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浮游植物群落组成荧光识别测定方法研究

作　者: 卢璐
导　师: 王修林
学　校: 中国海洋大学
专　业: 海洋化学
关键词: 浮游植物荧光光谱四阶导数高斯分解特征谱识别
分类号: Q948.8
类　型: 硕士论文
年　份: 2007年
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内容摘要

浮游植物分类识别和定量检测是赤潮监测技术的主要研究内容,活体荧光法不仅能提供丰富的光谱信息,而且灵敏度和选择性高,不需要使用有机溶剂,因而得到广泛应用。利用高斯分解法研究浮游植物荧光激发光谱和发射光谱的特征,运用Fisher判别分析法确定特征谱的有效性,在此基础上,利用非负最小二乘法(NNLS)建立浮游植物群落组成识别测定技术,以实现浮游植物群落组成的现场、实时、快速测定,对防治和减少赤潮灾害具有重要意义。本文选择了12种常见藻种,分属硅藻门、甲藻门、绿藻门和隐藻门,包括我国东海常见的10种赤潮藻以及一种绿藻和一种隐藻。在温度为20℃,三个光照条件(15000Lx、10000Lx、6000Lx)下进行实验室培养,测定活体浮游植物三维荧光光谱,运用高斯分解法研究了不同门类浮游植物的荧光光谱特征,在门类水平上分别建立了基于浮游植物荧光激发光谱和发射光谱的群落组成识别技术。通过实验结果的分析和讨论,主要得到如下结论:(1)三维光谱中的瑞利散射严重掩盖了浮游植物的光谱信息,采用Delaunay三角形内插值法能有效消除光谱中的散射干扰,去散射后,甲藻门除塔玛亚历山大藻之外的其它三维光谱的相对标准偏差均在5%~6%之间,除盒形藻之外,硅藻与绿藻、隐藻的相对标准偏差均小于5%。散射的去除有助于提高光谱的精密度,凸显浮游植物荧光特征信息。(2)在门类水平上建立活体叶绿素荧光激发光谱的群落组成识别技术。利用四阶导数分析法分离激发光谱中的重叠荧光峰,在350~550nm内出现的六个极大值,主要代表了活体藻液中的非色素荧光物质、叶绿素和类胡萝卜素等物质的荧光峰;以导数分析为基础,在300~600nm范围内,对硅藻门、甲藻门、绿藻门的荧光激发光谱分别设定11个初始中心波长,对隐藻门设定12个中心波长,作高斯分解及多峰拟合。特征解析表明,同门类荧光激发光谱的高斯峰具有相似的特征,而不同门类高斯峰特征具有显著差异。高斯参数中心波长U和高斯峰高C的相对标准偏差分别小于0.5%和2.5%,半峰宽S在350~550nm范围内相对标准偏差小于5%,具有较高的精密度和良好的重现性。利用相邻峰高比值法不仅可以将硅藻和甲藻很好的分开,还可以对含叶绿素b和含叶绿素c的两大类浮游植物进行区分。以高斯分解得到的7个特征波长点作为荧光激发光谱特征谱,利用Fisher判别技术对测试集作判别分析,结果在门类水平上,三个光照单藻测试集的判别平均正确率达到96.06%,两组不同浓度比组合的混合藻判别平均正确率为82.29%;利用NNLS作识别测定研究,结果单藻识别正确率为92.71%,混合藻识别平均正确率为84.02%。表明以波长380nm,415nm,440nm,465nm,495 nm,530nm,560nm构建的特征谱能够在门类上对不同浮游植物进行有效识别,因而为进一步开发具有自主知识产权的浮游植物荧光自动分析仪提供技术支持。(3)建立单激发波长荧光发射光谱的群落组成测定技术。比较特征激发波长为410nm、440nm、470nm、500nm和530nm下的不同门类浮游植物荧光发射光谱,对差异最大的530nm单激发波长荧光发射光谱进行门类水平上单藻测试集的Fisher判别分析,结果硅藻和甲藻无法区分,在将硅藻和甲藻视为同类的基础上,单藻判别正确率达到94.68%;NNLS识别测定正确率达到85.42%,有效识别硅甲藻、绿藻、隐藻三大类浮游植物。530nm常被作为激光荧光雷达的激发波长,因此单激发波长荧光发射光谱识别技术可以为常用激光荧光雷达提供技术支撑。(4)在门类水平上建立多激发波长荧光发射光谱群落组成测定技术。以荧光激发光谱的高斯特征波长440nm、470nm、530nm为激发波长构建多激发波长荧光发射光谱,对构建的多激发波长荧光发射光谱作Fisher判别分析,结果单藻判别平均正确率为98.15%,两组混合藻判别平均正确率为92.57%;利用NNLS对单藻测试集和混合藻测试集分别作识别测定,其中单藻识别正确率为90.63%;混合藻识别平均正确率为89.53%。分析表明多激发波长荧光发射光谱群落组成测定技术能对不同门类浮游植物进行有效识别,可以为各海洋监测基站现有仪器设备提供技术支持。综上所述,本文以活体浮游植物荧光光谱为研究对象,利用四阶导数法和高斯分解法研究不同门类浮游植物荧光光谱的特征,并利用Fisher判别技术和NNLS建立了基于浮游植物荧光激发光谱和荧光发射光谱的浮游植物群落组成门类水平上的识别测定技术,为实现浮游植物群落组成及赤潮的现场、实时、快速检测提供了一种有效的途径。

