叶绿素α的激光光致发光机理及其浓度测量新方法研究

　　1　引　言

　　随着国内经济的飞速发展,污染越来越严重,环境问题越来越受到人们的关注。水是人类赖以生存的物质基础,水质的好坏直接关系到人类的生存和健康。浮游植物是海洋生态系统中最主要的初级生产者和能量的主要转换者,浮游植物生物量的多少决定了海区内生态系统的群落结构和能量分布状态[1]。因此,海水中浮游植物的浓度是判断水质好坏的重要依据。通常采用测量水体中叶绿素α浓度的方法来获得海水中浮游植物的浓度。由于水体中叶绿素α的浓度反映了浮游植物的浓度[2],因此是环保部门监测水质状况的重要指标之一,同时还可通过海水中叶绿素α浓来估算海洋初级生产力[3]。因此,水体中叶绿素α浓度的测量就显得尤为重要。

　　长期以来,对水体中叶绿素α浓度的常用测量方法主要有分光光度法和荧光分析法两种。无论哪种方法,由于叶绿素荧光信号很弱,需要一个高强度、无背景干扰且稳定输出的激励光源;而人们采用的激励光源多为传统的复色光源(包括汞灯、氙灯、各种等离子体光源等),需要采取滤光、信号放大、去噪声等一系列措施,这无疑使系统结构变得复杂,不利于现场实时测量。而由于激光具有很高的能量峰值和很窄的脉冲宽度,一般由激光诱导荧光测量物质的特性比由一般光源诱导荧光所测的灵敏度提高2倍～10倍。目前国内外已有一些研究者采用激光作为激励光源,但普遍采用能耗较高且价格昂贵的蓝绿光。现率先采用低能耗的红光半导体激光器作为激励光源,并结合光纤光谱技术[4]以提高接受信号的能力,最终使系统具有高灵敏度、低能耗、小型化、易集成化等特点。

　　2　理论分析

　　当特定波长的光子(单色激发光)被所照射的分子吸收后,分子的电子能级发生跃迁而处于激发态,而激发态的分子是不稳定的,在适当条件下如果这部分被吸收的能量又以辐射形式重新回到基态,这就是光致发光。对于叶绿素分子来说,当叶绿素α分子部分或全部吸收其特征吸收波段的光子,就由最稳定的、能量最低的状态-基态上升到不稳定的高能状态-激发态,而激发态分子极不稳定,会在极短的时间内(10-12s)无辐射跃迁到亚稳态能级,处于亚稳态的电子跃迁到基态(10-8s)并释放出荧光[5,6]。叶绿素α分子有红光和蓝光两个最强吸收区,由于它吸收的光能有一部分消耗在分子内部的振动上,且荧光又总是从第一单线态的最低振动能级辐射的,辐射出的光能必定低于吸收的光能,因此叶绿素的荧光的波长总要比被吸收的波长长些。叶绿素α在吸收特定波长的激发光后发射出比激发光波长更长的荧光,通常直观地用叶绿素α的荧光发射光谱来描述。只要激励光的光强稳定,荧光光强仅与叶绿素α的浓度有关。对水体中的叶绿素α来说,在某一特定波长的光激发后,所发射的荧光强度为[7]: