（机械工程专业论文）水质在线监测系统的探讨与研究.pdf

南京航空航天大学全日制专业硕士学位论文 摘要 水质在线监测系统是一套综合性的在线监测系统，运用到多种跨学科的工程技术，包括自 动控制和测量技术、现代传感技术、计算机应用技术、通讯网络以及相关的分析软件等等，而 在线自动分析仪是整个系统的核心。由于蓝藻水华日益成为全世界的一个环境问题，本文旨在 探讨和研究针对蓝藻浓度检测的水质在线监测系统，用于监测水华暴发过程并进行预警。 蓝藻细胞具有独特的荧光特性，其内部包含一套独特的藻蛋白辅助色素，初级的藻胆素是 藻蓝蛋白( p c ) 和藻红蛋白( p e ) 。它们都有极强的荧光信号，并且这种信号不会干扰叶绿素 荧光。因此本文利用藻蓝蛋白的荧光特性对蓝藻进行定性定量分析。 通过分析和研究荧光分析法得到检测信号的特征以及相关影响因素，确定蓝藻细胞的激发 波长和发射波长，由此得出检测系统的光学元件的参数选择，为光学检测系统设计提供良好的 基础。 本文主要完成的工作是对水质在线监测系统的基础环节采样系统和关键环节一光学检测 系统进行初步设计。采样系统的设计目标主要是实现可以对不同深度的水域进行采样，并对采 样系统各个部件确定参数和选型。光学检测系统的设计主要是确定系统光学元件的参数，并依 据荧光分析法的特点，设计一套光学元件调整机构，达到对光学元件的支承、定位和约束以及 调节的功能，使得系统最终得到的信号数据具有代表性和有效性。 关键词：水质在线监测，蓝藻，荧光分析法，采样系统，光学检测系统 水质在线监测系统的探讨与研究 a b s t r a c t w r a t e rq u a l i t ) r0 1 1 l i n em o n i t o r i l 嗜s y s t e m ，ak i n do fc o m p r e h e n s i v eo n l i l l em o i l i t o r i n gs y s t e m ， 晰mo n l i n ea u t o m a t i ca n a l y s i si i l s 蜘l m e n ta sn l ec e n t e r ，i sb a s e do na u t o m a t i cc o n 仃o u i l l gt e c l l i l 0 1 0 9 y ， a u t o m a t i cm e a s u r e m e n t t e c h n o l o g ) ，m o d e ms e n s o rt e c h n 0 1 0 9 ) ， c o l p u t e ra p p l i c a t i o nt e c l l l l 0 1 0 9 y ， 吐l er e l a t e ds p e c i a l l ya 1 1 a l y s i ss o f 啊a r e 锄dn l ec o n 姗u 王1 i c a 矗o nn e 铆o r k i tm u s tb ea i li 1 1 t e r d i s c i p l i n 哪 e n 百n e e n gt e c h n o i o g y 。w 1 1 i l em ec 弘m o b a c t e r i ab l o o m i n gh a si i l c r e a s i i l 9 1 yb e c o m eaw o r l d w i d e e n v i r o i m l e n t a ip r o b l e m ，m es y s t e mo fw a t e rq u a l i t yo i l l i i l e t e s t i i l g ， w i t l lc o n c e 删o na b o u t c y a n o b a c t e r i a ，a i m i i l gt om o n i t o r 孤dw 锄血ep r o c e s so f b l o o m 协g i ss t i l d i e di 工it 1 1 i sp a p e r t h e r ei sau i l i q u es e to fa l g a lp r o t e ：i 1 1a u x i l i a d rp i g m e n ti z l 也ec y a i l o b a c t e r i a lc e l l s ，c a l l e da l g a e b l u ep r o t e i i l ( p c ) 锄dp h y c o e 巧吐l l 面( p e ) b e c a u s e 廿l e yh a v eav e d ，s 廿d n gn u o r e s c e n c es i 弘a l ， c y a i l o b a c t e r i a lc e l l sh a v ef l u