全文目录

摘要  3-5
Abstract  5-11
引言  11-12
1 文献综述  12-18
  1.1 赤潮浮游植物检测技术研究进展  12-14
  1.2 四阶导数法在光谱分析中的应用  14-15
  1.3 高斯分解法在光谱分析中的应用  15-16
  1.4 导数光谱法与高斯分解法的结合  16-17
  1.5 本文的研究内容及意义  17-18
2 实验部分  18-21
  2.1 仪器和材料  18
    2.1.1 仪器  18
    2.1.2 试剂  18
  2.2 藻种样品的采集和培养  18-20
    2.2.1 样品的采集  18-19
    2.2.2 实验室藻种培养  19-20
  2.3 活体浮游植物三维荧光光谱测量  20
  2.4 混合藻实验  20-21
3 浮游植物三维荧光光谱预处理及叶绿素荧光光谱特性  21-33
  3.1 三维荧光光谱（EEM）测量精密度研究  21-22
  3.2 三维荧光光谱散射效应的消除  22-24
    3.2.1 散射光的影响  22
    3.2.2 瑞利散射峰的消除  22-24
  3.3 浮游植物叶绿素荧光光谱特性  24-27
    3.3.1 浮游植物色素的种类与光谱特性  24-26
    3.3.2 浮游植物叶绿素荧光产生机理  26-27
  3.4 浮游植物叶绿素荧光激发光谱的选择  27-28
  3.5 叶绿素荧光激发光谱的平滑与归一化  28-31
  3.6 特征荧光激发光谱精密度及重现性分析  31-32
  3.7 小结  32-33
4 活体浮游植物叶绿素荧光激发光谱的群落组成测定技术  33-61
  4.1 活体叶绿素荧光激发光谱的四阶导数光谱  33-42
    4.1.1 光合色素荧光峰初步解析  33-38
    4.1.2 四阶导数光谱的稳定性及重现性  38-41
    4.1.3 门类水平上叶绿素荧光激发光谱初始中心波长的选择  41-42
  4.2 高斯分解法提取活体浮游植物叶绿素荧光激发光谱特征  42-54
    4.2.1 不同门类浮游植物荧光激发光谱的高斯分解  42-50
    4.2.2 不同门类浮游植物荧光激发光谱的高斯峰特征解析  50-51
    4.2.3 峰高比值法区分不同门类浮游植物  51-54
  4.3 活体叶绿素荧光激发光谱的群落组成测定技术的建立  54-59
    4.3.1 叶绿素荧光激发光谱特征谱的Fisher 判别技术  55-58
    4.3.2 门类水平上叶绿素荧光激发光谱的NNLS 识别测定技术  58-59
  4.4 小结  59-61
5 活体浮游植物叶绿素荧光发射光谱群落组成测定技术  61-68
  5.1 单激发波长荧光发射光谱群落组成测定技术  61-64
    5.1.1 不同激发波长下浮游植物荧光发射光谱的比较  61-62
    5.1.2 单激发波长荧光发射光谱的判别和识别测定  62-64
  5.2 多激发波长荧光发射光谱的群落组成测定技术  64-66
    5.2.1 多激发波长荧光发射光谱的构建  64-65
    5.2.2 多激发波长荧光发射光谱的Fisher 判别和NNLS 识别测定  65-66
  5.3 小结  66-68
6 结论  68-70
参考文献  70-77
附录  77-95
致谢  95

浮游植物群落组成荧光识别测定方法研究

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