專利名稱：一種利用分子離子譜判別環(huán)境中藻類暴發(fā)成因的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種通過非損傷方式檢測靜態(tài)及動態(tài)分子離子譜，判別環(huán)境中藻類暴 發(fā)成因的方法，特別是涉及藻類在其真實(shí)生存環(huán)境中生理活動過程與環(huán)境因素關(guān)系信息的 光機(jī)電一體化技術(shù)，屬于環(huán)境保護(hù)技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
藻類是原生生物界的一類真核生物，主要水生，能進(jìn)行光合作用。一些專家將藻類 歸入植物，但藻類沒有真正的根、莖、葉，也沒有維管束，與傳統(tǒng)意義上的植物不同。正常繁 殖的藻類在環(huán)境中具有重要的生態(tài)功能。但由于一些環(huán)境因素的改變，藻類可能出現(xiàn)大規(guī) 模不受節(jié)制的生長繁殖即暴發(fā)過程。藻類暴發(fā)時，嚴(yán)重威脅魚類等其它水生生物的生存，造 成大量水生生物死亡。它們的尸體死后分解，消耗大量氧氣，同時一些藻類還能分泌有毒物 質(zhì)，這進(jìn)一步加劇了水生生物的死亡過程。藻類暴發(fā)往往導(dǎo)致水體環(huán)境的生態(tài)災(zāi)難，如“赤 潮”等。近年來藻類暴發(fā)在世界各地的不同水域頻繁發(fā)生，已成為威脅生態(tài)環(huán)境的重要因素 之一。判別藻類暴發(fā)成因是合理和有針對性的治理和防范藻類暴發(fā)的基礎(chǔ)。通行的研究方 法難以將藻類真實(shí)生存環(huán)境中生理活動過程和環(huán)境因素直接聯(lián)系起來，因而難以判別藻類 暴發(fā)的內(nèi)在成因及主要環(huán)境影響因素，難于提出有針對性的高效防治措施，導(dǎo)致對藻類暴 發(fā)的防治存在效率低、成本高、工作量大、需要眾多人員參與等缺點(diǎn)。離子/分子選擇性電極是一種電化學(xué)傳感器，可以配合掃描選擇性電極技術(shù)以不 接觸被測材料的非損傷方式測量進(jìn)出被測材料離子/分子的信息，得到靜態(tài)及動態(tài)分子離 子譜。近年來，隨著離子/分子選擇性電極種類的不斷增多，電子線路技術(shù)和計(jì)算機(jī)硬件軟 件技術(shù)的巨大發(fā)展，顯微鏡技術(shù)、成像技術(shù)得到了越來越廣泛的應(yīng)用，并與自動控制技術(shù)相 結(jié)合，給非損傷微測技術(shù)提供了一個良好的平臺。但是，利用非損傷自動化微測原理得到的 靜態(tài)及動態(tài)分子離子譜判別環(huán)境中藻類暴發(fā)成因的技術(shù)還未見報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種通過非損傷方式檢測靜態(tài)及動態(tài)分子離子譜，判別環(huán)境中藻類暴 發(fā)成因的方法。不接觸處于真實(shí)生存環(huán)境中藻類的前提下，以手動或編程的方式按照研究 人員的設(shè)定方便、快捷、三維地實(shí)時測量進(jìn)出藻類表面且與藻類在環(huán)境中暴發(fā)成因相關(guān)的 離子/分子絕對濃度、流動速率及三維運(yùn)動方向等參數(shù)，從而得到與藻類在環(huán)境中暴發(fā)成 因相關(guān)的靜態(tài)及動態(tài)分子離子譜；該方法也可以采用多個電極測量多種離子/分子，能更 全面的獲得進(jìn)出藻類的離子和分子信息，提高了數(shù)據(jù)采集量；該方法對藻類樣品無損傷，分 析準(zhǔn)確性和分析效率高，節(jié)約人力財(cái)力成本。