一種微藻培養(yǎng)基光學(xué)常數(shù)及微藻光譜衰減系數(shù)的聯(lián)合測量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及培養(yǎng)基光學(xué)常數(shù)及光譜衰減系數(shù)的聯(lián)合測量方法，特別涉及一種微藻 培養(yǎng)基光學(xué)常數(shù)及微藻光譜衰減系數(shù)的聯(lián)合測量方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 微藻的輻射特性是研究微藻光生物反應(yīng)效率的基本參數(shù)。光譜衰減系數(shù)是基本輻 射特性之一，一般可借助于光譜儀通過對法向透過率的測量而得到。Berberoglu采用單光 程法測量海洋小球藻衰減系數(shù)時(shí)，把小球藻離心后置入PBS溶液內(nèi)（在可見光波段吸收較 小的溶液），以置入PBS溶液的比色皿為參照來消除玻璃和界面產(chǎn)生的多次反射的影響，利 用Beer-Lambert定律最終得到純小球藻的衰減系數(shù)。小球藻在離心處理后，外在環(huán)境的變 化對藻細(xì)胞測量結(jié)果產(chǎn)生的影響無從知曉，而且以內(nèi)置PBS溶液比色皿為參照并不能準(zhǔn)確 消除玻璃和界面產(chǎn)生的多次反射的影響，因此這種方法有一定的局限性。Yun和Park采用 單光程法（利用Beer-Lambert定律）對普通小球藻（Chlorellavulgaris)混懸液可見光 波段的光譜衰減特性進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)光衰減特性存在明顯的光譜依賴性，但由于小球藻 混懸液測量時(shí)忽略了比色皿玻璃的影響，所以會產(chǎn)生較大偏差。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有技術(shù)對外在環(huán)境的變化對藻細(xì)胞測量結(jié)果產(chǎn)生的 影響無從知曉、不能準(zhǔn)確消除玻璃和界面產(chǎn)生的多次反射的影響以及現(xiàn)有技術(shù)存在明顯的 光譜依賴性，忽略了比色皿玻璃的影響，產(chǎn)生較大偏差的問題而提出的一種微藻培養(yǎng)基光 學(xué)常數(shù)及微藻光譜衰減系數(shù)的聯(lián)合測量方法。
[0004] 上述的發(fā)明目的是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：
[0005] 步驟一、根據(jù)提高測量精度的要求，考慮玻璃對測量產(chǎn)生多次反射的影響，用光線 追蹤法建立了三層介質(zhì)光線傳輸模型；其中，三層介質(zhì)光線傳輸模型中，入射玻璃介質(zhì)的厚 度為Li，入射玻璃介質(zhì)的復(fù)折射率為ni+iK1;液體介質(zhì)的厚度為L2;液體介質(zhì)的復(fù)折射率 為n2+ik2;出射玻璃介質(zhì)的厚度為L3;出射玻璃介質(zhì)的復(fù)折射率為n3+ik3，n為折射指數(shù)， K為吸收指數(shù)；i為復(fù)數(shù)；
[0006] 步驟二、在測量微藻懸浮液透射比時(shí)，選擇獲得有效透射數(shù)據(jù)的微藻比色皿容器； 測量培養(yǎng)基透射比時(shí)，根據(jù)培養(yǎng)基的吸收特性選擇兩個(gè)不同光程且滿足透射數(shù)據(jù)測量精度 的培養(yǎng)基比色皿容器；