o r e s c e n c ec h a m c ：t e r i s t i c sa 1 1 d 廿l i sk i n do fs i 印a 1d o e sn o tm e 疵r e 、7 l r i 吐1 c l l l o r 叩h y l lf l u o r e s c e n c e t h e nm eq u a l i t a t i v ea n dq u a 以t a 矗v ea i l a l y s i sc a i lb ec o n “c t e db yt h e n u 0 1 e s c e n c ec h a r a c t e r i s t i c s t h ee x c i t a t i o na n de m i s s i o nw a v e l e n g 廿1 so fc y a n o b a c t e r i a lc e l l sa r eg o tn l r o u 曲吐l es t u d yo f f l u o r e s c e n c e 蛆a j y s i sc h a m c t e r i s t i c s 觚dr e l a t e df a c t o r s s e l e c t i l l g 廿l e0 p t i c a le l e m e n t ，讹c hp r o v i d e s ag o o df o u n d a t i o nf o r 廿l ed e s i g n i i l go fo p t i c a lt e s t 证gs y s t e m ，i sd b v i o u s i i lm i sp 叩e r ，m em a i nj o bi st od e s i g i ls 锄p l i i l gs y s t e ma 1 1 d0 p t i c a lt e s t i i l gs y s t 锄n l es a t i l p l i i l g s y s t e mi st oa c l l i e v ed i a e r e n td 印t l l sf l o rs a i l 叩l i i l g ，s op r o p e r l yd e s i 孕l i l l ga n ds e l e c t i 工l gm ev a r i o u s c 伽叩o n e n t si st l l em a i l lj o b t h ed e s i 弘o f 叩缸c a lt e s t i n gs ) ，s t e mi ss u p p o n i n g ，p o s i t i o 刀【i i l ga 工l d r e g u l 如g 吐1 e 如n c t i o no f 廿1 e 叩t i c a le l e m e n t o n l ys o ，m es y s t e mc a l lg e tm es i g i l a lr 印r e s e n t a t i v e a n de f 苄e c t i v e k e y w o r d s ：m o i l i t 砸n gw a t e ro n 一1 i 1 1 e ，c y a n o b a c t e r i a ，n u o r e s c e n c ea 1 1 a l y s i s ，s a i l l p l i n gs y s t e m ，o p t i c a l t e s t m gs y s t e m i i 南京航空航天大学全日制专业硕士学位论文 图表清单 图1 1 蓝藻细胞图l 图1 2 蓝藻水华暴发现象2 图1 3 太湖蓝藻暴发导致自来水发臭4 图1 4 环境监测浮标6 图1 5 水下自治机器人模型7 图1 6 太湖蓝藻卫星遥感图7 图2 1 常规水质检测仪9 图2 2 系统功能组成图1 0 图2 3 单线基态( a ) 、“单线激发态( b ) ”和“三线激发态( c ) ”1 3 图2 4 分子吸收和发射过程的能级图1 4 图2 5 荧光分析检测示意图。1 5 图2 6 溶液的荧光测定1 6 图2 7 流式细胞术工作示意图1 9 图3 1 荧光分析法流路2 2 图3 2 带螺口盖的荧光比色皿：。2 2 图3 3 流式细胞术流路。2 3 图3 4 采样流程图一2 4 图3 5 采样系统组成图。2 5 图3 6 系统锚定图示。