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專利名稱：海洋浮游生物粒徑譜現(xiàn)場檢測儀的制作方法

技術(shù)領(lǐng)域：

本發(fā)明涉及一種海洋浮游生物的檢測設(shè)備，尤其是涉及一種海洋浮游生物粒徑譜現(xiàn)場檢測儀。

背景技術(shù)：

海洋生態(tài)系統(tǒng)中的各物種通過攝食關(guān)系形成復(fù)雜的食物網(wǎng)，利用傳統(tǒng)的方法難以對整個生態(tài)系統(tǒng)進行準確的描述(周林濱，譚燁輝，黃良民，等.水生生物粒徑譜/生物量譜研究進展[J].生態(tài)學(xué)報，2010，(12) =3319-3333 ;王新剛，孫松.粒徑譜理論在海洋生態(tài)學(xué)研究中的應(yīng)用[J].海洋科學(xué)，2002，(4) :36-39)。粒徑譜理論將浮游生物按照粒徑大小進行分類，在同一條曲線中建立起浮游生物生物量及其粒徑大小之間的簡單對應(yīng)關(guān)系，簡化了食物網(wǎng)，成為描述海洋生態(tài)系統(tǒng)的重要手段。光學(xué)顯微鏡方法是粒徑譜研究中最常用的技術(shù)手段，其通過光學(xué)顯微鏡鑒定浮游生物，并進行人工計數(shù)，進而構(gòu)建海洋浮游生物粒徑譜。光學(xué)顯微鏡方法雖然誤差小，然而由于其費時費力，難以形成連續(xù)的粒徑譜，不適用于浮游生物的現(xiàn)場檢測(吳成業(yè)，焦念志.海洋浮游生物粒徑譜分析技術(shù)[J].高技術(shù)通訊，2005，15 (04) :71-74)。也因此，受到技術(shù)手段的限制，粒徑譜理論在相當(dāng)長的時間處于停滯狀態(tài)，直到1967年Sheldon和Parsons首次將庫爾特計數(shù)器應(yīng)用于薩尼奇灣海水中顆粒物質(zhì)的研究(Sheldon R ff,Parsons T R. A continuous size spectrum for particulate matter in the sea [J]· Journal of the Fisheries Research Board of Canada，1967，24 : 909-915)，粒徑譜理論才得到人們的關(guān)注，并逐漸成為海洋生態(tài)學(xué)研究的熱點。

然而庫爾特計數(shù)器是根據(jù)顆粒在電解液中引起的電阻變化來測量顆粒大小，無法分辨浮游生物與非生物顆粒物，這也限制了其在海洋生態(tài)系統(tǒng)研究中的應(yīng)用。新近研究將流式細胞技術(shù)與顯微成像技術(shù)結(jié)合起來，以數(shù)字化成像技術(shù)為基礎(chǔ)， 構(gòu)建海洋浮游生物的粒徑組成和數(shù)量分布關(guān)系，展示了流式圖像技術(shù)在粒徑譜理論研究中的應(yīng)用前景。然而，現(xiàn)有的儀器設(shè)備，如流式圖像及顯微成像系統(tǒng)(FlowCAM,Fluid-Imaging Technologies, Inc. ,USA)僅僅是將圖像信息和熒光信息保存起來，需要人工對圖像信息進行識別，后續(xù)數(shù)據(jù)處理工作量大，無法現(xiàn)場得到海洋生態(tài)系統(tǒng)的粒徑譜信息；與此同時，粒徑計算誤差大，僅僅是通過像素面積換算得到粒徑大小，嚴重影響了粒徑譜信息的準確性。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)的上述缺點，提供一種海洋浮游生物粒徑譜現(xiàn)場檢測儀。本發(fā)明設(shè)有流路系統(tǒng)、圖像系統(tǒng)、光路系統(tǒng)和控制電路；所述流路系統(tǒng)設(shè)有樣品池、流動室和蠕動泵，所述樣品池、流動室和蠕動泵依次排列，所述樣品池、流動室和蠕動泵相互之間通過管道連接粒徑檢測儀，所述蠕動泵通過串口與控制電路連接，接受系統(tǒng)軟件的指令，實現(xiàn)儀器的自動化分析；所述圖像系統(tǒng)設(shè)有LED攝像光源、物鏡、第2分光鏡、目鏡和CXD相機，所述LED攝像光源為圖像系統(tǒng)提供所需的攝像光源，在圖像系統(tǒng)中，浮游生物細胞在蠕動泵的驅(qū)動下， 到達流動室，在流動室中，浮游生物細胞被LED攝像光源照射，其圖像信息通過物鏡、第2分光鏡和目鏡，被CCD相機所采集；而經(jīng)過物鏡和目鏡的光學(xué)放大和CCD相機的數(shù)碼放大，浮游生物細胞圖像信息也得到了適當(dāng)?shù)姆糯螅瑵M足圖像識別的要求；所述光路系統(tǒng)設(shè)有激光器、光束整型器、第I分光鏡、第3分光鏡、濾光片、第I突光檢測器、濾光片和第2熒光檢測器，所述激光器發(fā)出的激光油漆檢測儀，經(jīng)過光束整型器的整型，形成扁橢圓形的光斑，在第I分光鏡的折射下，經(jīng)物鏡照射到流經(jīng)流動室的浮游生物細胞，激發(fā)浮游生物細胞體內(nèi)的葉綠素、藻紅素等色素發(fā)出熒光，浮游生物細胞發(fā)出的熒光信號依次通過物鏡、第I分光鏡、第2分光鏡到達第3分光鏡，在第3分光鏡的作用下，一部分熒光信號通過濾光片到達第I熒光檢測器，另一部分熒光信號通過濾光片到達第2熒光檢測器；通過第I熒光檢測器和第2熒光檢測器檢測到的熒光信號，可以獲得流經(jīng)流動室的浮游生物細胞數(shù)量及其色素組成。

