ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2014, № 3, с. 97-103
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ ДЛЯ ЭКОЛОГИИ, МЕДИЦИНЫ, БИОЛОГИИ
УДК 621.383
ОПТОВОЛОКОННЫЙ ФЛУОРИМЕТР ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ФОТОСИНТЕЗА ФИТОПЛАНКТОНА
© 2014 г. С. С. Вознесенский, Е. Л. Гамаюнов, А. Ю. Попик, А. А. Коротенко
Институт автоматики и процессов управления ДВО РАН Россия, 690041, Владивосток, ул. Радио, 5 E-mail: gamayunov@iacp.dvo.ru Поступила в редакцию 27.06.2013 г.
Описана разработанная в Институте автоматики и процессов управления ДВО РАН модель флуори-метра, предназначенного для измерения параметров фотосинтеза фитопланктона и концентрации хлорофилла-а в морской воде in vivo в широком диапазоне глубин. Особенностью флуориметра является использование оптоволоконных датчиков для измерения флуоресценции, температуры и глубины. Приводится описание структуры и конструкции флуориметра, обсуждаются результаты измерений параметров фотосинтеза, полученные в ходе ряда экспедиций, проведенных в Японском море осенью 2012 г.
DOI: 10.7868/S0032816214020220
ВВЕДЕНИЕ
Деятельность человека приводит к изменению климатических условий и экологического состояния планеты. Естественным и надежным индикатором таких изменений являются микроводоросли — фитопланктон. Именно поэтому мониторингу состояния фитопланктона уделяется большое внимание при изучении и оценке экологического состояния мирового океана и биосферы в целом [1]. Исследования фитопланктонных сообществ ведутся уже длительное время. Методики исследований претерпели значительные изменения — от лабораторных исследований, включающих в себя высушивание, фильтрацию и титрование, до флуоресцентной и спутниковой спектроскопии. Для корректной интерпретации данных, полученных со спутниковых измерителей, необходимо выполнять их калибровку, для чего проводят измерения с помощью погружаемых и проточных спектрометров, использующих метод лазерно-индуцированной флуоресценции (л.и.ф.) [2—6].
Такие приборы позволяют выполнять точечные измерения концентрации хлорофилла-а в широком диапазоне глубин, при этом на результаты измерений не влияют погодные условия или волнение моря. Спектрометрические измерения погружаемыми и проточными спектрометрами также позволяют учесть и устранить ошибку определения концентрации хлорофилла-а, которую вносит флуоресценция растворенного органического вещества [7]. Мертвые и больные клетки фитопланктона, частицы водорослей и растений также содержат хлорофилл-а. Их флуоресценция вносит дополнительную ошибку в оценку концентрации микроводорослей.
Сведения только о концентрации хлорофилла-а не позволяют однозначно оценить экологическое состояние водоемов. Чрезвычайно важна оценка физиологического состояния фитопланктона, которую можно получить, изучая процессы его жизнедеятельности. Наиболее важным из них является процесс фотосинтеза, который присущ только живому и активному фитопланктону. Поскольку фотосинтез сопровождается поглощением и излучением световой энергии, то для его изучения очень удобными оказались флуоресцентные методы.
С помощью таких параметров фотосинтеза, как квантовый выход, фото- и нефотохимическое тушение флуоресценции, присущих только живым клеткам фитопланктона, можно оценить его физиологическое состояние. Выполняя измерения флуоресцентного отклика при определенных режимах возбуждения в зависимости от выбранного метода, можно рассчитать параметры фотосинтеза [8, 9]. Ниже приведены параметры флуоресценции, которые можно измерить с использованием описываемого в данной работе метода импульсной амплитудной модуляции:
— минимальная флуоресценция (интенсивность флуоресценции хлорофилла при ненасыщающем фотосинтез возбуждающем свете);
— максимальная флуоресценция (интенсивность флуоресценции хлорофилла при насыщающем фотосинтез возбуждающем свете);
— максимальная флуоресценция в присутствии актиничного света В' (интенсивность флуоресценции хлорофилла в отсутствие фотохимического тушения);
7
97
Параметры фотосинтеза фитопланктона
Обозначение параметра Определение Формула
Фт Квантовый выход фотохимии (эффективность первичных процессов фотосинтеза) Ф т = рт - ро р т
дР Коэффициент фотохимического тушения (часть энергии, которая тратится на фотосинтез) дР = р' - р * т - рт- ро'
дМ Коэффициент нефотохимического тушения (часть энергии, которая тратится на прочие процессы, например, тепловое излучение) дЫ = р - р' т т рт - р0
— стационарная флуоресценция в присутствии актиничного света /"(интенсивность флуоресценции хлорофилла в присутствии всех видов тушения);
— минимальная флуоресценция в присутствии актиничного света р0' (интенсивность флуоресценции хлорофилла в отсутствие тушения).
Используя измеренные значения флуоресценции, можно рассчитать параметры фотосинтеза фитопланктона, наиболее важные из которых приведены в таблице.
Значения указанных параметров фотосинтеза и характер их изменения позволяют выполнять раннюю и качественную диагностику экологического состояния акваторий и окружающей среды [8].