2 6 图3 7 法兰型荧光流动池2 6 图3 8 ，p 系列蠕动泵外形图2 8 图3 9 k p p 系列蠕动泵外形尺寸图2 9 图3 1 0 t p u 软管2 9 图3 1 1 采样口外形图2 9 图3 1 2 采样口内部结构图3 0 图4 1 光学系统组成示意图一3 2 图4 2 光学系统组成图3 4 图4 3 光学系统组成正视图3 5 图4 4 光学系统组成俯视图3 5 v 水质在线监测系统的探讨与研究 图4 5 光学系统组成左视图一3 5 图4 6 半导体激光器一3 6 图4 7 光源机构内部图一3 7 图4 8 激光器调节螺栓一3 7 图4 9 光源机构底座图一3 8 图4 1 0 光源机构俯视图3 8 图4 1 1 调节螺栓的紧固3 9 图4 1 2 样品池机构正视图3 9 图4 1 3 样品池机构俯视图：4 0 图4 1 4 透镜机构左视图4 1 图4 1 5 透镜机构正视图4 1 图4 1 6 滤光片机构4 2 图4 1 7 光电倍增管4 2 南京航空航天大学全日制专业硕士学位论文 第一章绪论昂一早三百t 匕 1 1 引言 水是生命之源，没有水就没有生命。然而随着经济的快速发展和人口数量的急剧膨胀，水 环境问题已经威胁到人类的生存和生活起居。以我国为例，我国每年污水排放量达百万吨之多， 但绝大部分的污水都没有经过处理就直接进行排放造成饮用水污染，饮用水安全问题非常严重。 1 9 9 8 年度我国主要流域( 水系) 中，辽河和海河都受到不同程度的污染，有些河道污染甚至比 较严重；淮河水质也受到污染导致水质比较差；黄河局部河段污染十分严重。我国的三大湖泊 滇池、巢湖、太湖富营养化的问题由来已久并且日益严重。2 0 0 7 年5 月份太湖蓝藻暴发引起的 无锡市自来水危机事件进一步凸现我国湖泊富营养化的严峻局面和蓝藻水华频繁暴发的现状。 1 1 1 蓝藻及其毒素分类 蓝藻，又称蓝细菌，是一种原始而百老的原核生物。蓝藻是藻类的一个门，品种有1 0 0 0 多种，在各种水环境甚至是潮湿的陆地上均可繁衍生息 1 1 。在所有藻类生物中，蓝藻是最简单、 最原始的一种。蓝藻唯一的细胞器是核糖体，含叶绿素a ，数种叶黄素和胡萝卜素，还含有藻 胆素( 是藻红素、藻蓝素和别藻蓝素的总称) 。在长期的进化过程及生态竞争中，蓝藻逐渐形 成了独特的生长优势，一旦水体富营养化就可引发其大规模爆发甚至形成水华。 蓝藻细胞内含有蓝藻毒素，只有在蓝藻腐烂分解或者细胞破裂后，蓝藻毒素才会溢出流到 水体中。被蓝藻毒素污染的水体或者水生动物可能会使人中毒，威胁人的生命健康。目前，已 经发现有近4 0 种 2 】蓝藻能够产生毒素，这些分为神经毒素、肝毒素和肠胃刺激性毒素，它们 对人的细胞、组织、器官等会产生各种不同程度的伤害【3 1 。 图1 1 蓝藻细胞图 量j l 色坚 鼬骧 踞胞质 拟缓 菝穗体 水质在线监测系统的探讨与研究 1 1 2 蓝藻水华的定义及形成机制 目前人们对于蓝藻水华还没有一个明确的界定，“水华”通常是指藻类生物大量繁殖并积 聚在一起使得水体呈现绿色的自然生态现象【4 。水华的形成是水体富营养化的一个特征，随着 水体中氮磷植物量的增加，浮游生物的种类减少，蓝藻逐渐成为优势菌种，往往短时间内就可 能暴发而形成水华。蓝藻水华对淡水水体的危害非常大，而且发生的机率大、多数会产生毒素、 危害性大、持续时间长。 水华“暴发”一般是在高温季节、强光条件和风平浪静时等特定的环境条件【5 】。人们对水 华的认识大多是通过观察和经验得出的，认为水华是在很短的时间内形成的以至很难作出预测。 然而，根据长期的观测，发现在水华暴发前，人们用肉眼就可以观察到在水体中已经存在和分 散着藻类群体。在适宜的环境条件下这些藻类群体上浮、聚集、迁移至水面，由此可见，蓝藻 “水华”并不是因为藻类在很短的时间内大量繁殖造成的。因此，从根本上来说“水华”是一 个慢慢累积并且能够预警的一个过程。 图1 2 蓝藻水华暴发现象 实际上，如果使用显微镜对其进行观察，我们可以观察到在水华暴发前，水体中已存在着 数量庞大的微囊藻群体。而一旦外部环境条件和气候适合，表层以下水体中的藻类群体上浮、 聚集在水表面形成水华。由此，可以推断，在水华暴发前后，同一水域中的叶绿素总量可能就 没有比较大的波动。在大部分时候，这种突然暴长的“水华现象”其前提是水体中已经存在一 南京航空航天大学全日制专业硕士学位论文 定的藻类生物量，在一定的条件下最终积聚到水面形成一定规模的一个过程。因此，蓝藻水华 的瞬时“暴发”只是表观现象的一个假象，其真实情况是一个逐渐发展生长并慢慢累积的过程。 因此，蓝藻“水华”是一个缓慢增加的过程，完全可以对其进行预测。换句话说，“暴发”只 是表面上在比较短的时间内大量水华蓝藻群体的空间位置发生了改变，主要是从水体中迁移到 水体表层或者是由于风的作用，在湖岸的某些地区聚集起来。从整个湖体来看，藻类群体的总 量并没有发生多大的变化。根据生态学的基本原理和对水华的长期观测，蓝藻的生长与水华的 形成可以分为休眠、复苏、生长、上浮和积聚形成水华等4 个主要的阶段旧。根据这个观点， 全方位检测水体中蓝藻浓度，更能有效预警监测蓝藻水华的发生。实时掌握水体数据，可以保 证饮用水源水质安全。 、 1 2 课题研究的目的和意义 1 2 1 课题研究的目的 对蓝藻水华实施有效的预警监测措施，才能保护我们赖以生存的水资源，本文的研究目的 就是对水质在线监测系统进行探讨和研究。