浮游藻群落组成荧光识别分析仪的初步研究

论文摘要

赤潮的频繁爆发及其规模的不断扩大,迫切需要建立一种快速、有效的浮游藻群落组成监测技术,以实现对浮游藻群落组成的识别测定及赤潮的应急监测。荧光技术是近年来逐渐发展起来的一种浮游藻种类测定技术,在常用的检测方法中,这一方法由于仪器简单、便于实时在线原位测量而广受欢迎。在对我国近海海域赤潮与非赤潮期间浮游藻群落组成特点进行总结的基础上,本文最终选择了分属于硅藻,金藻,绿藻,甲藻,黄藻,隐藻和蓝藻7个门的53种我国近海常见的浮游藻进行培养研究,分别测得上述浮游藻在不同光照、温度和生长周期的活体三维荧光光谱。为实现研制使用以单色发光二极管为激发光源的浮游藻荧光自动分析仪的目标,本文从原始三维荧光光谱中选择了13个激发波长点组成了新的浮游藻离散三维荧光光谱,在此基础上,利用小波分析、Bayes判别和非负最小二乘等技术建立了我国近海常见浮游藻的识别技术。取得如下研究成果:1.利用逐步判别分析技术,结合可获得的单色发光二极管的实际情况,并经过与原图的观测、比对,最终选择出了13个激发波长点（400nm, 430nm, 450nm, 460nm, 470nm, 490nm, 500 nm, 510nm, 525nm, 550nm, 570nm, 590nm和610nm）来组成新的浮游藻离散三维荧光光谱。2.选用db7、coif2和sym7三种小波基函数对浮游藻离散三维荧光光谱进行小波分解,筛选到各小波基函数具有浮游藻种类特异性的荧光特征谱,利用模拟混合样品对各类荧光特征谱进行测试,找出最佳荧光特征谱,并对各荧光特征谱之间的互补情况进行分析。基于此,利用四阶导数-db7荧光特征谱建立了门水平上的浮游藻荧光标准谱库;利用各类荧光特征谱之间的互补性建立了属水平上db7-coif2联用的荧光标准谱库。3.对于不同混合比例（25%,50%,75%,85%,100%）的模拟混合藻样品,在门水平上的平均识别正确率分别为:62.7%,84.4%,95.9%,97.1%和99.9%;平均识别相对含量分别为17.5%,41.3%,68.9%,78.4%和87.0%。当门上比例达到50%时,就能对除黄藻、绿藻以外的其它各门类藻达到85%以上的平均识别率。对于属类的识别,当优势度大于80%时,优势种就能在整体水平上获得较好的识别（平均识别正确率80%）,其中28种常见赤潮藻的识别正确率达到85%以上。所建立的二级谱库能够有效的提高圆海链藻,刚毛根管藻,强壮前沟藻,简裸甲藻和裸甲藻等这些藻的属水平识别正确率。4.对于实验室所做的混合样品,门水平上,当优势门浮游藻所占比例为75%时,除金藻门外,其它浮游藻的识别正确率均在80%以上;当优势门浮游藻所占比例为100%（即同一门内的两种藻相混合的情况）时,除金藻门外,门水平识别正确率均为100%。属水平上,当优势藻所占比例为75%时,属水平平均识别正确率为80.6%,其中除盒型藻,圆海链藻,球形棕囊藻,裸甲藻和海洋原甲藻外,其它优势藻种的属水平识别正确率都在80%以上。5.对于现场水样:胶州湾调查水样,门类上识别结果均与镜检结果一致;麦岛围隔水样,12个水样中有11个能在门水平对优势藻进行正确识别。属类水平上,对于优势藻种比例大于80%的水样,胶州湾3个水样中有2个的优势藻能被正确识别,麦岛围隔5个水样中4个的优势藻被正确识别。6.以上述研究成果为技术支撑,所设计的浮游藻荧光自动分析仪目前正在制造中,将有望在测试完善后,真正形成能够在现场应用的浮游藻荧光分类监测自动分析仪。