所述控制電路與流路系統(tǒng)中的蠕動泵、圖像系統(tǒng)中的LED攝像光源和(XD相機以及光路系統(tǒng)中的第I熒光檢測器和第2熒光檢測器連接，控制電路不僅控制蠕動泵的工作， 而且控制圖像系統(tǒng)的圖像采集與光路系統(tǒng)中第I熒光檢測器和第2熒光檢測器對于熒光信號的采集，與此同時，將圖像信息與熒光信號一一對應(yīng)粒徑檢測儀，在電路水平上實現(xiàn)流式細胞分析技術(shù)與顯微成像分析技術(shù)的耦合。系統(tǒng)軟件則為儀器與技術(shù)人員之間提供了良好的交互界面，包括儀器參數(shù)控制、 圖像信息采集與存儲、熒光信號采集與存儲模塊以及數(shù)據(jù)分析模塊等四大功能模塊。其中儀器參數(shù)控制功能模塊主要負責(zé)儀器參數(shù)的設(shè)置，對流路系統(tǒng)、圖像系統(tǒng)、光路系統(tǒng)以及控制電路進行交互與控制；圖像采集與存儲功能模塊主要負責(zé)圖像系統(tǒng)中圖像信息的采集、 顯示與存儲，并將圖像信息傳輸?shù)綄＜易R別數(shù)據(jù)庫進行識別與處理；熒光采集與存儲功能模塊主要負責(zé)光路系統(tǒng)中熒光信號的采集、顯示與存儲，并與專家識別數(shù)據(jù)庫結(jié)合，為專家識別數(shù)據(jù)庫的準確識別提供熒光方面的信息；數(shù)據(jù)分析功能模塊主要負責(zé)整合圖像系統(tǒng)、 光路系統(tǒng)以及專家識別數(shù)據(jù)庫的信息，對浮游生物粒徑譜進行分析，并對分析結(jié)果進行展不與存儲。專家識別數(shù)據(jù)庫的功能主要是對圖像系統(tǒng)采集的圖像信息進行識別，檢測出其中的浮游生物圖像信息，在此基礎(chǔ)上，提取其特征，并結(jié)合光路系統(tǒng)采集的熒光信息對浮游生物進行識別，獲得浮游生物各個類群的豐度。