该系统的功能是能够实时检测水体中蓝藻浓度。通 过水质在线监测系统提供的蓝藻检测数据可以及时掌握水体的水质状况，从而预警预报重大蓝 藻水华暴发事故。水质在线监测系统投放到待监测的水域中，就类似一个漂浮在水面上的水质 监测站的“前哨”，通过采样系统将水样采集到检测分析系统中，由分析系统对蓝藻细胞特性进 行检测并收集数据信号，通过后续的信号处理系统以及通讯返回给监测站。 1 2 2 课题研究的意义 蓝藻水华的危害极大，其蓝藻毒素对人类的身体健康非常不利。蓝藻毒素从破裂的藻细胞 溢出到水体，饮用水受到污染，藻毒素通过食物链对人类健康造成威胁。微囊藻毒素是一种促 瘤剂，而节球藻毒素是一种致癌物质同。 蓝藻水华已经成为全世界面临的问题之一，在许多富营养化湖泊，夏季发生的蓝藻水华漂 浮在水面，堆积在岸边，并在高温下分解，形成恶臭，严重影响水体的景观。因此，蓝藻水华 的发生给人类和大自然带来的是巨大的损失和灾难。1 8 7 8 年就有报道动物由于饮用含蓝藻的水 而导致死亡的事件：1 9 9 6 年巴西一家透析中心，由于透析液不慎被蓝藻毒素污染，结果1 1 6 名 病人出现异常症状，并且有2 6 人死亡【8 】。近年来，由于误饮或皮肤接触被藻类污染的水体导致 人类出现各种疾病甚至死亡的现象已经屡见不鲜。蓝藻水华对淡水水质危害最为严重，已经对 人类饮用水源构成严重威胁。 我国绝大部分的湖泊和水库都存在j k 体富营养化的问题，其中三大湖泊太湖、巢湖、滇池 的富营养化问题已经严重破坏了湖泊的：生态环境【9 1 ，而且自改革开放以来三个湖泊的水质主要 水质在线监测系统的探讨与研究 污染指数居高不下，个别指标有逐年递增的趋势。现在三个湖泊的水质受污染情况已经十分严 重，以太湖水域水质保护面临的问题为例。其主要问题有： 1 水质受污染的情况越来越严重【】0 】。 2 湖泊富营养化的问题日益恶化，已经有6 的水域变成死水区，水体发臭，无法使用。 3 瑚泊水质污染情况日益恶化，甚至已经影响到太湖周边城市无锡的饮用水的安全。 图1 3 太湖蓝藻暴发导致自来水发臭 对于三大湖存在的环境问题，国家和地方政府都非常重视，已经投入大量资金进行整治， 但水体富营养化程度并没有减轻。像太湖是一个重要的饮用水源，水质的好坏直接关系到几千 万人的健康和生命。因此，对水体尤其是饮用水源进行蓝藻水华监测预警是非常重要的，只有 不断进行相关技术研究才能提高应对蓝藻水华的能力，确保水源水质的安全。 1 3 国内外研究现状 湖泊富营养化是世界性的一个严重问题 12 1 ，经济发达的欧美国家早在2 0 世纪末就已经投 入资金展开对湖泊富营养化问题的研究。1 9 9 5 年瑞典环保局资助了多个关于水体富营养化问 题的研究项目并取得了一定的工作进展。1 9 9 9 年欧盟就开展了蓝藻水华的检测、监测和预报 4 南京航空航天大学全日制专业硕士学位论文 的研刭1 3 】。 水华暴发是一个水体中各种物理、化学和生物过程等因素共同作用的结果，要及时并准确 地对蓝藻水华进行检测、监测及预警将是一项庞大的系统工程。目前用于蓝藻水华检测、预警 监测主要有以下三项技术。 1 3 1 人工采样结合实验室分析 人工定期或不定期采样是目前比较常用的进行水质监测的技术手段1 4 1 ，也是在国家环境监 测总站的环境技术路线中有着明确规定的方法。人工采样方式有其优势：如实验方法成熟、结 果准确、过程严谨( 在实验室内完成) 、校准的操作过程等等。但由于投入以及人力的不足等种 种原因，这种方法在实际的蓝藻监测过程并不能有效地起到预警的作用，主要原因如下： 1 人工采样的频次无法准确及时地捕捉到蓝藻生长乃至暴发过程中的水质变化的细节。在 一般的断面上的监测频次是有限的，而蓝藻从上浮和集聚形成水华暴发仅仅需要几天的时间， 在宽广湖面人工采样的监测频次明显不能准确、及时地反映蓝藻生长、暴发的过程。 2 人工采样很难准确反映水体的真实情况。由于人工采样需要操作人员亲临现场采集水样 并送回实验室进行分析，很难保证水体的一些及时数据不会发生变化，如果运输的路程较远， 即使使用一些专门的设备也很难保证水体不会发生变化。 3 人工采样的成本比较高。由于人工采样需要操作人员亲临现场采集水样，对于湖面宽广 的湖泊来说，就需要船只、车辆等很多附属的设备和设施。如果为了保证一定的采样频次，对 大型的湖泊中的多个采样点进行采集，就需要更多的人力、设备和运营成本。 1 3 2 水质在线监测 在线监测仪器测出的是实时水体数据，避免了检测过程中可能出现的水样的变化情况，并 且使得采样过程更加方便可靠。在线监测技术具备很多优势，如：采样周期短，可以及时反映 水质和流量的变化、自动化程度高，不需要人员的干预等。在安装了在线检测设备的情况下， 可以充分利用浮标、浮船一级固定的水上建筑物进行灵活的布置15 1 。监测人员可以远程获得远 远超过人工采样所能获得的大量的有关水体的信息。