专利名称：海洋浮游生物粒径谱现场检测仪的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种海洋浮游生物的检测设备，尤其是涉及一种海洋浮游生物粒径谱现场检测仪。
背景技术：
海洋生态系统中的各物种通过摄食关系形成复杂的食物网，利用传统的方法难以对整个生态系统进行准确的描述(周林滨，谭烨辉，黄良民，等.水生生物粒径谱/生物量谱研究进展[J].生态学报，2010，(12) =3319-3333 ;王新刚，孙松.粒径谱理论在海洋生态学研究中的应用[J].海洋科学，2002，(4) :36-39)。粒径谱理论将浮游生物按照粒径大小进行分类，在同一条曲线中建立起浮游生物生物量及其粒径大小之间的简单对应关系，简化了食物网，成为描述海洋生态系统的重要手段。光学显微镜方法是粒径谱研究中最常用的技术手段，其通过光学显微镜鉴定浮游生物，并进行人工计数，进而构建海洋浮游生物粒径谱。光学显微镜方法虽然误差小，然而由于其费时费力，难以形成连续的粒径谱，不适用于浮游生物的现场检测(吴成业，焦念志.海洋浮游生物粒径谱分析技术[J].高技术通讯，2005，15 (04) :71-74)。也因此，受到技术手段的限制，粒径谱理论在相当长的时间处于停滞状态，直到1967年Sheldon和Parsons首次将库尔特计数器应用于萨尼奇湾海水中颗粒物质的研究(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)，粒径谱理论才得到人们的关注，并逐渐成为海洋生态学研究的热点。然而库尔特计数器是根据颗粒在电解液中引起的电阻变化来测量颗粒大小，无法分辨浮游生物与非生物颗粒物，这也限制了其在海洋生态系统研究中的应用。新近研究将流式细胞技术与显微成像技术结合起来，以数字化成像技术为基础， 构建海洋浮游生物的粒径组成和数量分布关系，展示了流式图像技术在粒径谱理论研究中的应用前景。然而，现有的仪器设备，如流式图像及显微成像系统(FlowCAM,Fluid-Imaging Technologies, Inc. ,USA)仅仅是将图像信息和荧光信息保存起来，需要人工对图像信息进行识别，后续数据处理工作量大，无法现场得到海洋生态系统的粒径谱信息；与此同时，粒径计算误差大，仅仅是通过像素面积换算得到粒径大小，严重影响了粒径谱信息的准确性。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的上述缺点，提供一种海洋浮游生物粒径谱现场检测仪。本发明设有流路系统、图像系统、光路系统和控制电路；所述流路系统设有样品池、流动室和蠕动泵，所述样品池、流动室和蠕动泵依次排列，所述样品池、流动室和蠕动泵相互之间通过管道连接，所述蠕动泵通过串口与控制电路连接，接受系统软件的指令，实现仪器的自动化分析；所述图像系统设有LED摄像光源、物镜、第2分光镜、目镜和CXD相机，所述LED摄像光源为图像系统提供所需的摄像光源，在图像系统中，浮游生物细胞在蠕动泵的驱动下， 到达流动室，在流动室中，浮游生物细胞被LED摄像光源照射，其图像信息通过物镜、第2分光镜和目镜，被CCD相机所采集；而经过物镜和目镜的光学放大和CCD相机的数码放大，浮游生物细胞图像信息也得到了适当的放大，满足图像识别的要求；所述光路系统设有激光器、光束整型器、第I分光镜、第3分光镜、滤光片、第I突光检测器、滤光片和第2荧光检测器，所述激光器发出的激光，经过光束整型器的整型，形成扁椭圆形的光斑，在第I分光镜的折射下，经物镜照射到流经流动室的浮游生物细胞，激发浮游生物细胞体内的叶绿素、藻红素等色素发出荧光，浮游生物细胞发出的荧光信号依次通过物镜、第I分光镜、第2分光镜到达第3分光镜，在第3分光镜的作用下，一部分荧光信号通过滤光片到达第I荧光检测器，另一部分荧光信号通过滤光片到达第2荧光检测器；通过第I荧光检测器和第2荧光检测器检测到的荧光信号，可以获得流经流动室的浮游生物细胞数量及其色素组成。