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原文传递基于智能手机的船舶压载水中微藻活性显微分析技术

论文题名：	基于智能手机的船舶压载水中微藻活性显微分析技术
关键词：	船舶压载水;微藻活性;智能手机;微流控芯片;显微分析
摘要：	全球经济一体化和跨国贸易量的增长推动了国际航运规模的增长。然而，船舶未经处理的压载水的排放会引起严重的生物入侵问题，对当地的海洋生态环境造成巨大的威胁。国际压载水公约规定了满足排放要求的压载水中各尺寸活性生物的含量。微藻是压载水中浮游植物的主要组成成分，故对微藻的活性和浓度进行快速、准确地分析显得极为关键。目前压载水检测方法多为现场的指示性分析方法和实验室详细分析方法。实验室分析耗时较高且设备体积庞大，而现场分析仅为指示性分析，准确度不高。因此，有必要开发一种便携式船舶压载水中微藻活性详细分析设备。本文的主要研究内容有：　　（1）以叶绿素荧光检测原理作为微藻活性的判断依据，微流控芯片作为样本检测平台，智能手机作为数据分析平台，设计了一个基于智能手机的活藻荧光成像系统，用于压载水样中活藻的现场实时检测、计数和尺寸计算。该系统由样本搭载平台、微型蠕动泵、微流控芯片、自制的荧光显微成像平台和智能手机组成。当活藻在微型蠕动泵的驱动下通过芯片激发光照明区域时，活藻内叶绿素将激发出叶绿素荧光，荧光经滤光、放大后由智能手机摄像头采集，最后以红色荧光点的形式显示在手机屏幕上。　　（2）以计算机视觉技术作为微藻计数的依据，开发了一种算法，可以对活性微藻进行检测、计数和尺寸计算，并将算法移植到了Android手机上。算法分为检测、跟踪和计数三个部分。检测算法基于帧间差分法，对检测视频中连续两帧进行求差、二值化、形态学闭运算、轮廓检测和凸包计算，每一个凸包代表一个检测目标。跟踪算法基于质心跟踪，算法的预测部分通过计算轨迹中n个连续位置的相邻横坐标（或纵坐标）之差的加权和来预测目标在当前帧中的跟踪框，算法的匹配部分基于欧氏距离。计数算法在差分帧中设立一条计数线，当被跟踪的目标穿过计数线时，计数值加一。　　（3）设计了活性小球藻检测实验，活性小球藻、扁藻混合检测实验，死、活小球藻混合检测实验和尺寸校准验证实验验证装置对不同尺寸活性微藻的识别能力和计数准确度。结果表明，装置对活性小球藻的检测精度达到92%，能够分辨微藻的尺寸且具有微藻活性的判断能力。　　（4）在上述系统的基础上设计了一个可见光和荧光双视场成像系统，通过分光镜对同时包含蓝光和荧光的光束进行分光，使荧光沿水平方向被Android手机摄像头采集，蓝光沿竖直方向被USB摄像头采集到，USB摄像头通过转接头连接到另一个Android手机。两个Android手机同时显示微藻样本的蓝光视场图像和荧光视场图像。　　本文以叶绿素荧光作为微藻活性判断理论，微流控芯片作为样本检测平台，智能手机作为数据分析平台，设计了一种压载水中微藻活性显微分析技术，为压载水中微藻的现场详细分析提供了新思路。
作者：	侯桐
专业：	轮机工程
导师：	宋永欣
授予学位：	硕士
授予学位单位：	大连海事大学
学位年度：	2022