本發(fā)明的主要技術(shù)方案一種利用分子離子譜判別環(huán)境中藻類暴發(fā)成因的方法， 該技術(shù)系統(tǒng)包括離子/分子信息檢測電極單元1、數(shù)據(jù)采集/放大系統(tǒng)2、顯微成像系統(tǒng)3、 可編程三維運(yùn)動系統(tǒng)4以及自動控制/數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)5，其特征在于單個或多個具有選擇 性或特異性的離子/分子電極置于真實(shí)生存環(huán)境中的藻類表面近距離處，采集其反饋的電壓或電流信號等去噪、放大后經(jīng)過數(shù)據(jù)分析軟件分析得到進(jìn)出藻類樣品的多種離子/分子的絕對濃度、流動速率及三維運(yùn)動方向等參數(shù)。根據(jù)測定的多種離子/分子的不同，相應(yīng)的 多個離子/分子選擇性電極1-2固定在三維步進(jìn)電機(jī)4-2的機(jī)械臂上，自動控制/數(shù)據(jù)處 理系統(tǒng)5連接并控制電極運(yùn)動控制器4-1，電極運(yùn)動控制器4-1連接并控制三維步進(jìn)電機(jī) 4-2，從而帶動多個離子/分子選擇性電極1-2在整個測量過程中進(jìn)行三維的非接觸測量， 多個離子/分子選擇性電極1-2的引線與數(shù)據(jù)采集/放大系統(tǒng)2連接，各個離子/分子檢 測信號經(jīng)數(shù)據(jù)采集/放大系統(tǒng)輸出到自動控制/數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)5，自動控制/數(shù)據(jù)處理系統(tǒng) 5與顯微成像系統(tǒng)3連接，電極運(yùn)動控制器4-1還與顯微成像系統(tǒng)3的顯微鏡3-1連接。藻類生物在自然界分布廣泛，具有豐富的形態(tài)結(jié)構(gòu)，并與其它生物一樣，具有相對 固定的生存環(huán)境。上述的藻類形態(tài)結(jié)構(gòu)，包括單細(xì)胞體、群體及多細(xì)胞體等。單細(xì)胞體指藻類只由一 個細(xì)胞構(gòu)成，該細(xì)胞行使生命活動的全部功能。群體指藻類由許多單細(xì)胞聚集而成，但這些 細(xì)胞間沒有緊密的生理聯(lián)系。多細(xì)胞體指藻類由許多單細(xì)胞聚集而成，這些細(xì)胞間有非常 密切的生理聯(lián)系甚至形成功能分化，構(gòu)成不可分割的整體。多細(xì)胞體又分為絲狀體、葉狀體 等不同形態(tài)。上述的藻類生存環(huán)境，特指水生環(huán)境。既包括海洋咸水環(huán)境、湖泊咸水環(huán)境、河流 湖泊淡水環(huán)境等廣域水環(huán)境，也包括局域水環(huán)境，如在潮濕陸地表面形成的局部水環(huán)境。本發(fā)明測試中將上述藻類樣品放入其真實(shí)生存環(huán)境中，離子/分子選擇性電極實(shí) 時測量進(jìn)出藻類表面離子/分子的絕對濃度、流動速率及三維運(yùn)動方向等參數(shù)，從而得到 與藻類在環(huán)境中暴發(fā)成因相關(guān)的靜態(tài)及動態(tài)分子離子譜。這些譜圖直接反映藻類在真實(shí)生 存環(huán)境中生理活動過程與環(huán)境因素關(guān)系的有效信息，通過計(jì)算機(jī)處理這些信息得出環(huán)境中 藻類暴發(fā)的成因。本發(fā)明的測量靜態(tài)及動態(tài)分子離子譜的方法可以用于判別環(huán)境中藻類暴發(fā)成因。本發(fā)明的效果(1)方便、快捷、多維地實(shí)時測量藻類在其真實(shí)生存環(huán)境中與環(huán)境 因素有關(guān)的生理活動信息，如光合作用強(qiáng)度等；(2)測試信息能夠準(zhǔn)確的判別環(huán)境中藻類 暴發(fā)的成因，如光致暴發(fā)、營養(yǎng)物致暴發(fā)等；(3)對藻類樣品無損傷，分析準(zhǔn)確性及分析效 率高，節(jié)約人力財(cái)力成本。