所述控制电路与流路系统中的蠕动泵、图像系统中的LED摄像光源和(XD相机以及光路系统中的第I荧光检测器和第2荧光检测器连接，控制电路不仅控制蠕动泵的工作， 而且控制图像系统的图像采集与光路系统中第I荧光检测器和第2荧光检测器对于荧光信号的采集，与此同时，将图像信息与荧光信号一一对应，在电路水平上实现流式细胞分析技术与显微成像分析技术的耦合。系统软件则为仪器与技术人员之间提供了良好的交互界面，包括仪器参数控制、 图像信息采集与存储、荧光信号采集与存储模块以及数据分析模块等四大功能模块。其中仪器参数控制功能模块主要负责仪器参数的设置，对流路系统、图像系统、光路系统以及控制电路进行交互与控制；图像采集与存储功能模块主要负责图像系统中图像信息的采集、 显示与存储，并将图像信息传输到专家识别数据库进行识别与处理；荧光采集与存储功能模块主要负责光路系统中荧光信号的采集、显示与存储，并与专家识别数据库结合，为专家识别数据库的准确识别提供荧光方面的信息；数据分析功能模块主要负责整合图像系统、 光路系统以及专家识别数据库的信息，对浮游生物粒径谱进行分析，并对分析结果进行展不与存储。专家识别数据库的功能主要是对图像系统采集的图像信息进行识别，检测出其中的浮游生物图像信息，在此基础上，提取其特征，并结合光路系统采集的荧光信息对浮游生物进行识别，获得浮游生物各个类群的丰度。与此同时，根据浮游生物的图像特征，构建浮游生物的三维模型，得到浮游生物准确的粒径信息和体积信息。在此基础上，根据浮游生物的粒径信息、丰度信息以及体积信息，构建浮游生物的粒径谱。与已有技术相比，本发明具有以下突出的优点本发明将流式细胞技术与显微成像技术耦合起来，结合计算机图像识别，构建海洋浮游生物的三维模型，可以实现对海洋浮游生物粒径谱的现场实时检测。与传统的光学显微镜方法相比较，本发明利用样品池、流动室和蠕动泵构建的流路系统能够实现对样品的现场连续检测；而流式细胞技术的荧光信号，结合浮游生物图像特征的识别，可以自动检测出浮游生物细胞，省去人工寻找浮游生物细胞的过程，这在浮游生物浓度较低的情况下，优势更为明显；而专家识别数据库的应用，更使得本发明无需专业知识支撑，即可自动构建海洋浮游生物粒径谱，省去了传统光学显微镜技术繁杂的后期数据处理，实现海洋浮游生物粒径谱的现场实时检测。相比于经典的库尔特计数器方法无法区分浮游生物与非生物颗粒，本发明有两大技术来区分浮游生物与非生物颗粒一方面，本发明可以采集浮游生物的荧光信号，利用荧光信号上的差异，来区分浮游生物与非生物颗粒；另一方面，本发明可以采集浮游生物的图像信息，可以通过分析图像特征来区分浮游生物与非生物颗粒。与此同时，对于库尔特计数器方法特别看重的样品的均匀性，本发明可以利用生物统计学的方法，通过采集具有统计学意义的数据来确保数据的可靠性与准确性。而与新近的流式图像及显微成像系统FlowCAM比较，本发明结合了专家识别数据库，能够在数据采集的同时，对图像信息与荧光信号进行分析，无需后续处理即可得到海洋浮游生物的粒径谱信息。而三维模型的构建，可以在最大程度上获得准确的浮游生物粒径信息，确保海洋浮游生物粒径谱信息的准确性与可靠性。
