Nghiên cứu xây dựng hệ đo thông số quang sử dụng công nghệ xử lý tín hiệu số và ứng dụng

Nhiều mơhình đã được áp dụng cho hướng này: mơ hình Kubelka-Munk, mơ hình lan truyềnbức xạ, mơ phỏng Monte Carlo…[37, 44, 46, 73], từ đĩ, đưa ra nhiều phương phápchẩn đốn như chẩn đốn hì

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

-Nguyễn Tuấn Anh

NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG HỆ ĐO THÔNG SỐ QUANG

SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ XỬ LÝ TÍN HIỆU SỐ VÀ ỨNGDỤNG

LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ

Hà Nội - 2011

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

-Nguyễn Tuấn Anh

NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG HỆ ĐO THÔNG SỐ QUANG

MỤC LỤC

Trang

LỜICAM ĐOAN 3

MỤCLỤC 2

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮVIẾT TẮT 4

DANH MỤCCÁCBẢNG 6

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ,ĐỒTHỊ 6

MỞĐẦU 10

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP ĐO THÔNGSỐQUANG 15

1.1 Đối tượng thực nghiệm và các vấn ñềliênquan 15

1.2 Mô hình xác ñịnh mức ñộ ô nhiễm môi trườngthuỷvực 16

1.2.1 Phương pháp truyền thống xác ñịnh thôngsốtảo 16

1.2.2 Xu thế hiện nay trên thế giới trong lĩnh vực quan trắcthuỷ vực 18

1.2.3 Mô hình quan trắc thủy vựcdựkiến 21

Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT XÂY DỰNG HỆ ĐO THÔNGSỐ QUANG 25

2.1 Tính chất vật lý cơ bản trong tương tác photon - ñối tượngsinhhọc 25

2.1.1 Hấp thụánhsáng 25

2.1.2 Tán xạánhsáng 26

2.1.3 Những thông số cơ bản trong lý thuyếttánxạ 28

2.1.4 Hàmtánxạ 29

2.1.5 Các phương pháp xác ñịnh hấp thụ và tán xạ phổ biếnhiệnnay 30

2.2 Mô tả quá trình lan truyền ánh sáng trong các mẫusinhhọc 32

2.3 Lý thuyết chung về môhìnhKubelka-Munk 34

2.4 Lý thuyết chung về quả cầutíchphân 35

2.5 Xác ñịnh thành phần phản xạ và truyền qua bằng quả cầutíchphân 39

2.6 Lý thuyết chung về mô phỏngMonteCarlo 40

Chương 3 ÁP DỤNG MÔ HÌNH KUBELKA-MUNK VÀ MÔ PHỎNG MONTE CARLO PHÙ HỢP VỚI KỸ THUẬT QUẢ CẦU TÍCHPHÂNĐÔI 45

3.1 Áp dụng mô hình Kubelka-Munk cho các mẫudung dịch 45

3.2 Mối liên hệ giữa các hệ số K, S vớia,s 52

3.3 Thiết kế quả cầutíchphân 54

3.4 Thiết kếquanghệ 58

3.5 Mô phỏng Monte Carlo cho các mẫusinhhọc 59

3.5.1 Quá trình di chuyển photontrongmẫu 59

3.3.2 Mô phỏng Monte Carlo với kỹ thuật quả cầu tíchphân ñôi 63

Chương 4 XÂY DỰNG HỆ ĐO, CHẾ TẠO THIẾT BỊ VÀĐOMẪU 66

4.1 Sơ ñồ khốihệ ño 66

4.2 Hệ ño với cấu hình ñochínhxác 67

4.2.1 Cấu trúc cơ bản của một ñơn vị xử lý tínhiệusố 67

4.2.2 Tổng quan về TMS320C6713 70

4.2.3 Khảo sát khả năng xử lý tín hiệu củaDSKTMS320C6713 73

4.2.4 Thiết kế chế tạo ADC, tích hợp ADC-DSP và phát triển ứng dụng DSP76 4.2.5 Kiểm tra hệ ño với tín hiệu chuẩnlốivào 80