根据环境管理的需要和水质监测的目的， 确定监测项目，从而选择检测分析技术及设备。 目前水质在线监测已有自容式监测和垂直剖面监测。自容式监测就是利用自身的电源和数 据存储能力，在某一地点设置检测仪器使其按照设定的时间间隔进行采样测量并记录数据，测 量的结果会存储在仪器的内存当中。经过一段时间的监测后，将测量结果从仪器下载并对仪器 进行维护( 清洁、校准、更换电池等) 后进行下一阶段的监测。保证自容式监测的采样频率很 高，就完全可以保证监测到水质参数变化的过程。而垂直剖面系统是针对不同深度的水质的变 化而专门设计的水质监测系统，依靠绞车和控制系统将检测仪器投放在不同深度的水中来对水 气 水质在线监测系统的探讨与研究 溪薹饕霪瑟鬻鬻鬻雾攀誉蒸鬻爹鬻l 攀鬻攀鬻溪灞 j j 。曩j ? j i 警；j 蓼蓼蠹黪缝j 攀i 。善v 影“薯。u ：i - ：，l 移? 砂爨i _ | j 爹- “参i i ? j 篓j 。 v-“in 掣，i 雾“l j t 。? i 曩一j 图1 4 环境监测浮标 a u v ( a u t o n o m o u su n d e n 7 l ，a t e rv c 加c l e ) 自动水下载具或自治水下机器人16 1 ，是目前利用先进 的测量、定位导航、控制和通信技术，将水质检测仪器和声纳等地形扫描仪器搭载到a u v 这 个平台上，按照事先设定的程序，在水面和特定的水深进行巡航同时收集水质和水下地形数据 的监测平台。它代表了未来水下水质监测发展的方向。 6 南京航空航天大学全日制专业硕士学位论文 1 3 3 卫星遥感技术 图1 5 ：水下自治机器人模型 使用卫星遥感技术来对蓝藻暴发进行监测是近几年获得比较大的应用的一种技术【1 7 】。卫星 遥感技术就是利用卫星上的传感器对地球表面反射或发射的光谱信息进行探测，由于浮游植物 的种类、水中的颗粒和溶解物质的不同，水的光谱特性也有所不同。因此可以根据水的光谱特 性、利用计算机对这些信息的处理分析从而得到地表图像或信息1 8 】。 图1 6 太湖蓝藻卫星遥感图 利用卫星遥感进行各种探测和监测可以对非常大的地理区域进行监测，是了解水华发生地 域的一种效率非常高的技术手段，具有客观、宏观等很多优点1 引。不仅如此，卫星遥感监测技 术还可以对蓝藻水华整个暴发过程进行动态跟踪【2 0 】。 7 水质在线监测系统的探讨与研究 尽管卫星遥感监测有着不可替代的优势，它也有其局限性。卫星遥感监测不能对所有的水 华现象完全有效、只能观测到水面现象，而不能对水下的状况进行检测。如果天气和卫星运行 轨道的影响太大，而云层又比较厚，可能无法观测到有效的观测结果；这样不仅对水华暴发无 法做出有效监测预警，而且卫星遥感技术成本非常高，其分析过程也十分复杂，因此卫星遥感 只在专业机构进行【2 1 1 。 1 4 本文研究内容 本文的研究目的是对水质在线监测系统进行探讨和研究，该系统的主要功能是对水体中蓝 藻浓度进行检测。为实现其核心功能要求，首先必须对蓝藻细胞特性进行了解及研究，以便找 出一些检测蓝藻的方法。因为这套系统的核心就是检测分析系统的结构和组成原理，通过对这 些蓝藻检测方法进行优缺点的对比以及实现的条件和难度等的比较，确定一种比较方便且高效 的检测方法。确定了对蓝藻检测的方法之后，便是对这个系统进行初步设计，本文主要的内容 就是对这个系统的采样系统和检测系统进行初步设计。其中采样系统是本系统的基础机构，负 责将水体中的水质输送到检测分析系统中进行分析，它需要实现的核心要求是能够对水体中不 同深度的水域进行采样，因为预警蓝藻水华的暴发需要全方位地对水域中的蓝藻进行检测。而 检测分析系统则是根据确定好的蓝藻检测方法来设计，不同的蓝藻检测方法对检测分析机构的 要求不一样。蓝藻检测方法确定之后，检测分析的机构设计便有了可以依据的设计原则以及理 论；同时，也明确了设计中各个零件的规格和布局。 总体来说，本文的主要工作就是为实现检测水体中蓝藻浓度的水质监测系统进行探讨和研 究，具体体现在对其中的采样系统和分析系统进行初步的设计，使其能够达到水质监测系统的 基本要求，具备水质监测系统的基本功能。 1 5 本章小结 本章主要介绍了蓝藻、蓝藻水华的界定以及蓝藻水华形成的原因和过程。蓝藻水华的危 害极其严重，不仅严重恶化生态环境，还对人类的饮用水资源构成了严重的威胁。蓝藻水华暴 发是一个全球性的环境问题，它的多次暴发已经给大自然和人类带来了沉重的灾难，因此对蓝 藻水华进行检测、监测和预警是全世界人们共同得的责任。虽然目前已有许多方法应用到水华 蓝藻检测、监测和预警中去，也取得了一定的效果，但是蓝藻水华暴发是一个非常复杂的过程， 因此需要不断研究和改进其监测机制，以便更加有效对其预警。 8 南京航空航天大学全日制专业硕士学位论文 第二章水质在线监测系统 2 1 水质在线监测系统 2 1 1 水质在线监测系统定义 随着水环境的日益恶化以及人们对水资源要求的日益提高，对水环境监测的效率和准确性也越 来越高。