ФЛУОРИМЕТР С МНОГОКАНАЛЬНОЙ СИСТЕМОЙ ВОЗБУЖДЕНИЯ НА СВЕТОДИОДАХ
FLUOROMETER WITH MULTICHANNEL EXCITATION SYSTEM ON LIGHT-EMITTING DIODES

Изобретение относится к экологии, лимнологии, океанологии и может быть использовано в качестве устройства для проведения in situ исследований антропогенного загрязнения морских и пресноводных акваторий.
Загрязнение морских вод и пресных водоемов происходит в результате прямого, либо косвенного поступления в водную среду различного рода загрязняющих веществ, таких как нефть и нефтепродукты, тяжелые металлы (ртуть, свинец, кадмий и др.), пестициды и другие хлорорганические соединения, жидкие и твердые коммунально-бытовые отходы. Загрязнения такого рода ухудшают качество воды и негативно сказываются на жизнедеятельности растений, микроводорослей и других организмов, населяющих водоем, и в конечном итоге могут иметь пагубное воздействие на здоровье человека.
Исследования экологического состояния природных водоемов проводят различными физическими и химическими методами, однако, в настоящее время особое распространение получили методы экологического мониторинга, основанные на оперативном получении информации об объекте исследования прямо на месте проведения измерений. Среди таких методов исследования можно выделить методы оптического исследования природных водоемов. Одним из оптических методов исследования природных водоемов является метод исследования биооптических параметров воды, к которым относят гидрооптические параметры, изменение которых обусловлено жизнедеятельностью морских организмов. Как было отмечено выше, антропогенные загрязнения пагубно сказываются на жизнедеятельности биоты, входящей в водоем. Таким образом, через исследования биооптических параметров возможно, оперативно, получить информацию об экологическом состоянии водоема.
Существует несколько разных типов устройств, предназначенных для регистрации биооптических параметров: гидролидары, флуориметры и погружаемые зонды. Гидролидары предназначены для исследования поверхностного слоя водоема (глубина до 10 метров) и эффективно функционируют в отсутствие волнения и ряби на воде. Погружные зонды предназначены для исследования профилей изменения биооптических параметров по глубине. Флуориметры - это наиболее универсальный и распространенный класс приборов, предназначенный для измерения интенсивности флуоресценции, на одной длине волны (одноканальный флуориметр), либо на нескольких длинах волн (многоканальный флуориметр), либо в некотором непрерывном спектральном интервале (гиперканальный флуориметр). Флуориметры используются как в лабораториях (флуориметры со сменной кюветой), так и в полевых условиях, в составе судовой лаборатории, либо отдельно на плавающем автономном носителе, в последних двух случаях, чаще всего, флуориметр снабжается системой прокачки забортной воды, которая в автоматическом режиме подает исследуемую жидкость в кювету прибора. В качестве источника возбуждения флуоресценции в флуориметре могут использоваться различные виды источников оптического излучения, такие как: лампы, лазеры и светодиоды. Свойства источников излучения накладывают свои требования на используемые устройства регистрации флуоресценции. В качестве регистрирующих устройств в составе флуориметра могут использоваться: фотоэлектронные умножители (ФЭУ), фотодиоды, ПЗС матрицы и ПЗС линейки.
Известен лазерный флуориметр, состоящий из оптически связанных посредством световодов как минимум двух каналов возбуждающего монохроматического излучения, получаемого посредством лазеров, светофильтра, оптического анализатора на базе полихроматора и ПЗС камеры. Количество оптических устройств, эспандеров, оптических кювет и светофильтров соответствует количеству каналов флуориметра (п. РФ №108844 U1).
К недостаткам известного флуориметра можно отнести невозможность обнаружения низких концентраций растворенных в морской воде органических веществ из-за малой чувствительности ПЗС камеры, исследования разностной флуоресценции органических веществ и фитопланктона из-за невозможности модулирования лазерного излучения по длительности, а также дороговизна и громоздкость лазерных источников излучения.
