荧光信号传输及测量的建模  40-42
    2．6．4 系统的灵敏度分析  42-43
  2．7 本章小结  43-44
第3章海藻的荧光激发和光纤传输系统的特性分析  44-58
  3．1 引言  44
  3．2 激发光源  44-47
    3．2．1 脉冲氙灯的工作电路  45-46
    3．2．2 脉冲氙灯的光谱特性  46-47
  3．3 干涉滤光片  47-50
    3．3．1 滤光片的基本特性  47-48
    3．3．2 干涉滤光片原理及其特性  48-50
  3．4 光纤的损耗特性  50-53
    3．4．1 吸收损耗  51-52
    3．4．2 散射损耗  52-53
  3．5 光纤与光源和光探测器的耦合  53-57
    3．5．1 光纤的数值孔径  53-55
    3．5．2 光源（脉冲氙灯）与光纤的耦合  55-56
    3．5．3 光纤与光探测器的耦合  56-57
  3．6 本章小结  57-58
第4章荧光信号检测系统  58-73
  4．1 引言  58
  4．2 光辐射探测过程的噪声  58-62
    4．2．1 光电探测器噪声  58-60
    4．2．2 光子噪声  60-61
    4．2．3 放大器噪声  61-62
  4．3 光电倍增管  62-66
    4．3．1 光电倍增管的工作原理  62-63
    4．3．2 光电倍增管的工作电路  63-65
    4．3．3 光电倍增管的基本参数  65-66
  4．4 荧光信号检测系统的设计  66-72
    4．4．1 低噪声前置放大器  67-68
    4．4．2 取样积分器  68-72
  4．5 本章小结  72-73
第5章荧光光纤系统及叶绿素a的测量实验  73-79
  5．1 引言  73-74
  5．2 荧光强度与激发波长的关系  74-75
  5．3 系统的线性度测试实验  75-76
  5．4 绿藻生长实验  76-77
  5．5 叶绿素a溶液的荧光—温度特性  77
  5．6 测量系统的时间漂移实验  77-78
  5．7 本章小结  78-79
结论  79-81
参考文献  81-87
攻读博士学位期间发表的学术论文  87-88
致谢  88-89
个人简介  89

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