圖1為靜態(tài)及動態(tài)分子離子譜技術(shù)系統(tǒng)的組成示意圖。圖2為暗-光轉(zhuǎn)換時H+和O2流速變化的示意圖。圖3為光-暗轉(zhuǎn)換時H+和O2流速變化的示意圖。圖2和圖3中的橫坐標(biāo)代表時間，縱坐標(biāo)代表流速?？v坐標(biāo)絕對值的大小表示流 速的大小。大于O的縱坐標(biāo)值表示外流，小于0的縱坐標(biāo)值表示內(nèi)流。H+和O2的縱坐標(biāo)值 采用不同的標(biāo)度。圖4為滸苔不同發(fā)育階段在不同光照強(qiáng)度下O2流速的變化曲線圖。圖中大于0的 縱坐標(biāo)值表示外流，小于0的縱坐標(biāo)值表示內(nèi)流。
具體實(shí)施例方式下面用實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)一步說明，但本發(fā)明不限于這一實(shí)施例。實(shí)施例本實(shí)施例以滸苔為例。滸苔，水生藻類植物，綠藻門石莼科的一屬。2008年7月在 膠州灣海域大面積暴發(fā)，造成嚴(yán)重危害。將滸苔樣品放入其生長海域的海水中，用離子/分子選擇性電極實(shí)時測量進(jìn)出滸 苔的有關(guān)離子/分子的信息。在黑暗環(huán)境中時，進(jìn)出滸苔表面的H+和O2流變化很平緩；夕卜 加光強(qiáng)為536 μ mol/m2 · s的光照后，流出滸苔表面的O2急劇上升，而 H+則流入滸苔表面， 如圖2所示。與之對應(yīng)，撤去光照后，滸苔表面的O2外流迅速減弱，H+和O2流又轉(zhuǎn)變?yōu)槠?緩狀態(tài)，如圖3所示。暗-光和光-暗轉(zhuǎn)變下滸苔表面離子分子流的變化表明在黑暗環(huán)境 中時，滸苔的光合作用和呼吸作用基本保持平衡；而在光照條件下，滸苔的光合作用急劇增 強(qiáng)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過呼吸作用。在此基礎(chǔ)上，采用選擇性離子/分子電極測量不同發(fā)育階段滸苔在不同光照強(qiáng)度 下O2外流的變化情況，發(fā)現(xiàn)滸苔幼苗和產(chǎn)孢子體的O2外流量較大，幼體的O2外流量相對較 小，而成體的O2外流量最小，如圖4所示。此外，處在不同發(fā)育階段的滸苔基本都是中等光 強(qiáng)下的O2外流量最大，光合作用最為強(qiáng)烈。綜上可知，滸苔的暴發(fā)成因是一種典型的光致暴發(fā)。春夏之交日照時間逐步增長， 特別是清晨和傍晚中等光強(qiáng)的日照時間迅速增加，滸苔產(chǎn)孢子體強(qiáng)大的光合作用能力導(dǎo)致 其加速繁殖，而幼苗強(qiáng)大的光合作用能力導(dǎo)致其迅速生長。夏至前后長日照時間的積累造 成滸苔7月的大面積暴發(fā)。施加光合作用抑制劑或在春夏之交日照時間開始增長時提早防 治都可以遏制滸苔的暴發(fā)。
權(quán)利要求
一種利用分子離子譜判別環(huán)境中藻類暴發(fā)成因的方法，該技術(shù)系統(tǒng)包括離子/分子信息檢測電極單元(1)、數(shù)據(jù)采集/放大系統(tǒng)(2)、顯微成像系統(tǒng)(3)、可編程三維運(yùn)動系統(tǒng)(4)以及自動控制/數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)(5)，其特征是，單個或多個具有選擇性或特異性的離子/分子電極置于真實(shí)生存環(huán)境中的藻類表面近距離處，采集其反饋的電壓或電流信號，去噪、放大后經(jīng)過數(shù)據(jù)分析軟件分析得到進(jìn)出藻類的多種離子/分子的絕對濃度、流動速率及三維運(yùn)動方向等參數(shù)，根據(jù)測定的離子/分子的不同，相應(yīng)的多個離子/分子選擇性電極(1-2)固定在三維步進(jìn)電機(jī)(4-2)的機(jī)械臂上，自動控制/數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)(5)連接并控制電極運(yùn)動控制器(4-1)，電極運(yùn)動控制器(4-1)連接并控制三維步進(jìn)電機(jī)(4-2)，從而帶動多個離子/分子選擇性電極(1-2)在整個測量過程中進(jìn)行三維的非接觸測量，多個離子/分子選擇性電極(1-2)的引線與數(shù)據(jù)采集/放大系統(tǒng)(2)連接，各個離子/分子檢測信號經(jīng)數(shù)據(jù)采集/放大系統(tǒng)(2)輸出到自動控制/數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)(5)，自動控制/數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)(5)還與顯微成像系統(tǒng)(3)連接，電極運(yùn)動控制器(4-1)還與顯微成像系統(tǒng)(3)的顯微鏡(3-1)連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的離子/分子選擇性電極，其特征是，所述的離子/分子選擇性 電極(1-2)根據(jù)測定的離子/分子來選定添加，可以是玻璃電極、金屬電極、碳絲電極、光纖 電極、其他選擇性電極或特異性電極。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的的藻類，其特征是，所述藻類為水生藻類，可以是單細(xì)胞水生 藻類、多細(xì)胞水生藻類或其它類型的水生藻類。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的藻類，其特征是，所述藻類的生存環(huán)境為水生環(huán)境，可以是海 洋環(huán)境、河流環(huán)境、湖泊環(huán)境或其它適合于藻類生存的水生環(huán)境。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用分子離子譜判別環(huán)境中藻類暴發(fā)成因的方法，其特征 是，將所述的藻類樣品放入其真實(shí)生存環(huán)境中，離子/分子選擇性電極實(shí)時測量進(jìn)出藻類 表面離子/分子的絕對濃度、流動速率及三維運(yùn)動方向等參數(shù)，從而得到與藻類在環(huán)境中 暴發(fā)成因相關(guān)的靜態(tài)及動態(tài)分子離子譜，這些譜圖直接反映藻類在真實(shí)生存環(huán)境中生理活 動過程與環(huán)境因素關(guān)系的有效信息，通過計(jì)算機(jī)處理這些信息得出環(huán)境中藻類暴發(fā)的成 因。
全文摘要
本發(fā)明提供一種通過非損傷方式檢測分子離子譜，判別環(huán)境中藻類暴發(fā)成因的方法。該技術(shù)系統(tǒng)包括離子/分子信息檢測電極單元(1)、數(shù)據(jù)采集/放大系統(tǒng)(2)、顯微成像系統(tǒng)(3)、可編程三維運(yùn)動系統(tǒng)(4)以及自動控制/數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)(5)。該方法在不接觸處于真實(shí)生存環(huán)境中藻類的前提下，以手動或編程的方式按照研究人員的設(shè)定實(shí)時測量進(jìn)出藻類表面離子/分子的絕對濃度、流動速率及三維運(yùn)動方向等參數(shù)以得到與藻類在環(huán)境中暴發(fā)相關(guān)的分子離子譜，直接表征藻類在真實(shí)生存環(huán)境中的生理活動過程與環(huán)境因素的關(guān)系。該方法對藻類無損傷，數(shù)據(jù)采集全面，分析結(jié)果快速準(zhǔn)確，能有效節(jié)約人力財(cái)力成本。
文檔編號G01N27/416GK101858883SQ20091008174
公開日2010年10月13日 申請日期2009年4月9日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月9日
發(fā)明者許越 申請人:旭月(北京)科技有限公司