Известен флуориметр ПФД-2, использующий в качестве источника возбуждения два светодиода с длинами волн 373 нм и 521 нм, работающих в непрерывном режиме ("Исследование пространственной изменчивости интенсивности флуоресценции морской воды в западной части черного моря" / Ю.А. Гольдин, А.В. Шатравин и др. // Фундаментальная и прикладная гидрофизика, 2015, т. 8, №1). Каждый светодиод через светофильтр оптически связан со своей собственной проточной кюветой, через которую прокачивается забортная вода. Каждая кювета оптически связана со своим собственным фотоэлектронным умножителем через светофильтры, обеспечивающие регистрацию излучения в выделенных спектральных диапазонах 480 нм и 680 нм. Фотоумножители преобразуют энергию светового излучения в электрический сигнал, который регистрируется при помощи АЦП, подключенного к персональному компьютеру.
Однако работа светодиодов в непрерывном режиме не позволяет производить регистрацию разностной флуоресценции, а соответственно не позволяет получать информацию о состоянии фотосинтетического аппарата фитопланктона, что является важным при проведении исследований загрязненности вод антропогенными загрязнителями. Кроме того, флуориметр выполнен двухканальным и регистрирует только два параметра: флуоресценцию хлорофилла "А" и флуоресценцию растворенных органических веществ (РОВ), однако, для проведения полноценных экологических исследований этих двух параметров недостаточно, поэтому данный прибор используется совместно с другими приборами.
Наиболее близким к заявляемому решению является импульсный амплитудно-модулированный хлорофилл-флуориметр, представленный в п. США №9222888, МПК G01N 21/64. Данное устройство включает генератор опорных сигналов, работающий на частоте 1 кГц, который управляет длительностью свечения светодиодов. Светодиоды возбуждают излучение флуоресценции в проточной кювете, через которую прокачивается исследуемая жидкость. Излучение флуоресценции проходит через оптический фильтр и регистрируется фотодетектором, например лавинный фотодиод или фотоэлектронный умножитель (ФЭУ). Сигнал с фотодетектора подается на синхронный усилитель, работающий на той же частоте, что и модулируемый сигнал светодиода, эта особенность помогает отделить полезный сигнал от шума. Сигнал с синхронного усилителя подается в АЦП, установленный в персональном компьютере.
К недостаткам прототипа можно отнести использование в качестве источника возбуждения флуоресценции светодиодов, излучающих на одинаковой длине (в частности, 470 нм) волны и генерирующих попеременно излучение с высокой и с низкой интенсивностью свечения, что позволяет производить исследования, оценивая состояние фитопланктонного сообщества только по изменению концентрации хлорофилла "А", не позволяя регистрировать флуоресценцию растворенных органических веществ (РОВ) и дополнительных пигментов фитопланктона, что не дает возможности получить исчерпывающую информацию о состоянии исследуемой экосистемы. Кроме этого, использование одноканального устройства регистрации (фотодиод либо ФЭУ) сигнала флуоресценции тоже только на одной длине волны - 685 нм ограничивает универсальность данного прибора только исследованиями концентрации хлорофилла "А" в исследуемой жидкости и состоянием фотосинтетического аппарата фитопланктона.
В то же время известно, что при проведении оперативного биотестирования состояния естественных акваторий этих двух параметров недостаточно, так как кроме концентрации хлорофилла "А" важными параметрами являются концентрация и состав растворенных органических веществ (РОВ), а также состояние фотосинтетического аппарата клеток фитопланктона. Таким образом, данное устройство не позволяет получить исчерпывающую информацию о состоянии исследуемой водной экосистемы.
Технической проблемой является необходимость оперативного проведения полного биотестирования состояния естественных акваторий, а не только сведений о состоянии фотосинтетического аппарата фитопланктона и концентрации фитопланктона в исследуемой жидкости, поскольку концентрация фитопланктона и состояние его фотосинтетического аппарата изменяются под действием ряда естественных факторов, таких как наличие (отсутствие) минеральных веществ в исследуемой области водоема, неблагоприятная температура, неблагоприятные условия освещенности и т.п.