水质的信息时效性非常强，随时处在变化之中，因此对水质的预警预报应做到快速、准确、 实时。为弥补传统监测方式对快速和实时预警的要求的不足，水质在线监测应用而生。 所谓水质在线监测系统，以在线自动分析仪为核心，运用自动控制和测量技术、现代传感 器技术、计算机应用技术、通讯网络以及相关的专用分析软件等构成的一个综合性的系统【2 2 】。 水质在线监测系统正好可以弥补传统的人工巡检的监测方式的不足，提高了水质监测的即时眭、 全局性、连续性以及减小了人为的误差。水质在线监测系统的应用实现了对水质进行长期实时 的监测要求，对水体的信息进行远程分析，掌握最新的水体变化动态，有效预警水体水华蓝藻 等污染的暴发。 2 1 2 水质在线监测系统的组成及其功能 一套完整的水质在线监测系统能快速、准确、实时地监测出待检测水体的信息数据。通过 通讯网络，可得到待检测区域内的各项实时数据并进行分析统计，以使得对区域内的水体进行 相应的预警。一般来说，完整的水质在线监测系统应包括在线分析仪( 分析单元) 、采样系统( 采 水单元) 、信号采集与处理系统( 数据处理及传输单元) 、电源系统( 供电单元) 以及辅助系统 ( 保护单元) 。 图2 1 常规水质检测仪 砖元 9 水质在线监测系统的探讨与研究 本系统主要由采样系统、光学检测系统、信号采集和处理、控制系统等四个单元组成。组 成系统整体的各个单元各司其职，各尽其能，相互独立，相互关联，联动运行，缺一不可。根 据实际的监测需求和地域情况的不同，可将测量的结果存储在系统的内存当中，经过一段时间 的监测后，将测量结果从系统下载然后在计算机内进行分析。如果需要获得监测到的实时数据， 可在系统安装r s 2 3 2 或r s 4 8 5 的接口，使得和远程控制监测中心构成一个通讯系统，这样也可 大大提高水质监测的速度和力度。 通讯接口 图2 2 系统功能组成图 采样系统是水质在线监测系统的基础环节，它是否正常工作，直接影响到后续的在线水质 检测分析环节所测得的数据的准确性、稳定性。其任务是采集有代表性的水样，使得检测分析 数据尽可能反映实际数据。根据检测分析系统的要求，在控制系统的控制下，连续稳定地采集 目标区域的水样，并经过预处理，向光学分析系统供水。采样系统主要由蠕动泵、采样管道、 采样口等部分组成。在控制系统作用下，预先设定启动及停止、系统调节、正常运行和系统清 洗等程序。 就水质在线监测系统而言，光学检测系统就相当于检测仪器，在线监测系统可以说成是由 检测分析系统和其他配套系统组成的一个系统。本系统的在线检测系统是一个针对水质中蓝藻 浓度检测的分析仪，目前已经有许多成熟的方法能够实现分析水质中蓝藻浓度的方法。在选择 检测蓝藻的方法，必须考虑该方法是否方便可靠和是否能够进行野外无人检测以及是否能够连 续检测等进行选择。光学分析系统是水质在线监测系统的核心，要完成在线监测任务，需要配 套单元的合作。 控制系统是整个水质在线监测系统的“大脑”，几乎每个功能系统都是在控制系统的作用下 自动、联动、有序、相关联的。依据采样、预处理、检测分析的要求，控制系统需要对采样系 统进行流程控制。对于检测分析系统输出的信号，控制系统按照预定的时钟分配进行数据采集 1 0 南京航空航天大学全日制专业硕士学位论文 并进行处理，然后根据需要存储到数据存储器中或者通过通讯接口发送给远程控制中心。 数据采集和处理系统的任务主要是现场采集数据，对检测分析仪中的信号进行信号转换， 并滤掉无用和干扰信号，以得到能够表征蓝藻细胞的有用信号。信号通过a 巾转换，得到有效 数据并分析。 水质在线监测系统能够对整个运行过程进行控制，尤其是在采样、检测、信号处理等主要 环节上实现全自动控制，从而确保了检测分析结果四个性能要求： 1 代表性：指在有代表性的时间、地点，并按预定的采样要求采集的有效样品，其特性能 够反映总体的真实状况。 2 完整性：指保证按预期计划取得有系统性和连续性的有效样品，无缺漏地获得这些样品 的监测结果。 3 可比性：指水质在线监测系统与其他实验室之见对同一样品的检测分析结果能互相可比。 4 准确性：指监测结果( 测量值) 与真值得符合程度。 2 1 3 水质在线监测系统的设计要求 为了使水质在线监测系统能可靠、稳定、长周期地运行，并确保检测分析结果满足四个性 能要求，在设计水质在线监测系统时必须用系统论的观点进行设计。系统是由主系统和辅助系 统两大部分组成，各单元相对独立又相互关联，并且是在控制系统作用下联动运行，在设计时 要确保系统的成套性、完整性，缺一不可。一般来说，水质在线监测系统的设计需要注意一下 几个要点： 1 要较全面地反映目标监测水域，检测点布置精简合理，采样方式选择恰当。应在整个流 通断面上合理设置采样点，即采样系统要能采到有代表性的平均水样。 2 采样系统是水质在线监测系统的基础环节，直接影响到后续的检测结果的有效性，因此 采样系统应能在各类湖泊复杂环境下依旧正常工作或不致被损坏；采样系统的结构要便于泵的 安装及维护。 