4.3 Hệ ño với cấu hìnhñonhanh 84

4.4 Chế tạothiếtbị 85

4.4.1 Các khối chứcnăng 86

4.4.2 Tối ưu thông sốkỹ thuật 91

4.4.3 Hình ảnh và thông số kỹ thuật cơ bản củathiếtbị 93

4.5 Đomẫu 96

4.5.1 Đomẫuchuẩn 96

4.5.2 Đo mẫu thủy vực chứa tảoñộc,hại 103

KẾTLUẬN 120

KIẾNNGHỊ 122

DANH MỤC CÔNG TRÌNHKHOAHỌC 123

TÀI LIỆU THAMKHẢO 124

PHỤLỤC 135

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

ADC Analog toDigital Converter Bộ biến ñổi Tương tự

-SốALU ArithmeticLogicUnit Đơn vị lô gíc sốhọc

nhớñệm

CDOM Colored DissolvedOrganic

COD ChemicalOxygen Demand Nhu cầu ôxy hóahọc

ProgrammableLogicDevice Mô ñun lô gíc khả trình phức hợpDAC Digital toAnalog Converter Bộ biến ñổi Số - Tương tự

DSP DigitalSignalProcessing Xử lý tín hiệu số

EDMA Direct MemoryAccessEnable Cho phép truy cập bộ nhớ trựctiếpELISA Enzyme-linkedimmunosorbent

EMIF ExternalMemoryInterface Giao diện bộ nhớ ngoài

biếnñổiFIR FiniteImpulseResponse Đáp ứng xung hữuhạn

GPS GlobalPositioningSystem Hệ thống ñịnh vị toàn cầu

JTAG Joint TestAction Group Bộ nạpnhúng

K KMabsorptioncoefficient Hệ số hấp

Đầu thu phổ bức xạ hình ảnh có ñộphân dải thấp

SeaWiFS Sea-viewing WideField-of-View

Sensor Đầu thu quan sát ñại dương trườngnhìn rộng

Tc Collimatedtransmission Thành phần truyền qua chuẩn trực

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 4.1: Thời gian tính toán của DSP ñối với phép nhân hai ma trận nxn 74

Bảng 4.2: Sai khác về biên ñộ giữa tín hiệu chuẩn lối vào với giá trịhiểnthị 82

Bảng 4.3: Sai khác về tần số giữa tín hiệu chuẩn lối vào với giá trịhiểnthị 83

Bảng 4.4: Tiêu chuẩn nguồn sáng cho việc kiểm tra chất lượngnguồnnước 86

Bảng 4.5: Thông số kỹ thuật cơ bản của chip laser sld102 tại nhiệtñộ phòng 87

Bảng 4.6: Thông số kỹ thuật của ñầuthuOPT101 89

Bảng 4.7: Số liệu ño trên mẫu sữa tiêu chuẩn với các nồng ñộkhácnhau 97

Bảng 4.8: Số liệuño a , s và g theo MC và KM trên các mẫu sữa tiêu chuẩn.102 Bảng 4.9: Phổ huỳnh quang của tảo phụ thuộc vào bước sóngkíchthích 105

Bảng 4.10: Phổ kích thích huỳnh quangcủatảo 107

Bảng4.11: Rd , Td , Tc của tảo P rhathymum phụ thuộc vàomậtñộ 109

Bảng 4.12: Tỷlệ s/athayñổitheomậtñộtảoP.Rhathymum 111

Bảng4.13: Rd , Td , Tc của tảo Pseudo-nitzschia phụ thuộc vàomậtñộ 112

Bảng 4.14: Tỷlệ s/athayñổitheomậtñộtảoPseudo-nitzschia 114

Bảng4.15: Rd , Td , Tc của tảo A minutum phụ thuộc vàomậtñộ 115

Bảng 4.16: Tỷlệ s/athayñổitheomậtñộtảoA.minutum 116

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1 Các thành phần phản xạ ñược các ñầu cảm biếnthuñược 18

Hình 1.2 Thông số hình học liên quan ñến bức xạthuñược 19

Hình 1.3 Cấu tạo thiết bị ño phổ huỳnh quang của một sốloàitảo 21

Hình 1.4 Mô hình quan trắc thuỷ vựcdựkiến 22

Hình 2.1 Photon bị ñổi hướng dotán xạ 26

Hình 2.2 Cơ chế phát huỳnh quang vàlânquang 27

Hình 2.3 Nguyên lý tánxạRaman 28

Hình 2.4 Đo thành phầnhấpthụ 31

Hình 2.5 Đo tánxạngược 31

Hình 2.6 Đo thành phần tánxạxuôi 32

Hình 2.7 Bức xạ của tia tới trên thểtích dsdA tại vị trí r từ hướng s ’ vào hướng s33 Hình 2.8 MôhìnhKubelka-Munk 34