本文的创新之处在于针对研制以单色发光二极管为激发光源的荧光自动分析仪的目标,从原始三维荧光光谱中选择出13个激发波长点,组成了新的浮游藻离散三维荧光光谱进行分析;选择db7、coif2和sym7三种小波基函数对浮游藻荧光光谱进行分解,基于各荧光特征谱的互补性,建立了浮游藻荧光二级标准谱库。实现了在正常情况下对浮游藻群落组成（包括优势门及次优势门）及相对含量的识别测定,为赤潮的爆发提供预警;而当赤潮爆发时,在属水平上识别引发赤潮的优势藻种。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 0 前言
• 1 文献综述
• 1.1 浮游藻、赤潮发生状况与特点
• 1.1.1 浮游藻群落组成概况
• 1.1.2 中国近海海域赤潮发生状况与特点
• 1.2 浮游藻监测技术进展
• 1.3 小波分析的发展与应用
• 1.3.1 小波分析的建立与发展
• 1.3.2 小波分析的应用
• 1.4 小波分析在浮游藻荧光光谱识别测定技术中的可行性依据
• 1.4.1 小波分析在荧光光谱特征提取中的应用原理
• 1.4.2 小波函数在荧光光谱特征提取中的选择原理
• 1.5 本文的研究内容、技术路线及研究意义
• 1.5.1 研究目的、内容及意义
• 1.5.2 研究的技术路线
• 2 实验部分
• 2.1 仪器和材料
• 2.1.1 仪器
• 2.1.2 试剂
• 2.2 浮游藻的选取、培养及现场样品的采集
• 2.2.1 实验室选用藻种及培养
• 2.2.2 实验方案
• 2.2.3 浮游藻三维荧光光谱的获得
• 2.2.4 现场浮游藻样品的采集
• 3 浮游藻荧光光谱激发波长点的选择及光谱预处理
• 3.1 三维荧光光谱散射的去除
• 3.2 离散三维荧光光谱的获得
• 3.3 荧光光谱数据的降维及标准化处理
• 4 小波函数的选择及其对浮游藻荧光光谱特征提取研究
• 4.1 常用小波介绍
• 4.2 d67 小波对浮游藻荧光光谱特征的提取
• 4.2.1 d67 小波对浮游藻荧光光谱的分解
• 4.2.2 浮游藻d67 荧光特征谱的提取
• 4.2.3 浮游藻d67 荧光特征谱库的建立
• 4.2.4 浮游藻d67 荧光特征谱库的识别作用
• 4.3 coif2 小波对浮游藻荧光光谱特征的提取
• 4.3.1 coif2 小波对浮游藻荧光光谱的分解
• 4.3.2 浮游藻coif2 荧光特征谱的提取
• 4.3.3 浮游藻coif2 荧光特征谱库的建立
• 4.3.4 浮游藻coif2 荧光特征谱库的识别作用
• 4.4 sym7 小波对浮游藻荧光光谱特征的提取
• 4.4.1 sym7 小波对浮游藻荧光光谱的分解
• 4.4.2 浮游藻sym7 荧光特征谱的提取
• 4.4.3 浮游藻sym7 荧光特征谱库的建立
• 4.4.4 浮游藻sym7 荧光特征谱库的识别作用
• 5 浮游藻荧光特征谱互补性研究及其识别测定技术的建立
• 5.1 浮游藻荧光特征谱互补性研究及其荧光标准谱库的构建
• 5.1.1 浮游藻门水平荧光标准谱库的构建
• 5.1.2 浮游藻属水平二级荧光标准谱库的构建
• 5.2 浮游藻群落组成荧光识别测定技术的建立及测试
• 5.2.1 模拟混合样品、单种藻的识别结果
• 5.2.2 实验室混合样品识别结果
• 5.2.3 现场采集样品识别结果
• 5.3 小结
• 6 仪器设计
• 7 结论
• 7.1 主要结论
• 7.2 主要创新点
• 参考文献
• 附录
• 致谢
• 个人简历
• 论文发表