與此同時，根據(jù)浮游生物的圖像特征，構(gòu)建浮游生物的三維模型，得到浮游生物準確的粒徑信息和體積信息。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)浮游生物的粒徑信息、豐度信息以及體積信息，構(gòu)建浮游生物的粒徑譜。與已有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下突出的優(yōu)點本發(fā)明將流式細胞技術(shù)與顯微成像技術(shù)耦合起來，結(jié)合計算機圖像識別，構(gòu)建海洋浮游生物的三維模型，可以實現(xiàn)對海洋浮游生物粒徑譜的現(xiàn)場實時檢測。與傳統(tǒng)的光學(xué)顯微鏡方法相比較，本發(fā)明利用樣品池、流動室和蠕動泵構(gòu)建的流路系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對樣品的現(xiàn)場連續(xù)檢測；而流式細胞技術(shù)的熒光信號，結(jié)合浮游生物圖像特征的識別，可以自動檢測出浮游生物細胞，省去人工尋找浮游生物細胞的過程，這在浮游生物濃度較低的情況下，優(yōu)勢更為明顯；而專家識別數(shù)據(jù)庫的應(yīng)用，更使得本發(fā)明無需專業(yè)知識支撐，即可自動構(gòu)建海洋浮游生物粒徑譜，省去了傳統(tǒng)光學(xué)顯微鏡技術(shù)繁雜的后期數(shù)據(jù)處理，實現(xiàn)海洋浮游生物粒徑譜的現(xiàn)場實時檢測。相比于經(jīng)典的庫爾特計數(shù)器方法無法區(qū)分浮游生物與非生物顆粒，本發(fā)明有兩大技術(shù)來區(qū)分浮游生物與非生物顆粒一方面，本發(fā)明可以采集浮游生物的熒光信號，利用熒光信號上的差異，來區(qū)分浮游生物與非生物顆粒；另一方面，本發(fā)明可以采集浮游生物的圖像信息，可以通過分析圖像特征來區(qū)分浮游生物與非生物顆粒。

與此同時，對于庫爾特計數(shù)器方法特別看重的樣品的均勻性，本發(fā)明可以利用生物統(tǒng)計學(xué)的方法，通過采集具有統(tǒng)計學(xué)意義的數(shù)據(jù)來確保數(shù)據(jù)的可靠性與準確性。而與新近的流式圖像及顯微成像系統(tǒng)FlowCAM比較，本發(fā)明結(jié)合了專家識別數(shù)據(jù)庫，能夠在數(shù)據(jù)采集的同時，對圖像信息與熒光信號進行分析，無需后續(xù)處理即可得到海洋浮游生物的粒徑譜信息。而三維模型的構(gòu)建，可以在最大程度上獲得準確的浮游生物粒徑信息，確保海洋浮游生物粒徑譜信息的準確性與可靠性。

圖I為本發(fā)明實施例的結(jié)構(gòu)組成示意圖。在圖I中，各標記為1樣品池；2流動室；3蠕動泵；4LED攝像光源；5物鏡；6第I分光鏡；7第2分光鏡；8第3分光鏡；9濾光片； 10第I熒光檢測器；11光束整型器；12攝像目鏡；13濾光片；14激光器；15C⑶相機；16第 2熒光探測器。圖2為浮游生物體積模型。

具體實施例方式參見圖1，本發(fā)明實施例設(shè)有流路系統(tǒng)、圖像系統(tǒng)、光路系統(tǒng)和控制電路；所述流路系統(tǒng)設(shè)有樣品池I、流動室2和蠕動泵3，所述樣品池I、流動室2和蠕動泵3依次排列，所述樣品池I、流動室2和蠕動泵3相互之間通過管道連接粒徑檢測儀，所述蠕動泵3通過串口與控制電路連接，接受系統(tǒng)軟件的指令，實現(xiàn)儀器的自動化分析。所述圖像系統(tǒng)設(shè)有LED攝像光源4、物鏡5、第2分光鏡7、目鏡12和CXD相機15， 所述LED攝像光源4為圖像系統(tǒng)提供所需的攝像光源，在圖像系統(tǒng)中，浮游生物細胞在蠕動泵3的驅(qū)動下，到達流動室2，在流動室2中，浮游生物細胞被LED攝像光源4照射，其圖像信息通過物鏡5、第2分光鏡7和目鏡12，被CXD相機15所采集；而經(jīng)過物鏡5和目鏡12 的光學(xué)放大和CCD相機15的數(shù)碼放大，浮游生物細胞圖像信息也得到了適當(dāng)?shù)姆糯?，滿足圖像識別的要求。所述光路系統(tǒng)設(shè)有激光器14、光束整型器11、第I分光鏡6、第3分光鏡8、濾光片 9、第I熒光檢測器10、濾光片13和第2熒光檢測器16，所述激光器14發(fā)出的激光，經(jīng)過光束整型器11的整型，形成扁橢圓形的光斑，在第I分光鏡6的折射下，經(jīng)物鏡5照射到流經(jīng)流動室2的浮游生物細胞，激發(fā)浮游生物細胞體內(nèi)的葉綠素、藻紅素等色素發(fā)出熒光，浮游生物細胞發(fā)出的熒光信號依次通過物鏡5、第I分光鏡6、第2分光鏡7到達第3分光鏡8， 在第3分光鏡8的作用下,一部分突光信號通過濾光片9到達第I突光檢測器10,另一部分熒光信號通過濾光片13到達第2熒光檢測器16。

