Способ измерения концентрации хлорофилла Советский патент 1985 года по МПК G01N21/64 

Изобретение относится к люминесцентным методам исследования жидких сред и наиболее эффективно может быть использовано, например, в океанологии и лимнологии для определения концентрации хлорофилла, содержащегося в фитопланктоне, что необходимо для определения биологической продуктивности естественных водоемов.

Цель изобретения - повышение точности измерения концентрации хлорофилла и упрощение процесса его проведения.

Предлагаемый способ основан на сильном биологическом влиянии ультразвукового излучения в интервале частот от 20 до 1000 кГц и с интенсивностью от 5 до 200 Вт/см. Ультразвуковое излучение с интенсивностью от 0,1 до 1 БТ/СМ на жизнедеятельность животных и растительных организмов, а также микроорганизмов оказывает или незначительное или стимулирующее влияние.

Интенсивность ультразвука более 1 Вт/см оказывает на жизнедеятельность уже угнетающее влияние, причем при 1-5 Вт/см это влияние проявляется медленно.

Ультразвуковое облучение с интенсивностью от 5 до 200 Вт/см быстро ведет к потере жизнедеятельности в частности, к прекращению фотосинтетических процессов в фитопланктоне и биолюминесценции зоопланктона.

Верхнюю границу интенсивности ультразвука (200 Вт/см) выбирают условно из соображений целесообразности аппаратурной реализации предлагаемого способа. Для получения более высоких интенсивностей требуется уже сложная, громоздкая аппаратура, что нецелесообразно из экономических соображений, а также потому, что с увеличением интенсивности ультразвука его биологическое влияние принимает характер насьщени

Из аналогичных соображений возможности метрологического обеспечения задают частотный интервал (501000 кГц) используемого звукового излучения.

На фиг. 1 изображено устройство, реализующее способ измерения конценрации хлорофилла; на фиг. 2 - кривы временной изменчивости интенсивности фотолюминесценции хлорофилла в

образце морской воды; на фиг. 3 градуировочная зависимость между интенсивностью фотолюминесценции 1 фл и коцдентрацией хлорофиллу С;,.

Устройство, реализующее способ измерения концентрации хлорофилла - погружной, проточный флуориметр выполнено в виде герметичного корпуса 1, в котором смонтированы основные функциональные узлы. Проточный гидравлический канал 2 содержит измерительный тракт с входным и выходным отверстиями в герметичном корпу,се и механический фильтр 3. Оптическая система содержит источник 4 возбуждающего света, фотоприемники 5 и 6 (например, фотоумножители или фотодиоды) j, защитные иллюминаторы 7 и 8 каналов возбуждения, шшюминаторы - объективы 9 и 10 каналов регистрации фотолюминесценции, светофильтры 11-14.

Электронная система содержит блок питания 15 и преобразования 16 измеряемых сигналов и измерительных

преобразователей 17 и 18 давления и температуры. Облучатель потока исследуемой воды ультразвуком содержит пьезоэлектрический- излучатель 19

с защитным покрытием и блок питания, входящий в электронные блоки 15 и 16. Устройство, реализующее способ измерения концентрации хлорофилла, работает следующим образом.

Поток исследуемой воды в гидравлическом тракте 2 проходит предварительно через механический фильтр 3 и ультразвуковой облучатель 19. Механический фильтр 3 не пропускает

крупные частицы взвесей и живых организмов.Ультразвуковой облучатель воздействует на взвешенный в воде фитопланктон, за время 0,1 0,02 с прекращает его фотосинтетическую деятельность и таким образом стабилизирует люминесцентные свойства хлорофилла. Для обеспечения химической чистоты и защиты пьезоэлектрического излучателя от корродирующего влияния морской воды он обеспечен защитным покрытием, выполненным, например, фторлоновым лаком.

Подвергнутый воздействию ультразвука поток исследуемой воды поступает

в зону светового возбуждения от источника 4 через иллюминаторы 7 и 8 и светофильтры 11 и 12, выделяющие спектральный интервал полос поглощения хлорофилла. Возникающая под действием возбуждающего света фотолюминесценции под углом в 90°фокусируется объективами-иллюминаторами 9 и 10 на фотоприемники 5 и 6 через светофильтры 13 и 14, выделяющие оптический интервал флуоресценции хлорофилла.Электрический сигнал, возникающий в фотоприемниках, усиливается и преобразуется в электронных блоках 15 и 16 и поступает в систему регистрации.