Hình 2.9 PhảnxạLambertian 36

Hình 2.10 Trao ñổi bức xạ giữa hai yếu tố vi phân của bề mặtkhuếchtán 36

Hình 2.11 Trao ñổi bức xạ giữa hai phần tử bên trongquảcầu 36

Hình 2.12 Bức xạ bên trong quả cầutíchphân 37

Hình 2.13 Mối liên hệ giữa ñộ dọi vào số lần phảnxạ 38

Hình 2.14 Hệ số nhân phụ thuộc vào tỷ lệ diện tích khe và hệ số phảnxạtrong 38

Hình 2.15 Đo thành phần phản xạ và truyền qua nhờ quả cầutíchphân 39

Hình 2.16 Do tán xạ, photon bị lệnh hướng với góc lệnh, và góc phươngvị 40

Hình 2.17 Lấy mẫu biến ngẫu nhiên nhờ sử dụng số ngẫunhiên 41

Hình 3.1 Photon tán xạ vớigóc 52

Hình 3.2 Photon tán xạ trong một ñơn vị góc ñặcd sˆ 53

Hình 3.3 Mối liên hệ giữa hệ số nhân, hệ số phản xạ và tỷ lệ diệntíchkhe 55

Hình 3.4 Hệ số phản xạ phụ thuộc vào chất liệu lớp phủ và bước sónglàmviệc 56

Hình 3.5 Mặt cắt và hình ảnh bên ngoài của quả cầu tíchphânkép 58

Hình 3.6 Tạo chùm sángchuẩntrực 58

Hình 3.7 Mô tả mối liên hệ giữa gócvài tại mặt trên và mặtdướimẫu 62

Hình 3.8 Toạ ñộ của photon thay ñổi khi có phảnxạtrong 62

Hình 3.9 Lưu ñồ mô phỏng MC kết hợp kỹ thuật quả cầu tíchphânñôi 64

Hình 4.1 Sơ ñồ khốihệ ño 66

Hình 4.2 Kiến trúc cơ bản của một ñơn vị xử lý dữliệusố 67

Hình 4.3 Kiến trúc bên trong củaDSKTMS320C6713 71

Hình 4.4 Cấu trúc lõiDSPTMS320C6713 73

Hình 4.5 Thời gian tính toán khi sử dụng và không sử dụng cấu trúcsongsong 75

Hình 4.6 Tỷ lệ thời gian tính toán giữa có và không sử dụng cấu trúcsongsong 75

Hình 4.7 Thời gian tính toán khi CT viết bằng C và Assembler cấu trúc song song .76

Hình 4.8 Tỷ lệ thời gian tính toán giữa C và Assembler cấu trúcsong song 76

Hình 4.9 Sơ ñồ khối phép ño dựa trên phát triểnDSKTMS320C6713 77

Hình 4.10 Sơ ñồ khối ADC tích hợp vớiDSK TMS320C6713 78

Hình 4.11 Sơ ñồ nguyên lý tích hợp ADC vàDSKTMS320C6713 78

Hình 4.12 Bo mạch ADC tích hợp vớiDSKTMS320C6713 79

Hình 4.13 Lưu ñồ quá trình ñọc dữ liệutừADC 79

Hình 4.14 Giao tiếp giữa các khối trong tích hợp ADCvớiDSP 80

Hình 4.15 Kiểm tra hệ ño với các tín hiệu chuẩnlốivào 81

Hình 4.16 Thông số của tín hiệu chuẩn trên các cửa sổ sau khi tích hợp vớiDSP.81Hình 4.17 Sai khác về biên ñộ giữa tín hiệu chuẩn lối vào và giá trịhiểnthị 82