Технический результат заявляемого решения - одновременное измерение множества биооптических параметров в исследуемом водоеме, получаемых в широком спектральном диапазоне от 200 нм до 800 нм, таких как флуоресценция фитопланктона, состояние фотосинтетического аппарата фитопланктона, флуоресценция РОВ, флуоресценция пигментов фитопланктона, температура и соленость воды, что позволяет проводить "in situ" оперативное биотестирование акваторий и выявлять степень антропогенной загрязненности экосистемы.
Заявляемый флуориметр включает генератор опорных сигналов, управляющий длительностью свечения как минимум восьми светодиодов с разными длинами волн, оптически соединенных с измерительной кюветой, турелью оптических фильтров и регистрирующим фотодетектором, при этом флуориметр дополнительно снабжен опорным фотодетектором, оптически связанным с кюветой, а генератор опорных сигналов выполнен с возможностью генерировать на светодиоды сигналы управления с произвольной частотой, длительностью и скважностью, регистрирующий фотодетектор соединен с полихроматором, оптически соединенным с турелью фильтров, а опорный и регистрирующие фотодетекторы выполнены многоканальными и электрически соединены с аналого-цифровым преобразователем, с которым также соединены установленные в кювете датчики температуры и солености.
Заявляемый флуориметр способен возбуждать и регистрировать излучение флуоресценции различных компонентов исследуемой жидкости, например флуоресценция РОВ, флуоресценция хлорофилла "А", разностная флуоресценция фитопланктона, флуоресценция растворенных в воде нефтепродуктов и масел, флуоресценция фикоэретинов и фикоцианинов и др.
На Фиг. 1 приведена одна из возможных схем многоканального флуориметра с проточной кюветой, где 1 - светодиоды, 2 - оптическое соединение (многомодовое оптоволокно), 3 - генератор опорных сигналов, 4 - опорный ФЭУ, 5 - проточная кювета, 6 - турель оптических фильтров, 7 - полихроматор, 8 - многоканальный ФЭУ, 9 - многоканальный АЦП, 10 - персональный компьютер (ПК), 11 - система забора исследуемой воды, 12 - водяной насос, 13 - датчик солености, 14 - датчик температуры.
На фиг. 2 приведены трехмерные спектры флуоресценции морской воды, полученные при использовании флоуориметра. По оси Y отложена длина волны возбуждающего излучения, нм, по оси X отложена длина волны регистрируемого сигнала флуоресценции, нм. Интенсивность флуоресценции отмечена цветом в относительных единицах.
Флуориметр работает следующим образом. Возбуждающее излучение генерируется посредством светодиодов 1 и по оптоволокну 2 подается в кювету 5, где возбуждает флуоресценцию прокачиваемой насосом 12 воды. Излучение флуоресценции освобождается от переотраженных сигналов возбуждения посредством турели оптических фильтров 6 и подается на полихроматор 7, где происходит его разделение на спектральные составляющие, которые регистрируются многоканальным ФЭУ 8 и преобразуются в электрический сигнал, который поступает на входы многоканального АЦП 9 и далее передается на компьютер 10 для дальнейшей обработки.
Излучение возбуждения флуоресценции, генерируемое светодиодами 1, модулируется по заранее запрограммированному в генераторе 3 опорных сигналов алгоритму, который также осуществляет выбор заданного светодиода из нескольких, и по заданной с ПК 10 программе посылает сигналы выбора активного фильтра на турель оптических фильтров 6. Интенсивность свечения светодиодов контролируется опорным ФЭУ 4, подключенным к АЦП 9. К АЦП 9 также подключены датчики измерения солености 13 и температуры 14 воды. Генератор опорных сигналов, собранный на базе микроконтроллера, например PIC18F2550, выполнен с возможностью генерировать сигналы управления на светодиоды с произвольной частотой, длительностью и скважностью, причем сигнал управления на каждый светодиод параметрируется отдельно через персональный компьютер.
