葉綠素a校準(zhǔn)方法

關(guān)于Hydrolab葉綠素、藍(lán)藻探頭測(cè)量準(zhǔn)確程度的說明

摘要：

      本文針對(duì)Hydrolab多參數(shù)水質(zhì)分析儀的葉綠素和藍(lán)藻探頭的原理做了介紹，并對(duì)熒光法和實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量方法進(jìn)行了簡(jiǎn)單對(duì)比，指明了儀器測(cè)量值與實(shí)驗(yàn)室分析值之間的差異來源，探討了影響實(shí)際在線監(jiān)測(cè)中的影響因素，并提出一些改善數(shù)據(jù)質(zhì)量的辦法。

0、引言

       Hydrolab由于可以測(cè)量葉綠素和藍(lán)藻，可以針對(duì)水華現(xiàn)象做出有效預(yù)警，在地表水、源水領(lǐng)域有很多應(yīng)用。環(huán)保部門、水利部門以及各地水司、水廠都可以使用該產(chǎn)品對(duì)目標(biāo)水域（主要是湖泊、水庫）進(jìn)行葉綠素和藍(lán)藻的便攜測(cè)量。但由于對(duì)探頭測(cè)量技術(shù)的不熟悉，許多使用者對(duì)于該探頭的測(cè)量精度有誤解，使用中也出現(xiàn)了一些問題，造成用戶對(duì)于探頭的準(zhǔn)確度產(chǎn)生了懷疑。在此特別針對(duì)兩個(gè)探頭的測(cè)量技術(shù)及實(shí)際應(yīng)用中容易產(chǎn)生的問題做出說明。

1、探頭的測(cè)量原理

葉綠素和藍(lán)藻探頭是基于色素的熒光性測(cè)量目標(biāo)參數(shù)的。色素在光譜中有吸收峰和發(fā)射峰，利用這一特性，在葉綠素的光譜吸收峰（波長460 nm）發(fā)射單色光照射到水中，水中的葉綠素吸收單色光的能量，釋放出另外一種波長（發(fā)射峰，波長685 nm）的單色光，葉綠素發(fā)射的光強(qiáng)與水中葉綠素的含量成正比。

葉綠素、藍(lán)藻探頭檢測(cè)原理圖

藍(lán)藻的測(cè)量原理同葉綠素a類似，在淡水中測(cè)量藻藍(lán)素（藻藍(lán)蛋白，吸收峰590 nm，發(fā)射峰650 nm），海水中測(cè)量藻紅素（藻紅蛋白，吸收峰530 nm，發(fā)射峰570 nm）。

2、探頭的校準(zhǔn)

       這種熒光法測(cè)量色素在探頭量程內(nèi)具有很好的線性度，如下圖所示是藍(lán)藻探頭針對(duì)不同藻類測(cè)量得到的曲線。由于葉綠素和藍(lán)藻在不同的藻類中含量差別較大，而探頭本身是測(cè)量熒光強(qiáng)度的，那么就需要把水中葉綠素和藍(lán)藻的含量與探頭測(cè)得的熒光強(qiáng)度進(jìn)行對(duì)應(yīng)，這就是通常的校準(zhǔn)過程。

校準(zhǔn)時(shí)需要從水中提取水樣并固定，采用實(shí)驗(yàn)室方法對(duì)水樣中的葉綠素（藻密度）進(jìn)行分析，然后把探頭放到水樣中，用實(shí)驗(yàn)室分析得到的讀數(shù)校準(zhǔn)儀器。這樣，探頭測(cè)得的熒光強(qiáng)度就和水中的葉綠素（藍(lán)藻）濃度形成了對(duì)應(yīng)關(guān)系?？梢灾苯佑锰筋^測(cè)量水中葉綠素（藍(lán)藻）的濃度。

不同藻類的藻密度與熒光強(qiáng)度的線性關(guān)系

由于實(shí)驗(yàn)室測(cè)葉綠素（藍(lán)藻）比較復(fù)雜，有些實(shí)驗(yàn)室可能不具備檢測(cè)條件，因此，可配備二次校準(zhǔn)模塊對(duì)葉綠素（藍(lán)藻）探頭進(jìn)行定期校正。二次校準(zhǔn)模塊是一個(gè)光學(xué)模塊，可以記錄探頭的光學(xué)特性，在對(duì)葉綠素（藍(lán)藻）進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室首次校準(zhǔn)后，可以用二次校準(zhǔn)模塊記錄校準(zhǔn)號(hào)的探頭參數(shù)，然后定期使用二次校準(zhǔn)模塊將探頭參數(shù)寫回原始探頭。一個(gè)二次校準(zhǔn)模塊只能用于一個(gè)探頭。

