本文介紹了一種以紅光半導體(ti) 激光器作為(wei) 熒光激發光源，結合光纖光譜技術測量水體(ti) 中葉綠素α濃度的新方法。通過分析葉綠素α的激光光致發光機理，得出了水體(ti) 中葉綠素α熒光發射光譜的相對熒光峰值強度與(yu) 葉綠素α濃度的近似線性關(guan) 係。實驗結果表明，在紅光半導體(ti) 激光器激勵下根據葉綠素α的熒光發射光譜直觀地判斷葉綠素α的濃度這種方法完全可行，由此為(wei) 研製葉綠素α熒光儀(yi) 提供了一種新的光源選擇，並為(wei) 實現現場實時監測海水中葉綠素α濃度提供了實驗依據。

　　隨著國內(nei) 經濟的飛速發展，汙染越來越嚴(yan) 重，環境問題越來越受到人們(men) 的關(guan) 注。水是人類賴以生存的物質基礎，水質的好壞直接關(guan) 係到人類的生存和健康。浮遊植物是海洋生態係統中最主要的初級生產(chan) 者和能量的主要轉換者，浮遊植物生物量的多少決(jue) 定了海區內(nei) 生態係統的群落結構和能量分布狀態。因此，海水中浮遊植物的濃度是判斷水質好壞的重要依據。通常采用測量水體(ti) 中葉綠素α濃度的方法來獲得海水中浮遊植物的濃度。由於(yu) 水體(ti) 中葉綠素α的濃度反映了浮遊植物的濃度，因此是環保部門監測水質狀況的重要指標之一，同時還可通過海水中葉綠素α濃來估算海洋初級生產(chan) 力。因此，水體(ti) 中葉綠素α濃度的測量就顯得尤為(wei) 重要。

　　長期以來，對水體(ti) 中葉綠素α濃度的常用測量方法主要有分光光度法和熒光分析法兩(liang) 種。無論哪種方法，由於(yu) 葉綠素熒光信號很弱，需要一個(ge) 高強度、無背景幹擾且穩定輸出的激勵光源；而人們(men) 采用的激勵光源多為(wei) 傳(chuan) 統的複色光源(包括汞燈、氙燈、各種等離子體(ti) 光源等)，需要采取濾光、信號放大、去噪聲等一係列措施，這無疑使係統結構變得複雜，不利於(yu) 現場實時測量。而由於(yu) 激光具有很高的能量峰值和很窄的脈衝(chong) 寬度，一般由激光誘導熒光測量物質的特性比由一般光源誘導熒光所測的靈敏度提高2倍～10倍。目前國內(nei) 外已有一些研究者采用激光作為(wei) 激勵光源，但普遍采用能耗較高且價(jia) 格昂貴的藍綠光。現率先采用低能耗的紅光半導體(ti) 激光器作為(wei) 激勵光源，並結合光纖光譜技術以提高接受信號的能力，最終使係統具有高靈敏度、低能耗、小型化、易集成化等特點。

　　1.理論分析

　　當特定波長的光子(單色激發光)被所照射的分子吸收後，分子的電子能級發生躍遷而處於(yu) 激發態，而激發態的分子是不穩定的，在適當條件下如果這部分被吸收的能量又以輻射形式重新回到基態，這就是光致發光。對於(yu) 葉綠素分子來說，當葉綠素α分子部分或全部吸收其特征吸收波段的光子，就由最穩定的、能量最低的狀態-基態上升到不穩定的高能狀態-激發態，而激發態分子極不穩定，會(hui) 在極短的時間內(nei) (10-12s)無輻射躍遷到亞(ya) 穩態能級，處於(yu) 亞(ya) 穩態的電子躍遷到基態(10-8s)並釋放出熒光。

        葉綠素α分子有紅光和藍光兩(liang) 個(ge) 最強吸收區，由於(yu) 它吸收的光能有一部分消耗在分子內(nei) 部的振動上，且熒光又總是從(cong) 第一單線態的最低振動能級輻射的，輻射出的光能必定低於(yu) 吸收的光能，因此葉綠素的熒光的波長總要比被吸收的波長長些。葉綠素α在吸收特定波長的激發光後發射出比激發光波長更長的熒光，通常直觀地用葉綠素α的熒光發射光譜來描述。隻要激勵光的光強穩定，熒光光強僅(jin) 與(yu) 葉綠素α的濃度有關(guan) 。對水體(ti) 中的葉綠素α來說，在某一特定波長的光激發後，所發射的熒光強度為(wei) ：

