论文摘要
水体富营养化导致浮游植物过度增殖,形成“水华”和“赤潮”,严重危害人类健康和经济可持续性发展。浮游植物浓度实时在线分类测量是“水华”和“赤潮”预警的基础。然而,目前尚缺少可用于浮游植物浓度实时在线分类测量的方法和设备。因此,本文研究了基于活体荧光光谱的浮游植物分类测量方法,在此基础上研发了浮游植物水下原位荧光仪,实现了浮游植物浓度的实时在线分类测量。本文通过对16种淡水富营养化优势浮游植物的活体三维荧光光谱和激发荧光光谱特征的研究,将淡水浮游植物分成三种光谱组:蓝色组、绿色组和褐色组。由于淡水浮游植物中绝大多数生成藻毒素的种类都属于蓝色组,因此该光谱分类方法实现了有毒浮游植物和无毒浮游植物的区分。在浮游植物光谱分类的基础上,本文提出了三种基于活体荧光光谱的浮游植物分类测量方法,分别是基于三维荧光光谱和PARAFAC模型的浮游植物分类测量测量方法,基于激发荧光光谱和多元线性回归算法的浮游植物分类测量方法和基于特征激发荧光波段和多元线性回归算法的浮游植物分类测量方法。对实验室配制的混合浮游植物样品的测量结果证明了上述三种浮游植物分类测量方法的可行性。根据特征激发荧光波段浮游植物分类测量原理,本文进一步提出了基于多波长LED的浮游植物分类测量方法。在此基础上设计了以多波长LED阵列为激发光源的浮游植物水下原位荧光仪系统,利用该系统可实现对浮游植物浓度的实时、在线的分类测量。文章详细介绍了整个系统的设计思路以及硬件和软件系统的设计方案。同时,通过实验室配制的浮游植物样品测量实验分析了系统的测量性能。利用水下原位荧光仪系统对巢湖西半湖20个点的总叶绿素α浓度和三种光谱组叶绿素α浓度进行了测量。同时以分光光度法和HPLC标志色素法分别测量了上述各点水样的总叶绿素α浓度和三种光谱组叶绿素α浓度。结果表明,原位荧光仪测得各点总叶绿素α浓度与分光光度法测量结果具有良好的线性相关性,相关系数为0.93861。原位荧光仪和HPLC标志色素法测得的蓝色组、绿色组和褐色组叶绿素α浓度值线性相关系数分别为0.79158、0.97896和0.58063。外场实验结果表明了多波长LED浮游植物水下原位荧光仪在实际应用的可靠性。
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摘要Abstract第一章 绪论1.1 研究背景1.1.1 水体浮游植物及其危害1.1.2 我国水体浮游植物污染状况1.1.3 浓度监测在浮游植物危害控制中的作用1.1.4 当前浮游植物浓度的检测方法1.1.5 现代环境监测对浮游植物浓度检测方法的要求及其研究进展1.2 本文的研究目的、内容和意义1.3 本章小结第二章 浮游植物活体荧光分析原理2.1 分子荧光2.1.1 分子荧光机理2.1.2 荧光测量的相关参数2.1.3 分子荧光光谱与其特性2.2 浮游植物的活体荧光2.2.1 叶绿素α荧光2.2.2 活体叶绿素α荧光的产生2.2.3 活体叶绿素α的荧光强度2.2.4 活体叶绿素α的荧光光谱2.3 本章小结第三章 浮游植物的活体荧光光谱特征3.1 实验部分3.1.1 浮游植物活体培养3.1.2 浮游植物活体荧光光谱测量3.1.3 荧光光谱数据处理3.2 结果与讨论3.2.1 浮游植物三维荧光光谱特征3.2.2 浮游植物激发荧光光谱特征3.2.3 基于荧光光谱特征的浮游植物分类3.3 本章小结第四章 浮游植物浓度的分类测量方法4.1 基于三维荧光光谱的分类测量4.1.1 浮游植物混合培养体4.1.2 活体三维荧光光谱测量4.1.3 PARAFAC模型分析4.1.4 实验结果与讨论4.2 基于激发荧光光谱的分类测量4.2.1 浮游植物混合培养体4.2.2 活体激发荧光光谱测量4.2.3 分类测量原理4.2.4 实验结果与讨论4.3 基于特征激发荧光波段的浮游植物分类测量4.3.1 分类测量原理4.3.2 实验结果与讨论4.4 本章小结第五章 浮游植物水下原位荧光仪5.1 仪器测量原理5.2 系统的设计5.2.1 总体设计方案5.2.2 光路结构设计5.2.3 电路系统设计5.2.4 机械结构设计5.2.5 软件设计5.3 仪器性能测试5.3.1 线性测试5.3.2 单光谱组浮游植物测量5.3.3 混合浮游植物分类测量5.4 本章小结第六章 巢湖外场实验6.1 实验部分6.1.1 测量点位和水样采集6.1.2 浮游植物叶绿素α浓度原位荧光仪测量6.1.3 叶绿素α浓度的分光光度法测量6.1.4 高效液相色谱（HPLC）测量6.2 结果与讨论6.2.1 总叶绿素α浓度空间分布6.2.2 各光谱组浮游植物叶绿素α浓度6.2.3 各光谱组叶绿素α浓度占总叶绿素α浓度比例6.3 本章小结结论与展望参考文献在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果致谢
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