[0007] 步驟三、將培養(yǎng)基裝在兩個(gè)不同光程培養(yǎng)基比色皿容器中，用光譜儀測量獲得兩 個(gè)不同的培養(yǎng)基透射比TA，EXP和T'A，EXP，采用三層介質(zhì)模型聯(lián)立兩個(gè)透射比方程，利用優(yōu) 化算法和設(shè)定優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)fA通過Matlab優(yōu)化工具箱中的遺傳算法計(jì)算出培養(yǎng)基的光學(xué) 常數(shù)；
[0008] 步驟四、利用光譜儀測量一個(gè)光程的裝在微藻比色皿容器中的微藻懸浮液透射 t匕，根據(jù)微藻懸浮液透射比和步驟三獲得的培養(yǎng)基的光學(xué)常數(shù)，用單光程法求得微藻懸浮 液的衰減系數(shù)0 ;微藻懸浮液的衰減系數(shù)0減去培養(yǎng)基的衰減系數(shù)am得到微藻的衰減系 數(shù)@p;即完成了一種微藻培養(yǎng)基光學(xué)常數(shù)及微藻光譜衰減系數(shù)的聯(lián)合測量方法。
[0009] 發(fā)明效果
[0010] 本發(fā)明棄用傳統(tǒng)的利用Beer-Lambert定律的簡化方法，采用分步計(jì)算的方式，本 發(fā)明充分考慮多層介質(zhì)間的多次反射影響，彌補(bǔ)了現(xiàn)存方法中測量微藻衰減系數(shù)的計(jì)算缺 陷，提高了測量精度如圖2。圖2是傳統(tǒng)雙光程法（利用Beer-Lambert定律）與本發(fā)明的 方法對比，圖中兩組結(jié)果用同樣透射比實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)獲得，但前者忽略玻璃的影響，在此濃度下 兩組結(jié)果差異較大。
[0011] 由于本發(fā)明充分考慮了玻璃對測量產(chǎn)生的影響，建立三層介質(zhì)光線追蹤模型，采 用分步計(jì)算的方式，即先用雙光程法測量培養(yǎng)基的光學(xué)常數(shù)，然后再用單光程法求得微藻 的光譜衰減系數(shù)。發(fā)明中雙光程法是測量用兩個(gè)材質(zhì)相同、光程不同并盛放同一種液體的 比色皿透射比，采用三層介質(zhì)模型并聯(lián)立兩個(gè)透射比方程，利用優(yōu)化算法反演迭代求解出 待測培養(yǎng)基的光學(xué)常數(shù)。本項(xiàng)發(fā)明充分考慮多層介質(zhì)間的多次反射，有效的消除了玻璃對 測量產(chǎn)生的影響?；舅悸肥峭ㄟ^實(shí)驗(yàn)測得微藻懸浮液和培養(yǎng)基的透射信號，然后結(jié)合計(jì) 算模型求解微藻培養(yǎng)基光學(xué)常數(shù)及微藻光譜衰減系數(shù)。彌補(bǔ)了傳統(tǒng)的利用Beer-Lambert 定律測量微藻衰減系數(shù)簡化方法的計(jì)算缺陷，充分考慮多層介質(zhì)間的多次反射，消除了玻 璃對測量產(chǎn)生的影響，獲得精確的結(jié)果。本發(fā)明為研究微藻等粒子群的衰減特性提供一種 準(zhǔn)確的方法，為微生物及納米粒子群衰減特性的研究提供一定的參考。
【附圖說明】
[0012] 圖1是【具體實(shí)施方式】一提出的三層介質(zhì)光線追蹤原理圖；
[0013] 圖2是【具體實(shí)施方式】一提出的傳統(tǒng)方法與聯(lián)合方法測量結(jié)果對比圖；
[0014] 圖3是實(shí)施例提出的聯(lián)合方法測量蒸餾水光學(xué)常數(shù)與文獻(xiàn)值對比圖；
[0015] 圖4是實(shí)施例提出的聯(lián)合方法測量培養(yǎng)基的光學(xué)常數(shù)圖；
[0016] 圖5是實(shí)施例提出的三種不同濃度小球藻混懸液的衰減系數(shù)圖；