图I为本发明实施例的结构组成示意图。在图I中，各标记为1样品池；2流动室；3蠕动泵；4LED摄像光源；5物镜；6第I分光镜；7第2分光镜；8第3分光镜；9滤光片； 10第I荧光检测器；11光束整型器；12摄像目镜；13滤光片；14激光器；15C⑶相机；16第 2荧光探测器。图2为浮游生物体积模型。
具体实施例方式参见图1，本发明实施例设有流路系统、图像系统、光路系统和控制电路；所述流路系统设有样品池I、流动室2和蠕动泵3，所述样品池I、流动室2和蠕动泵3依次排列，所述样品池I、流动室2和蠕动泵3相互之间通过管道连接，所述蠕动泵3通过串口与控制电路连接，接受系统软件的指令，实现仪器的自动化分析。所述图像系统设有LED摄像光源4、物镜5、第2分光镜7、目镜12和CXD相机15， 所述LED摄像光源4为图像系统提供所需的摄像光源，在图像系统中，浮游生物细胞在蠕动泵3的驱动下，到达流动室2，在流动室2中，浮游生物细胞被LED摄像光源4照射，其图像信息通过物镜5、第2分光镜7和目镜12，被CXD相机15所采集；而经过物镜5和目镜12 的光学放大和CCD相机15的数码放大，浮游生物细胞图像信息也得到了适当的放大，满足图像识别的要求。所述光路系统设有激光器14、光束整型器11、第I分光镜6、第3分光镜8、滤光片 9、第I荧光检测器10、滤光片13和第2荧光检测器16，所述激光器14发出的激光，经过光束整型器11的整型，形成扁椭圆形的光斑，在第I分光镜6的折射下，经物镜5照射到流经流动室2的浮游生物细胞，激发浮游生物细胞体内的叶绿素、藻红素等色素发出荧光，浮游生物细胞发出的荧光信号依次通过物镜5、第I分光镜6、第2分光镜7到达第3分光镜8， 在第3分光镜8的作用下,一部分突光信号通过滤光片9到达第I突光检测器10,另一部分荧光信号通过滤光片13到达第2荧光检测器16。通过第I荧光检测器10和第2荧光检测器16检测到的荧光信号，可以获得流经流动室2的浮游生物细胞数量及其色素组成。所述控制电路与流路系统中的蠕动泵3、图像系统中的LED摄像光源4和(XD相机 15以及光路系统中的第I荧光检测器10和第2荧光检测器16连接，控制电路不仅控制蠕动泵3的工作，而且控制图像系统的图像采集与光路系统中第I荧光检测器10和第2荧光检测器16对于荧光信号的采集，与此同时，将图像信息与荧光信号一一对应，在电路水平上实现流式细胞分析技术与显微成像分析技术的耦合。以下给出具体实施例I、海洋浮游生物图像信息与荧光信号的采集在本发明中，样品池I中的浮游生物细胞在蠕动泵3的驱动下，到达流动室2。在流动室2中，浮游生物细胞在LED摄像光源4的照射下，其图像信息被CXD相机15所采集。 在此过程中，物镜5和目镜12的光学放大和C⑶相机15的数码放大，使得浮游生物的图像信息得到适当的放大，满足后续图像处理的要求。与此同时，浮游生物细胞在通过流动室2的过程中，被激光器14发出的激光所激发，产生各种荧光信号。其中部分荧光信号在物镜5的汇聚下，到达分光镜8，并在分光镜的作用下，经过滤光片9和滤光片13的进一步纯化，被荧光检测器10和荧光检测器16所检测到。在此过程中，光束整型器11通过对激光进行整型，将激光光斑形状由圆形变为扁椭圆形，一方面，使得单位面积的激光强度得到提高，进而获得更强的荧光信号；另一方面，降低两个浮游生物细胞同时经过激光光斑的概率，增加仪器检测的准确性。而滤光片9和滤光片13则限定了荧光检测器10和荧光检测器16检测到的荧光波长，使得检测到的荧光信号能够准确反映细胞色素含量。