通過第I熒光檢測器10和第2熒光檢測器16檢測到的熒光信號，可以獲得流經(jīng)流動室2的浮游生物細胞數(shù)量及其色素組成。所述控制電路與流路系統(tǒng)中的蠕動泵3、圖像系統(tǒng)中的LED攝像光源4和(XD相機 15以及光路系統(tǒng)中的第I熒光檢測器10和第2熒光檢測器16連接，控制電路不僅控制蠕動泵3的工作，而且控制圖像系統(tǒng)的圖像采集與光路系統(tǒng)中第I熒光檢測器10和第2熒光檢測器16對于熒光信號的采集，與此同時，將圖像信息與熒光信號一一對應(yīng)，在電路水平上實現(xiàn)流式細胞分析技術(shù)與顯微成像分析技術(shù)的耦合。以下給出具體實施例I、海洋浮游生物圖像信息與熒光信號的采集在本發(fā)明中，樣品池I中的浮游生物細胞在蠕動泵3的驅(qū)動下，到達流動室2。在流動室2中，浮游生物細胞在LED攝像光源4的照射下，其圖像信息被CXD相機15所采集。 在此過程中，物鏡5和目鏡12的光學(xué)放大和C⑶相機15的數(shù)碼放大，使得浮游生物的圖像信息得到適當(dāng)?shù)姆糯?，滿足后續(xù)圖像處理的要求。與此同時，浮游生物細胞在通過流動室2的過程中，被激光器14發(fā)出的激光所激發(fā)，產(chǎn)生各種熒光信號。其中部分熒光信號在物鏡5的匯聚下，到達分光鏡8，并在分光鏡的作用下，經(jīng)過濾光片9和濾光片13的進一步純化，被熒光檢測器10和熒光檢測器16所檢測到。

在此過程中，光束整型器11通過對激光進行整型，將激光光斑形狀由圓形變?yōu)楸鈾E圓形，一方面，使得單位面積的激光強度得到提高，進而獲得更強的熒光信號；另一方面，降低兩個浮游生物細胞同時經(jīng)過激光光斑的概率，增加儀器檢測的準確性。而濾光片9和濾光片13則限定了熒光檢測器10和熒光檢測器16檢測到的熒光波長甲烷檢測儀，使得檢測到的熒光信號能夠準確反映細胞色素含量。這些熒光信號與圖像信息通過時間序列進行一一對應(yīng)。2、海洋浮游生物粒徑譜專家識別數(shù)據(jù)庫海洋浮游生物粒徑譜專家識別數(shù)據(jù)庫分為模型構(gòu)建和自動識別兩個部分，其中模型構(gòu)建是自動識別的基礎(chǔ)。在模型構(gòu)建階段，通過對檢測到的浮游生物圖像信息和熒光信號進行人工分類，構(gòu)建浮游生物的模型數(shù)據(jù)庫。而在自動識別階段，則將提取得到的浮游生物圖像特征以及熒光特征與模型數(shù)據(jù)庫進行比對，對浮游生物進行分類，其處理過程包括以下三個步驟首先是浮游生物的探測。對獲取得到的浮游生物圖像信息進行預(yù)處理，減低圖像信息的噪聲，提高浮游生物圖像信息與背景的對比度。在此基礎(chǔ)上，探測浮游生物可能存在的目標區(qū)域，通過紋理分析和邊界檢測，將浮游生物從圖像信息中分離出來。其次是浮游生物圖像特征的提取。在浮游生物探測的基礎(chǔ)上，對浮游生物圖像信息進行處理，提取能夠代表不同浮游生物的結(jié)構(gòu)特征和統(tǒng)計特征。