Двухканальная оптическая схема флуориметра обеспечивает дифференциальные измерения интенсивности фотолюминесценции хлорофилла, HanpiiMep, относительно опорного сигнала, создаваемого полосой комбинационного рассеяния света водой или флуоресценцией растворенного органического вещества, или флуоресценцией образца сравнения.

С помощью измерительных преобразователей 17 и 18 давления и температуры, контролируют глубину погружения флуориметра и.температуры исследуемой среды, от которых может зависеть интенсивность флуоресценции хлорофилла .

Пример 1. Определение концентрации хлорофилла в конкретном . образце морской воды. Для проведения анализа используют устройство, реализующее предлагаемый, способ (фиг,1). Осуществляют замкнутую циркуляцию исследуемой воды в гидравлическом канале флуориметра с помощью насоса, Без включения ультразвукового излучателя возбуждают и измеряют флуоресценцию хлорофилла с частотой, в 0,1 Гц. Временная изменчивость интенсивности флуоресценции в этом случае соответствует кривой 20 (фиг. 2).

Аналогичные измерения проводят с второй половиной образца, причем синхронно с началом измерений включают ультразвуковой излучатель. В этом случае результаты измерений соответствуют кривой 21 (фиг. 2).

Ультразвуковой излучатель выполняют, например, из пьезокерамики марки ЦТС-19. Для создания интенсивноети ультразвука в пределах 5-20 Вт/см пьезоэлектрический излучатель выполняют в форме цилиндра или собирают излучатель заданной длины из набора шайб, выполненных из пьезокерамики ЦТС-19.

Значения интенсивности флуоресценции выходят на насыщение за время, зависящее от интенсивности звукового излучения и от времени облучения (фиг. 2), определяемого длиной цилиндрического излучателя и скоростью прокачки исследуемой жидкости. Чем больще интенсивность звукового излучения и чем больше время облучения образца, тем скорей значения интенсивности фотолюминесценции выходят на насьщение, в режиме которого осуществляют замеры.

С помощью зависимости, изображенной на кривой 2 фиг. 2, задают интенсивность звукового излучения при данной скорости прокачки исследуемо воды, которая определяет пространственное разрешение измерения концентрации хлорофилла.

Для создания интенсивности ультрзвука в интервале 20-200 Вт/см используют мозаичный пьезоизлучатель, собранный из отдельных элементов полусферической или параболической формы на базе керамики ЦТС-19.

Для обеспечения химической чистоты и для защиты пьезоизлучателя от коррозии его покрывают защитным слоем фторлонового лака, например марки ЛФЭ-32.

Регулировку частоты ультразвукового излучения в интервале 20 1000 кГц осуществляют применением пьезокерамических элементов различной толщины и соответствующей регули ровкой генератора в блоке питания ультразвукового облучателя.

Пример 2. При исследовании содержания хлорофилла в природном водоеме отбирают образец воды с максимально большой интенсивностью фотолюминесценции хлорофилла. Методом последовательного разбавления образца чистой дистиллированной водой, например, вдвое, измеряют . интенсивность флуоресценции исходного и разбавленных образцов по пред лагаемому способу и строят градуировочный график зависимости интенсивности флуоресценции от концентрации хлорофилла (фиг. 3), Привязку градуировочной зависимости к абсолютным значениям концентрации хлорофилла осуществляют биохимическим и, в частности, спектрофотометрическим методом с экстракцией хлорофилла органическими растворителями, например ацетоном.

Пример 3. Путем непрерывных измерений in situ на различных горизонтах глубины моря исследуют пространственное распределение поля концентрации хлорофилла с помощью погружного проточного флуоримет. и режимах буксирования и зонщсроваиия.

Включение ультразвукового облучения убирает биолюминеспенгную ч:псавляющую в регистрации интенсивности люминесценции и обеспечивает использование градуировочной зависимости,

изображенной на фиг. 3. Это позволяет получить вертикальные профили распределения хлорофилла и количественные характеристики горизонтальной изменчивости, по которым

определяют биологическую продуктивность водоема.

,/

СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ ХЛОРОФИЛЛА путем возбуждения и измерения интенсивности его фотолюминесценции в выделенном объеме исследуемой воды, отличающийся тем, что, с целью повышения точности и упрощения процесса измерения, перед возбуждением фотолюминесценции выделенный объем воды облучают ультразвуковым излучением с интенсивностью от 5 до 200 Вт/см до прекращения фотосинтетической активности хлорофилла.