这些荧光信号与图像信息通过时间序列进行一一对应。2、海洋浮游生物粒径谱专家识别数据库海洋浮游生物粒径谱专家识别数据库分为模型构建和自动识别两个部分，其中模型构建是自动识别的基础。在模型构建阶段，通过对检测到的浮游生物图像信息和荧光信号进行人工分类，构建浮游生物的模型数据库。而在自动识别阶段，则将提取得到的浮游生物图像特征以及荧光特征与模型数据库进行比对，对浮游生物进行分类，其处理过程包括以下三个步骤首先是浮游生物的探测。对获取得到的浮游生物图像信息进行预处理，减低图像信息的噪声，提高浮游生物图像信息与背景的对比度。在此基础上，探测浮游生物可能存在的目标区域，通过纹理分析和边界检测，将浮游生物从图像信息中分离出来。其次是浮游生物图像特征的提取。在浮游生物探测的基础上，对浮游生物图像信息进行处理，提取能够代表不同浮游生物的结构特征和统计特征。其中，结构特征主要包括周长、面积、轮廓、灰度、长度、宽度、纵横比、鞭毛数量等等；而统计特征则主要包括标准偏差、方差、平均象素强度、最大象素强度等。最后是浮游生物的分类。将获取得到的浮游生物图像特征和荧光信号与模型数据库中的特征进行比较，确定浮游生物的种类。在这里，将浮游生物根据其形状特点，分为球形、半球形、圆柱体、柱状椭圆体等20多个类别，浮游生物体积模型参见图2，各浮游生物体积模型对应的计算公式如下A V = 31 /6*d3B V = 3i /12*d权利要求
1.海洋浮游生物粒径谱现场检测仪，其特征在于设有流路系统、图像系统、光路系统和控制电路；所述流路系统设有样品池、流动室和蠕动泵，所述样品池、流动室和蠕动泵依次排列，所述样品池、流动室和蠕动泵相互之间通过管道连接，所述蠕动泵通过串口与控制电路连接，接受系统软件的指令，实现仪器的自动化分析；所述图像系统设有LED摄像光源、物镜、第2分光镜、目镜和CCD相机，所述LED摄像光源为图像系统提供所需的摄像光源，在图像系统中，浮游生物细胞在蠕动泵的驱动下，到达流动室，在流动室中，浮游生物细胞被LED摄像光源照射，其图像信息通过物镜、第2分光镜和目镜，被CCD相机所采集；所述光路系统设有激光器、光束整型器、第I分光镜、第3分光镜、滤光片、第I突光检测器、滤光片和第2荧光检测器，所述激光器发出的激光，经过光束整型器的整型，形成扁椭圆形的光斑，在第I分光镜的折射下，经物镜照射到流经流动室的浮游生物细胞，激发浮游生物细胞体内的叶绿素、藻红素等色素发出荧光，浮游生物细胞发出的荧光信号依次通过物镜、第I分光镜、第2分光镜到达第3分光镜,在第3分光镜的作用下,一部分突光信号通过滤光片到达第I荧光检测器，另一部分荧光信号通过滤光片到达第2荧光检测器； 所述控制电路与流路系统中的蠕动泵、图像系统中的LED摄像光源和CCD相机以及光路系统中的第I荧光检测器和第2荧光检测器连接。
全文摘要
海洋浮游生物粒径谱现场检测仪，涉及一种海洋浮游生物的检测设备。设有流路系统、图像系统、光路系统和控制电路；所述流路系统设有样品池、流动室和蠕动泵；所述图像系统设有LED摄像光源、物镜、第2分光镜、目镜和CCD相机；所述光路系统设有激光器、光束整型器、第1分光镜、第3分光镜、滤光片、第1荧光检测器、滤光片和第2荧光检测器；所述控制电路与流路系统中的蠕动泵、图像系统中的LED摄像光源和CCD相机以及光路系统中的第1荧光检测器和第2荧光检测器连接。
文档编号G01N15/02GK102590053SQ201210054560
公开日2012年7月18日 申请日期2012年3月5日 优先权日2012年3月5日
发明者焦念志, 骆庭伟 申请人:厦门大学