其中，結(jié)構(gòu)特征主要包括周長、面積、輪廓、灰度、長度、寬度、縱橫比、鞭毛數(shù)量等等；而統(tǒng)計特征則主要包括標準偏差、方差、平均象素強度、最大象素強度等。最后是浮游生物的分類。將獲取得到的浮游生物圖像特征和熒光信號與模型數(shù)據(jù)庫中的特征進行比較，確定浮游生物的種類。在這里，將浮游生物根據(jù)其形狀特點，分為球形、半球形、圓柱體、柱狀橢圓體等20多個類別，浮游生物體積模型參見圖2，各浮游生物體積模型對應(yīng)的計算公式如下A V = 31 /6*d3B V = 3i /12*d權(quán)利要求

1.海洋浮游生物粒徑譜現(xiàn)場檢測儀，其特征在于設(shè)有流路系統(tǒng)、圖像系統(tǒng)、光路系統(tǒng)和控制電路；所述流路系統(tǒng)設(shè)有樣品池、流動室和蠕動泵，所述樣品池、流動室和蠕動泵依次排列，所述樣品池、流動室和蠕動泵相互之間通過管道連接，所述蠕動泵通過串口與控制電路連接，接受系統(tǒng)軟件的指令，實現(xiàn)儀器的自動化分析；所述圖像系統(tǒng)設(shè)有LED攝像光源、物鏡、第2分光鏡、目鏡和CCD相機，所述LED攝像光源為圖像系統(tǒng)提供所需的攝像光源，在圖像系統(tǒng)中，浮游生物細胞在蠕動泵的驅(qū)動下，到達流動室，在流動室中，浮游生物細胞被LED攝像光源照射，其圖像信息通過物鏡、第2分光鏡和目鏡，被CCD相機所采集；所述光路系統(tǒng)設(shè)有激光器、光束整型器、第I分光鏡、第3分光鏡、濾光片、第I突光檢測器、濾光片和第2熒光檢測器，所述激光器發(fā)出的激光，經(jīng)過光束整型器的整型，形成扁橢圓形的光斑，在第I分光鏡的折射下，經(jīng)物鏡照射到流經(jīng)流動室的浮游生物細胞，激發(fā)浮游生物細胞體內(nèi)的葉綠素、藻紅素等色素發(fā)出熒光，浮游生物細胞發(fā)出的熒光信號依次通過物鏡、第I分光鏡、第2分光鏡到達第3分光鏡,在第3分光鏡的作用下,一部分突光信號通過濾光片到達第I熒光檢測器，另一部分熒光信號通過濾光片到達第2熒光檢測器； 所述控制電路與流路系統(tǒng)中的蠕動泵、圖像系統(tǒng)中的LED攝像光源和CCD相機以及光路系統(tǒng)中的第I熒光檢測器和第2熒光檢測器連接。

全文摘要

海洋浮游生物粒徑譜現(xiàn)場檢測儀，涉及一種海洋浮游生物的檢測設(shè)備。設(shè)有流路系統(tǒng)、圖像系統(tǒng)、光路系統(tǒng)和控制電路；所述流路系統(tǒng)設(shè)有樣品池、流動室和蠕動泵；所述圖像系統(tǒng)設(shè)有LED攝像光源、物鏡、第2分光鏡、目鏡和CCD相機；所述光路系統(tǒng)設(shè)有激光器、光束整型器、第1分光鏡、第3分光鏡、濾光片、第1熒光檢測器、濾光片和第2熒光檢測器；所述控制電路與流路系統(tǒng)中的蠕動泵、圖像系統(tǒng)中的LED攝像光源和CCD相機以及光路系統(tǒng)中的第1熒光檢測器和第2熒光檢測器連接。

文檔編號G01N15/02GK102590053SQ2

公開日2012年7月18日 申請日期2012年3月5日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月5日

發(fā)明者焦念志, 駱庭偉 申請人:廈門大學(xué)

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