Использование светодиодов с разными длинами волн (например, 278 нм - LEUVA66H70HF00, 365 нм - Nichia NCSU033B, 530 нм - TDS-P010LAG17, 590 нм - BL-HP30EUYC-10W и т.д.) позволяет возбуждать сигналы флуоресценции от разных компонентов, входящих в исследуемую жидкость, а использование для регистрации излучения флуоресценции многоканального ФЭУ (например, HAMAMATSU Н7260-04), оптически связанного с кюветой через полихроматор (например, Princeton SP2150), позволяет регистрировать всю спектральную картину в диапазоне длин волн от 200 нм до 800 нм при помощи АЦП (например, LCARD LTR11), снабженного интерфейсом связи с компьютером.
Опорный ФЭУ, электрически связанный с АЦП, позволяет контролировать интенсивность возбуждающего излучения, генерируемого светодиодами, и впоследствии проводить нормировку измерений.
Датчики температуры и солености, установленные в кювете и подключенные к АЦП, дают возможность получить данные, необходимых при проведении мониторинга состояния водных экосистем и нормировки данных флуориметра.
Оптическое соединение светодиодов и кюветы может быть выполнено, например, с использованием оптоволокна, что позволяет уменьшить габариты устройства.
Сущность устройства состоит в том, что оно содержит не менее 8 каналов излучения, для некоторых решаемых задач 16 каналов, возбуждающего флуоресценцию в исследуемой воде на различных длинах волн. Причем источниками возбуждающего излучения являются светодиоды, совмещенные с соответствующими оптическими фильтрами, выбранные таким образом, чтобы охватывать длины волн от 200 нм до 800 нм, что дает возможность определить концентрацию РОВ, концентрацию хлорофилла "А", а также посторонних растворенных примесей, содержащихся в исследуемой жидкости, таких, например, как растворенные нефтепродукты. Кроме того, за счет использования генератора опорных сигналов, выполненного на базе микроконтроллера, каждый светодиод в канале может включаться на произвольные интервалы времени с длительностью не менее 4 мкс, обеспечивая режим исследования разностной флуоресценции.
Возбуждающее излучение подается в кювету, где возбуждает флуоресценцию. Сигнал флуоресценции через турель оптических фильтров проходит через полихроматор и регистрируется многоканальным фотоэлектронным умножителем (например, HAMAMATSU Н7260-04). Сигнал с фотоумножителя подается на многоканальный АЦП (например, LCARD LTR11) флуориметра. Сигнал с АЦП, затем подключенный к персональному компьютеру, который сохраняет и обрабатывает полученный сигнал.
Технически флуориметр реализован на базе источника излучения, содержащего в себе от 8 до 16 светодиодов с разными длинами волн (например: 278 нм - LEUVA66H70HF00, 365 нм - Nichia NCSU033B, 530 нм - TDS-P010LAG17, 590 нм - BL-HP30EUYC-10W и т.д.). Светодиоды управляются генератором опорных сигналов, построенным на базе микроконтроллера (например, PIC18F2550). В качестве фоторегистратора используется сопряженный с полихроматором (например, Princeton SP2150) ФЭУ (например, HAMAMATSU Н7260-04), сигнал с которого регистрируется при помощи АЦП (например, LCARD LTR11) и передается на персональный компьютер. Кроме того, к АЦП подключены опорный ФЭУ (например, HAMAMATSU Р9306-05) и датчик температуры и солености, данные с которых необходимы для проведения вычислений параметров.
Флуориметр выполнен в водозащищенном корпусе с возможностью подключения мобильных генераторов электричества, подключения анализируемой воды, которую возможно анализировать непрерывно в проточной кювете, что позволяет использовать прибор в натурных условиях на маломерных судах и на необорудованных прибрежных территориях.
Таким образом, за счет предлагаемой конструкции флуориметра с использованием множества светодиодов с разными длинами волн излучения, а также возможностью управления их излучением с произвольной частотой, длительностью и скважностью, в совокупности с использованием в качестве фотодетектора многоканального ФЭУ, сопряженного с полихроматором, стало возможным проводить комплексные экологические «in situ» исследования воды в природных акваториях посредством одного прибора.