　　式(1)中：k為(wei) 儀(yi) 器常數；Q為(wei) 物質熒光效率；I0為(wei) 激勵光光強；c為(wei) 物質濃度；b為(wei) 樣品光程差；ε為(wei) 摩爾吸收係數。當所測量的熒光物質確定後，k，Q，I0，b，ε均為(wei) 常數，則c與(yu) F成一定數學關(guan) 係。對上式進行分析可知，當溶液很稀時，εcb很小，則上式指數部分近似為(wei) 1-εcb，相應的F=kQI0εbc=ωc(其中ω=kQI0εb，在激勵光光強穩定時是常數)，即此時葉綠素α濃度與(yu) 相對熒光光強近似成線性關(guan) 係。因此在同一穩定的激發光激勵下，可以根據葉綠素α的熒光發射光譜方便直觀地判斷葉綠素α的濃度。

2.實驗方法與(yu) 數據分析

　　實驗中采用激光誘導熒光(LIF)與(yu) 光纖光譜技術結合來測量水體(ti) 中葉綠素α的熒光發射光譜。實驗所用主要儀(yi) 器有：美國海洋光學公司生產(chan) 的HR-2000係列光纖光譜儀(yi) ，輸出功率10mW的紅光半導體(ti) 激光器(660nm)，計算機，量筒，無水乙醇，器皿等。實驗裝置示意圖如圖1所示：

　　實驗具體(ti) 過程如下：用圖1所示實驗裝置先測得不放葉綠素樣品時乙醇溶液在激光照射下的透射光譜，如圖2所示；采集新鮮樹葉若幹，剪碎研磨後用高純度的無水乙醇5ml配成標準溶液，濃度記為(wei) c0，用相同實驗裝置測得該濃度下葉綠素α的熒光發射光譜，相對熒光峰值強度記為(wei) F0；然後逐步添加無水乙醇稀釋成6ml、8ml和10ml的三種不同濃度的溶液，稀釋後的溶液濃度依次記為(wei) 5c0/6、5c0/8和c0/2，用相同的方法分別測得不同濃度下對應的熒光發射光譜，相應的熒光峰值強度記為(wei) F1、F2和F3，測得熒光發射光譜和實驗中獲得的數據分別如圖3，表1所示：

　　比較圖2，圖3可以看出，圖2隻有一個(ge) 峰(660nm)，實際上是激勵光的光譜。兩(liang) 者區別在於(yu) 加入葉綠素樣品後在685nm附近明顯出現了一個(ge) 熒光峰，由此可以判斷其為(wei) 葉綠素α所產(chan) 生的熒光。由於(yu) 不同濃度的葉綠素α在685nm處均有一個(ge) 明顯的熒光發射峰，且峰值強度隨濃度的減小而降低；兩(liang) 者的具體(ti) 關(guan) 係通過分析表1中數據可看出，葉綠素α的相對熒光峰值強度與(yu) 其濃度近似成線性，這與(yu) 理論相吻合，因此可以通過獲取葉綠素α的熒光發射光譜來估算水體(ti) 中葉綠素α的濃度。

3.結論

　　首次提出用紅光半導體(ti) 激光照射葉綠素α溶液產(chan) 生光致發光的新方法，通過實驗觀察到熒光光譜的峰值波長在685nm附近，且峰值高度與(yu) 葉綠素濃度近似成線性關(guan) 係，為(wei) 實現現場監測海水中葉綠素α的濃度提供了理論和實驗依據。這種方法的優(you) 點是：隻需探測熒光光譜中685nm峰值的相對強度，即可快速測定葉綠素α的濃度；由於(yu) 采用紅光半導體(ti) 激光作為(wei) 激發光源，避免了對熒光發射光譜造成背景噪聲，因此靈敏度高，精確性好，克服了傳(chuan) 統方法的局限性；此外，半導體(ti) 激光器體(ti) 積小、功耗低，便於(yu) 研製集成化的測量儀(yi) 器。