3、與實(shí)驗(yàn)室方法的對(duì)比

       熒光法探頭測(cè)量葉綠素和藍(lán)藻對(duì)比實(shí)驗(yàn)室分析方法而言，具有速度快、操作簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，尤其適合長期在水中在線測(cè)量，以反映水中葉綠素和藍(lán)藻的變化趨勢(shì)。

       但水中葉綠素和藻類分布很不均勻，距離很近的采樣點(diǎn)可能葉綠素和藻類濃度相差很多，同一地點(diǎn)不同深度的水體也有很大差異，而探頭的尺寸很小，光源和檢測(cè)窗口的尺寸都只有幾個(gè)毫米，能夠檢測(cè)到的水體只有探頭前面附近的水體，因此探頭所測(cè)得的實(shí)際上是相應(yīng)物質(zhì)在探頭所在位置的點(diǎn)濃度，而這一點(diǎn)濃度也是隨著水流而不斷變化的。除此以外，由于探頭檢測(cè)尺寸很小，隨著水流、魚類運(yùn)動(dòng)給探頭附近帶來的氣泡、雜質(zhì)等都會(huì)對(duì)探頭的測(cè)量產(chǎn)生影響。因此，在使用時(shí)，要根據(jù)探頭的這一測(cè)量特點(diǎn)，采用多點(diǎn)測(cè)量，同一點(diǎn)多次測(cè)量的方式，盡量減小由于外界因素（如氣泡、懸浮物等）給探頭帶來的影響，在多次測(cè)量的結(jié)果中去掉壞點(diǎn)，再做平均處理，即可得到比較準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。

       對(duì)于藍(lán)藻而言，由于實(shí)驗(yàn)室測(cè)量誤差很高，約在20%左右，因此，藍(lán)藻探頭也無法得到十分精確的校準(zhǔn)。同時(shí)，水中藍(lán)藻的種類很多，不同藻類所含的藻藍(lán)素含量也不同，而藍(lán)藻探頭實(shí)際上是測(cè)水中的藻藍(lán)素含量而不能區(qū)分藍(lán)藻的種類，因此，探頭無法得到十分準(zhǔn)確的藻細(xì)胞個(gè)數(shù)。通常只和實(shí)驗(yàn)室方法做量級(jí)上的對(duì)應(yīng)。

4、熒光法探頭穩(wěn)定性和精度的說明

       在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室的對(duì)比試驗(yàn)時(shí)，有時(shí)會(huì)發(fā)生葉綠素或藻類讀數(shù)不穩(wěn)定的情況。這是因?yàn)榧幢闶前阉畼颖４嬖诓蓸悠炕蛘邇x器的校準(zhǔn)杯內(nèi)，水中的藻類分布仍然是不均勻的。由于葉綠素是蘊(yùn)含在藻類中的，而藻類在水中的分布具有不均勻性（藻類會(huì)在水中游動(dòng)，分布也根據(jù)藻類性質(zhì)的不同有離散或抱團(tuán)的情況），因此水中的葉綠素和藻類的分布在時(shí)間和空間上都具有不均勻性。反映到探頭的讀數(shù)中，就會(huì)發(fā)現(xiàn)探頭讀數(shù)在一定范圍內(nèi)變化，這是正?，F(xiàn)象，所有以在線熒光法作為檢測(cè)方法的設(shè)備都是這樣的。這與實(shí)驗(yàn)室的葉綠素方法有本質(zhì)上的區(qū)別，在實(shí)驗(yàn)室方法中，要把水樣中的葉綠素全部萃取出來分析，這樣得到的實(shí)際上是水體中葉綠素的平均濃度，而這一平均濃度是不能從實(shí)際水樣中直接得到的?；谏鲜鲈?，我們?yōu)榱伺懦捎谌~綠素和藻類分布不均勻造成的探頭讀數(shù)不穩(wěn)定的影響，通常在測(cè)量前將水樣搖勻，并觀測(cè)多個(gè)數(shù)據(jù)取其平均值。（此時(shí)要考慮濁度帶來的影響，詳見下述）

       探頭的標(biāo)稱精度為3%，這是指探頭測(cè)熒光光強(qiáng)的精度為3%，如果水中的響應(yīng)色素均勻分布，那么我們可以認(rèn)為，此時(shí)探頭測(cè)量相應(yīng)色素的精度為3%，但由于上述色素分布的不均勻性，實(shí)際使用中，對(duì)應(yīng)的葉綠素和藍(lán)藻的測(cè)量精度要低于3%。