ОПИСАНИЕ ОПТОВОЛОКОННОГО ФЛУОРИМЕТРА
Разработанный оптоволоконный флуориметр предназначен для определения параметров фотосинтеза фитопланктона в водной среде на глубине от 0 до 100 м. Измерения флуоресценции и физических параметров воды выполняются с помощью оптоволоконных датчиков, установленных в погружаемый модуль. Обработка сигналов с датчиков и накопление данных осуществляются бор-
товой измерительной системой. Связь погружаемого модуля с бортовым комплексом выполняется по оптоволоконному кабелю. Сматывание и наматывание кабеля при глубинах до 30 м осуществляется вручную. При выполнении измерений на глубинах более 30 м спуск и подъем модуля осуществляют при помощи специальной лебедки, описанной ранее в статье [7]. Структурная схема оптоволоконного флуориметра приведена на рис. 1.
Измерительный комплекс разделен на бортовую и погружаемую части, соединенные между собой кабель-тросом. Бортовая часть включает в себя бортовой модуль и лебедку. Бортовой модуль состоит из генератора оптического излучения, фотоприемного устройства (ф.п.у.), блока питания и персонального компьютера. Свет от генератора оптического излучения направляется по одному из оптических волокон диаметром 600 мкм в датчик флуоресценции, установленный в погружаемый модуль. Флуоресцентное излучение попадает в приемное оптоволокно, по которому передается на ф.п.у. Здесь сигнал регистрируется при помощи ф.э.у., усиливается и в цифровом виде передается на персональный компьютер для обработки.
Бортовой модуль
Лебедка
Кабель
Погружаемый модуль
10
Ц
11
и
12
13
9
14
2
1
3
5
4
Рис. 1. Структурная схема оптоволоконного флуориметра. 1 — персональный компьютер; 2 — генератор оптического излучения; 3 — фотоприемное устройство; 4 — привод лебедки; 5 — радиомодемы; 6—8 — блоки опроса оптоволоконных датчиков; 9 — блок управления устройством прокачки воды; 10—13 — волоконно-оптические датчики; 14 — устройство прокачки воды.
ПОГРУЖАЕМЫЙ МОДУЛЬ
Эскиз макета погружаемого модуля приведен на рис. 2. Погружаемый модуль разделен на две части: проточную и герметичную. В проточной части корпуса размещены оптоволоконные датчики 1, 2, 4, в герметичной части — статор насоса и аккумулятор. Вращающийся ротор насоса осуществляет прокачку воды через проточную часть.
Датчик флуоресценции 2 защищен от попадания рассеянного солнечного света с помощью двух лабиринтов, проектирование которых выполнялось по методике, изложенной в [1]. Рассчитанное ослабление солнечного света в лабиринте составило 1012 раз (120 дБ). Прокачка воды через лабиринты обеспечивается насосом, вращающийся ротор которого вынесен в проточную часть. Ротор приводится в движение вращающимся магнитным полем, создаваемым находящимся в герметичной части статором насоса.
Вода попадает в лабиринт через боковые отверстия и направляется в проточную часть, где расположены оптоволоконные датчики. Насос включается блоком управления, на который через иллюминатор подается оптический сигнал по оптическим волокнам датчика флуоресценции. Время работы насоса определяется аппаратным реле времени.
Габаритные размеры погружаемого модуля: 115 мм в диаметре и 500 мм в высоту; корпус модуля выполнен из анодированного алюминия.
В качестве датчиков давления и температуры применены преобразователи на брэгговских решетках производства Welltech Instrument Company Ltd. Датчик температуры марки FBG-T-1550 обеспечивает диапазон измерения температуры от —20 до 85°С. Точность измерения температуры 1 ± 0.1°С. Размеры датчика: 08 мм, длина 100 мм. Датчик давления FBG-P-1540 имеет динамический диапазон измерения давления от 0 до 10 атм. Точность измерения давления 0.3 ± 0.05% от измеряемой величины. Размеры датчика: 030 мм, длина 120 мм.
Оптоволоконный датчик флуоресценции состоит из трех многомодовых кварцевых волокон со ступенчатым профилем показателя преломления и минимальным коэффициентом затухания в области видимого света. Оптические волокна в датчике расположены таким образом, чтобы обеспечить максимальное пересечение апертур приемного и двух излучающих волокон. Диаметр оптических волокон датчика флуоресценции 600 мкм.
БОРТОВОЙ МОДУЛЬ
В качестве опрашивающего устройства датчиков давления и температуры используется модуль FBGT-200-1008 компании Redondo Optics Inc., который обеспечивает прием, передачу и обра-
5 7
1 2
3
Рис. 2. Эскиз макета погружаемого модуля. 1 — датчик глубины; 2 — датчик флуоресценции; 3 — модуль прокачивающего насоса; 4 — датчик температуры; 5 — кабель-трос; 6 — корпус погружаемого модуля; 7 — крепежный фланец.
ботку данных волоконно-оптических датчиков на брэгговских решетках. Устройство работает с датчиками на длинах волн 1538 и 1548 нм. Ширина измерительных каналов на каждой длине волны равна 2 нм, при этом разрешающая способность приемника FBGT-200-1008 составляет 5 пм.
В качестве приемника оптического сигнала в бортовом модуле использовано ф.п.у. компании ЛОМО ФОТОНИКА. Ф.п.у. содержит ф.э.у., а.ц.п., высоковольтный усилитель, фильтр для отсечки длины волны источника оптического излучения, фланец для подключения оптического волокн
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.