[0017] 圖6是實(shí)施例提出的三種不同濃度小球藻的衰減系數(shù)圖；
[0018] 圖7是【具體實(shí)施方式】一提出的一種微藻培養(yǎng)基光學(xué)常數(shù)及微藻光譜衰減系數(shù)的 聯(lián)合測量方法流程圖。
【具體實(shí)施方式】
【具體實(shí)施方式】 [0019] 一：本實(shí)施方式的一種微藻培養(yǎng)基光學(xué)常數(shù)及微藻光譜衰減系數(shù)的 聯(lián)合測量方法，具體是按照以下步驟制備的：
[0020] 步驟一、根據(jù)提高測量精度的要求，考慮玻璃對測量產(chǎn)生多次反射的影響，用光線 追蹤法建立了三層介質(zhì)光線傳輸模型；其中，三層介質(zhì)光線傳輸模型中根據(jù)圖1是三層介 質(zhì)光線追蹤原理圖，假設(shè)光源發(fā)出的光依次通過入射空氣-入射玻璃-液體-出射玻璃-出 射空氣后到達(dá)探測器，圖1中L是透射方向在入射空氣中的光強(qiáng)；Ii是透射方向在液體中 的光強(qiáng)；是透射方向在出射空氣中的光強(qiáng)；J(l是反射方向在光源入射空氣中的光強(qiáng)；Jl是 反射方向在液體的光強(qiáng)；入射玻璃介質(zhì)的厚度（單位m)為Li，入射玻璃介質(zhì)的復(fù)折射率為 h+ik1;液體介質(zhì)的厚度（單位m)為L2;液體介質(zhì)的復(fù)折射率為n2+ik2;出射玻璃介質(zhì)的 厚度（單位m)為L3;出射玻璃介質(zhì)的復(fù)折射率為n3+iK3，空氣為n(l=l，n為折射指數(shù)，k 為吸收指數(shù)；i為復(fù)數(shù)；
[0021] 步驟二、根據(jù)微藻懸浮液和培養(yǎng)基的吸收特性，因其在不同波段吸收差異較大，因 此依據(jù)不同的測量波段選擇適合測量微藻懸浮液和培養(yǎng)基光程的比色皿，即在測量微藻懸 浮液透射比時(shí)，根據(jù)微藻懸浮液的吸收特性選擇一個(gè)合適測量厚度，即選擇獲得有效透射 數(shù)據(jù)的微藻比色皿容器；測量培養(yǎng)基透射比時(shí)，根據(jù)培養(yǎng)基的吸收特性選擇兩個(gè)不同測量 厚度即兩個(gè)不同光程且滿足透射數(shù)據(jù)測量精度的培養(yǎng)基比色皿容器；
[0022] 步驟三、將培養(yǎng)基裝在兩個(gè)不同光程培養(yǎng)基比色皿容器中，用光譜儀測量獲得兩 個(gè)不同的培養(yǎng)基透射比TA，EXP和T'A，EXP，采用三層介質(zhì)模型聯(lián)立兩個(gè)透射比方程，利用優(yōu) 化算法和設(shè)定優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)fA通過Matlab優(yōu)化工具箱中的遺傳算法計(jì)算出培養(yǎng)基的光學(xué) 常數(shù)；
[0023] 步驟四、利用光譜儀測量一個(gè)光程的裝在微藻比色皿容器中的微藻懸浮液透射 t匕，根據(jù)微藻懸浮液透射比和步驟三獲得的培養(yǎng)基的光學(xué)常數(shù)，用單光程法求得微藻懸浮 液的衰減系數(shù)0 ;微藻懸浮液的衰減系數(shù)0減去培養(yǎng)基的衰減系數(shù)am得到微藻的衰減系 數(shù)@p;其中，培養(yǎng)基的衰減系數(shù)是雙光程法得到的，單光程和雙光程只是獲取方法不同，數(shù) 量級相同，適用加減關(guān)系如圖7 ;即完成了一種微藻培養(yǎng)基光學(xué)常數(shù)及微藻光譜衰減系數(shù) 的聯(lián)合測量方法。
[0024] 本實(shí)施方式效果：
[0025] 本實(shí)施方式棄用傳統(tǒng)的利用Beer-