5、濁度給熒光法探頭帶來的影響

       濁度對(duì)葉綠素讀數(shù)主要有兩種影響：

1.由于光散射增強(qiáng)，空白值會(huì)升高。

2.由于光吸收效應(yīng)，導(dǎo)致熒光值降低。

濁度對(duì)熒光值影響的程度主要取決于其濃度水平，可變性和造成濁度環(huán)境的混合物成分。輕微、均勻的濁度對(duì)活體葉綠素只有微弱影響，但高水平、變化的濁度可顯著引起讀數(shù)誤差。一般而言，濁度在50NTU以下不會(huì)對(duì)探頭的讀數(shù)造成顯著影響，可以忽略，但如果水體的濁度在50NTU以上，則需要使用公式對(duì)探頭的讀數(shù)進(jìn)行修正，具體公式見附錄，在此不做詳述。

6、用質(zhì)控的辦法提高測(cè)量精度

       對(duì)于使用熒光法原理的葉綠素和探頭來說，想要提高讀數(shù)的穩(wěn)定性和數(shù)據(jù)質(zhì)量有以下幾種辦法。

       1、根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況做好探頭的維護(hù)和保養(yǎng)工作。探頭的光學(xué)窗口面積狹小，在水中很容易被氣泡、污泥以及微生物覆蓋，導(dǎo)致探頭測(cè)量不正確甚至無法測(cè)量的情況發(fā)生，因此，必須對(duì)探頭加以保護(hù)，如加裝銅網(wǎng)等保護(hù)裝置，使探頭盡可能少的受到污染。同時(shí)DS5X主機(jī)本身具有自清洗功能，應(yīng)合理設(shè)置主機(jī)，使其在測(cè)量前的1-2分鐘能夠自動(dòng)清洗探頭表面，該清洗刷最多可以在測(cè)量前反復(fù)清洗探頭9次。此外，定期的探頭清理工作也是必須的。

       2、利用多次測(cè)量的平均值使曲線更加平滑且穩(wěn)定。由于探頭測(cè)量的始終是“瞬時(shí)點(diǎn)濃度”，為了能讓這個(gè)濃度值和實(shí)際的實(shí)驗(yàn)室測(cè)得的平均濃度相匹配，可以采用讓儀器多次測(cè)量取平均值的辦法近似的得到穩(wěn)定性更好的平均濃度值來代替非典型的瞬時(shí)點(diǎn)濃度值。

       3、利用質(zhì)控的辦法，建立參數(shù)的二元回歸質(zhì)控模型，在模型中可以引入實(shí)驗(yàn)室測(cè)量值、濁度測(cè)量值和當(dāng)前值，利用該模型，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行軟處理，使之更加符合實(shí)驗(yàn)室的分析結(jié)果。模型的具體建立辦法見附錄。

7、熒光法測(cè)量葉綠素和藍(lán)藻的前景

       利用熒光法進(jìn)行色素的測(cè)量是一種比較新的方法，目前主要用來測(cè)量水中的葉綠素、藍(lán)藻中的藻藍(lán)蛋白和藻紅蛋白等少數(shù)幾種色素，隨著熒光技術(shù)的不斷成熟，更多可測(cè)量的色素也會(huì)逐漸引入，使得我們可以通過不同色素的含量區(qū)分水中的不同藻類，如藍(lán)藻、綠藻、褐藻等（目前也有類似的辦法，但是還不是很完善）。除此以外，對(duì)于熒光法用于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的穩(wěn)定性以及影響因素、如濁度等，也可以通過技術(shù)手段不斷完善，如在探頭中增加濁度補(bǔ)償，改善熒光光源和檢測(cè)器的靈敏度以得到更好的數(shù)據(jù)質(zhì)量等。

8、總結(jié)

       根據(jù)目前的使用情況，熒光法的葉綠素和藍(lán)藻探頭可以有效的對(duì)源水水質(zhì)進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)預(yù)警，每秒一個(gè)讀數(shù)的極大優(yōu)勢(shì)可以使監(jiān)測(cè)者對(duì)于水中的藻類生長情況一目了然，根據(jù)葉綠素和藍(lán)藻濃度的變化趨勢(shì)對(duì)可能出現(xiàn)的水華做出預(yù)警，才去措施消除隱患。但在測(cè)量精度方面，葉綠素探頭的精度相對(duì)較好，在多點(diǎn)測(cè)量和多次測(cè)量的基礎(chǔ)上可以得到比較準(zhǔn)確的葉綠素平均濃度，而藍(lán)藻探頭一般只和實(shí)驗(yàn)室方法做量級(jí)上的對(duì)應(yīng)。