3 在水质在线监测系统中，一般要对所采的水样进行预处理，预处理的目的是将水样中的 某些杂质过滤而又不改变水样的代表性。 4 水质在线监测系统应选择成熟的检测方法。因为检测方法是检测分析的关键，检测分析 机构要具有原理先进，性能稳定、可靠，精确度高，操作简便，便于维护，适用于在线运行的 特点。 5 管线布置通畅合理，管材选择确保系统能长周期运行。 6 要提高系统自动化程度，做到自动采样、自动分析以及数据记录和输出。 水质在线监测系统的探讨与研究 2 2 蓝藻检测方法 本文研究的水质在线监测系统是针对水体中蓝藻浓度进行检测，那么必须选择一种成熟的 检测蓝藻的方法，这是实现整个系统的第一个关键所在。目前用于检测蓝藻的方法主要有传统 的显微镜法 2 3 1 和荧光分析法【2 4 】。 2 2 1 显微镜法 显微镜法是对水体中蓝藻细胞检测的传统方法，此种方法原理简单，其过程大致是将水样 采集到实验室中加以浓缩固定，然后在显微镜下进行观察，通过观察计算得出蓝藻细胞的数目。 这个方法显然达不到对水体中水华蓝藻监测预警的要求，整个检测过程耗费时间长，使得测得 的数据也不具有时效性，同时水样经过浓缩可能会导致水样信息发生变化从而使得测得的数据 不准确。传统的显微镜法检测蓝藻要求检测人员的经验比较丰富，而技术人员的工作经验不一 样，导致检测所得的结果就会有很大的差异。由此可见，传统的显微镜法不仅需要投入大量的 人力和时间，而且还无法满足对蓝藻水华进行快速、准确和实时地进行监测预警的要求。 随着显微技术的发展，目前已有倒置显微镜法应用到蓝藻检测中。倒置显微镜法主要仪器 由倒置显微镜( 目镜中带有计数框) 、样品沉淀器( 沉淀柱) 、鲁哥氏溶液等组成。倒置显微镜 计数法能够检测出样品中的大多数类别，以便能较为全面地反映样品的种群分布，有利于更详 细掌握水质情况。倒置显微镜法对蓝藻进行计数检测还具有水样量小、准确度高、变异系数小、 能较为全面地反映样品的种类分布情况等优势，比较适用于生产和科研检测中。 2 2 2 荧光分析法 近年来，在其它学科迅速发展的影响下，随着激光、光纤技术、光电传感检测技术和微处 理机等一些新的科学技术的引入，大大推动了荧光分析法的发展，使其不断朝着高效、微观和 自动化的方向发展，方法的灵敏度、准确性和选择性也日益提高，如今，荧光分析法己经发展 成为一种重要且有效的光谱化学分析手段。 所谓荧光分析法，就是指根据物质的分子荧光光谱进行定性分析，以荧光强度进行定量分 析2 卯。吸收某种波长的光后发射出比原来吸收波长更长的光的现象称为光致发光，最常见的光 致发光现象是荧光和磷光。荧光根据分析对象分为原子荧光和分子荧光：根据激发光的波长范 围又可分为紫外可见荧光、红外荧光和x 射线荧光。 荧光分析法与u v v i s ( 紫外可见吸收光谱) 的主要区别在于：紫外一可见分析是利用紫外光 照射物质后产生吸收，测其吸光度；而荧光是在透射光的垂直方向测发射荧光的强度，以免透 射光干扰。简单的说，二者的区别主要在于光路不同。下面主要介绍荧光分析法的基本原理， 主要包括荧光产生的原理、光谱特征和影响因素。 1 2 南京航空航天大学全日制专业硕士学位论文 分子荧光的产生： 1 分子的激发态：单线激发态和三线激发态 大部分分子含有电子数为偶数，在基态时，这些电子以成对的形式存在于原子或者分子轨 道中，成对自旋，方向相反，电子净自旋等于零：s = 1 2 + ( 1 2 ) = o ，其多重性m ( 磁量子数) = 2 s + 1 = 1 ，因此，分子是抗( 反) 磁性的，其能级即使受到外界磁场的干扰也不会分裂，称作 “单线态”。当基态分子的一个成对电子在吸收光辐射后受到激发，从而跃迁到能量较高的轨道 上，如果它的自旋方向不改变，即a s = 0 ，那么此时的电子虽然是被激发了，但是其形态仍是 单线态，称作“单线( 重) 激发态”。如果电子在跃迁过程中，还伴随着自旋方向的改变，这时的 电子便成了两个自旋不配对的电子对，电子净自旋就不可能为零，而等于1 ：s = 1 2 + l 2 = 1 ， 其多重性：m = 2 s + 1 = 3 ，即分子因为磁场的影响产生能级分裂，这种受激态称为“三线( 重) 激发 态”。“三线激发态”比“单线激发态”能量稍低。 能 旦 里 图2 3 单线基态( a ) 、“单线激发态( b ) ”和“三线激发态( c ) ” 2 荧光的产生 处于激发态的分子不稳定，在较短的时间内可通过不同途径释放多余的能量回到激态；这 个从不稳定状态返回到基态的过程称为“去活化”，这些途径主要有以下六种： ( 1 ) 振动弛豫：在溶液中，“激发态”的溶质分子与溶剂分子间产生碰撞，溶质分子把一 部分能量以热能的形式传递给溶剂分子( 环境) ，在1 0 。1 1 0 1 3 秒时间回到同一电子激发态的最 低振动能级，这一过程称为振动弛豫。 ( 2 ) 内部能量转换：如果受激分子以无辐射跃迁方式从较高电子能级的较低振动能级转移 至较低电子能级的较高振动能级上，这个过程叫内部能量转换，简称内转换。内转换在激发态 1 3 水质在线监测系统的探讨与研究 与基态之间不易发生，而在两电子激发态能级非常靠近以至其振动能级有重迭，能量相差较小 时容易发生。 ( 3 ) 外部能量转换：如果溶液中激发分子通过碰撞将能量转移给溶剂分子或其它溶质分子 ( 常以热能的形式放出) ，而直接回到基态的过程叫作外部能量转换，简称外转换。 ( 4 ) 体系间跨越：处于激发单重态较低振动能级的分子有可能发生电子自旋反转而使分子 的多重性发生变化，经过一个无辐射跃迁转移至激发三重态的较高振动能级上，这一过程称为 体系间跨越。分子中有重原子( i 或b r ) ，由于自旋轨道的强偶合作用，电子自旋可以逆转方 向，发生体系间跨越从而使荧光减弱。 ( 5 ) 荧光发射：当激发分子通过振动弛豫达到第一电子激发单重态的最低振动能级后，再 以辐射形式发射光。量子而返回至基态的各个振动能级时，所发射的光量子即为荧光。由于振 动弛豫和内转换损失了部分能量，荧光的能量小于原来吸收紫外光( 激发光) 的能量，所以发 射的荧光波长总比激发光波长更长 2 6 1 。 ( 6 ) 磷光的产生：受激分子经激发单重态到三重态体系间跨越后，很快发生振动弛豫，到 达激发三重态的最低振动能级，分子在三重态的寿命较长( 1 0 。4 1 0 s ) ，所以可延迟一段时间， 然后以辐射跃迁返回基态的各个振动能级，这个过程所发射的光即为磷光。 孵糟臻_ 黼 五声_ 一 。it 塑一 ! i 簇 ； | 一萋j 矿n i l l 1 | l ；l jl， 知 囔救 岛奄 啜牧蓰凳 知 瓣跫 图2 4 分子吸收和发射过程的能级图 图中：s 卜分子的基态，s 1 木第一电子激发单重态，s 2 木一第二电子激发单重态，t l l 第一电子激发三重态 荧光和磷光的主要区别在于：就发光机制而言，荧光是由单重态一单重态的跃迁产生的： 而磷光是由三重态一单重态的跃迁产生的；如用实验现象加以区别，对荧光来说，当激发光停 1 4 南京航空航天大学全日制专业硕士学位论文 止照射时，发光过程随之消失( 1 0 一1 0 巧秒) ；而磷光则将延续一段时间( 1 0 一1 0 秒) 。磷光的 能量比荧光小( 因三重态的能量比单重态的低) ，波长较长，发光的时间也较长。 激发光谱与荧光光谱：荧光物质分子的两个特征光谱。 由光源发出的紫外光，通过激发分光系统分光后照射到样品，样品受激发射荧光，在垂直 方向检测荧光信号，以免透射光的干扰。这部分荧光再通过发射分光系统后进入检测器。 o 一圆一：争 狭缝 圆与j 一回 、 图2 5 荧光分析检测示意图 激发光谱就是将激发荧光的光源用激发分光系统1 分光，测定每一激发波长所发射的荧光 强度，然后用f 沁x 作图。使激发光的波长和强度不变，而让物质所产生的荧光通过发射分光 系统分光，测定每一发射波长荧光强度f ，以f 沁m 作图，得到的就是荧光光谱。溶液荧光 光谱通常具有如下特征： 1 斯托克斯位移：荧光发射波长总是大于激发波长的现象。产生斯托克斯位移的原因，是 因为分子受激时可能被激发到各级电子激发态的各个振动能级，而发射荧光时，总是从第一激 发态的最低振动能级回到基态，有一部分能量损失。 2 荧光光谱的形状与激发波长无关：因为分子受激时，可能被激发到第一激发态或第二、 三激发态，而发射荧光时，只能从第一激发态最低振动能级回到基态的各个振动能级2 7 1 。 3 荧光光谱与激发光谱的镜像关系：因为电子从基态跃迁至激发态时，可跃迁至激发态的 各个振动能级，而引起的这些小峰，而荧光光谱是从第一激发态的最低振动能级跃迁至基态各 个振动能级。两个能级的振动能级相似，所以在激发光谱中跃迁能量最小的与荧光光谱中发射 能量最大的相对应，激发光谱是以s 0 = o 卜s 1 木= 1 ，2 ，3 ，4 ) ，荧光光谱是以 s 1 木= 0 卜s 0 ( v _ - l ，2 ，3 ，4 ) 。由于荧光能量小在长波段，激发光谱能量大在短波段，所以它们之 间形成镜像。 影响荧光强度的外界因素有： 1 温度：随着温度降低，荧光强度增加。所以一般尽量在低温下测定，以提高灵敏度【2 8 。 2 溶剂：荧光波长随着溶剂极性的：增大而长移，荧光强度也增强。这是因为在极性溶剂中 开矿跃迁能量降低，且跃迁几率大，故贺增大，荧光增强，波长长移。当溶剂粘度减小时， 分子间的碰撞几率增加，荧光减弱。含；旨重原子的溶剂如四溴化碳和碘乙烷等，也可使化合物 的荧光大大减弱。另外，溶剂如能与分二f 形成稳定的氢键，将使处在s 1 木( v = o ) 的分子减少， 从而减弱其荧光。 1 5 水质在线监测系统的探讨与研究 3 p h 值：当荧光物质本身是弱酸或弱碱时( 即结构中有碱性或酸性基团) ，溶液的p h 对 荧光强度有很大的影响，所以要注意控制一定的p h 值。 4 荧光熄灭剂：由于荧光物质分子与溶