Hình 4.18 Sai khác về tần số giữa tín hiệu chuẩn lối vào và giá trịhiểnthị 84

Hình 4.19 Xác ñịnh R d , T d , T c dựa trên kỹ thuật quả cầu tíchphânñôi 85

Hình 4.20 Sự phụ thuộc của cường ñộ bức xạ vào góc phát xạ vàbướcsóng 87

Hình 4.21 Đường ñặc tuyến P-I củalaserdiode 88

Hình 4.22 Sơ ñồ khối mạch ñiều khiểnlaserdiode 88

Hình 4.23 Đáp ứng tần số của ñầu thuphotoodiodeOPT101 89

Hình 4.24 Kết nối ADC vàohệ ño 90

Hình 4.25 Lưu ñồ truy nhập dữ liệutừADC 90

Hình 4.26 Xác ñịnh thành phần Td .91

Hình 4.27 Xác ñịnh thànhphần Rd 92

Hình 4.28 Xác ñịnh thànhphầnTc 92

Hình 4.29 Hình ảnh bên ngoài củathiếtbị 93

Hình 4.30 Giao diện chính củathiếtbị 94

Hình 4.31 Cửa sổ giao diện xem kết quả ño củathiếtbị 95

Hình 4.32 Cửa sổ giao diện ñặt cấu hình củathiếtbị 96

Hình 4.33 Hình ảnh các hạt béotrongsữa 97

Hình 4.34 Sự phụ thuộc của R d,T d vàT c vào nồngñộsữa 98

Hình 4.35 Khảo sát sự phụ thuộc của T c vào nồng ñộ sữa theo các tác giả khác 99

Hình 4.36 Sự phụ thuộc của µ s vào nồngñộsữa 99

Hình 4.37 Giá trị của µ a , µ s và g theo tài liệu công bố của tácgiảkhác 100

Hình 4.38 Sự phụ thuộc của µ a vào nồngñộsữa 100

Hình 4.39 Sự phụ thuộc của g vào nồngñộsữa 101

Hình 4.40 Sự phụ thuộc của µ a,s,g vào nồng ñộ sữa ño theo MCvà KM 103

Hình 4.41 Sơ ñồ bố trí phép ño phổhuỳnhquang 104

Hình 4.42 Phổ huỳnh quang của một số loài tảo vùng thuỷ vựcĐồSơn 105

Hình 4.43 Sơ ñồ bố trí phép ño phổ kích thíchhuỳnhquang 106

Hình 4.44 Phổ KTHQ của một số loài tảo ñộc, hại vùng thuỷ vựcĐồSơn 107

Hình4.45 R d,T d,T c của tảo Prorocentrum rhathymum phụ thuộc vào mật ñộ.109 Hình4.46. a , s,g của tảo Prorocentrum rhathymum phụ thuộc vào mật ñộ 110

Hình4.47.Thayñổicủatỷlệ s /a theo mật ñộ tảo Prorocentrum rhathymum 111

Hình4.48 R d,T d,T c của tảo Pseudo-nitzschia phụ thuộc vàomậtñộ 112

Hình4.49. a , s,g của tảo Pseudo-nitzschia phụ thuộc vàomậtñộ 113

Hình4.50.Thayñổicủatỷlệ s / a theo mật ñộtảoPseudo-nitzschia 114

Hình4.51 R d,T d,T c của tảo A minutum phụ thuộc vàomậtñộ 115

Hình4.52. a , s,g của tảo A minutum phụ thuộc vàomậtñộ 116

Hình4.53.Thayñổicủatỷlệ s /a theo mật ñộ tảo A.minutum 117

MỞ ĐẦU

Các phương pháp xác định đối tượng dựa trên thơng số quang đã được biết đến

từ khá lâu Từ những năm 70 của thế kỷ 18, người ta đã sử dụng đĩa Secchi đượcthả chìm dưới nước để đo độ trong của ao, hồ thơng qua việc quan sát ánh sángphản xạ từ đĩa Cùng với những tiến bộ trong khoa học, cơng nghệ và kỹ thuật, ngàynay, trong nhiều lĩnh vực khác nhau: cơng nghệ sinh học, cơng nghệ chế biến thựcphẩm , người ta đã chế tạo ra những thiết bị chuyên dụng cho phép xác định thànhphần hấp thụ, thành phần tán xạ khi chiếu một chùm sáng qua mẫu, nhờ đĩ, xácđịnh được thành phần và chất lượng sản phẩm [56, 74, 80, 92, 97, 104,105]

Trong vài thập kỷ gần đây, trong lĩnh vực y tế, người ta rất quan tâm đến hướngnghiên cứu về mơ, tế bào dựa trên phân tích thơng số quang của đối tượng gồm hệ

số hấp thụ, hệ số tán xạ và hệ số bất đối xứng [24, 26, 34, 43, 64, 89] Nhiều mơhình đã được áp dụng cho hướng này: mơ hình Kubelka-Munk, mơ hình lan truyềnbức xạ, mơ phỏng Monte Carlo…[37, 44, 46, 73], từ đĩ, đưa ra nhiều phương phápchẩn đốn như chẩn đốn hình ảnh, phương pháp quang phổ…[32, 64, 68, 79,81].Trong thời gian gần đây, các phương pháp đo thơng số quang cịn được mởrộng sang lĩnh vực mơi trường để quan trắc quá trình phát triển của tảo độc, hại, đặcbiệt là hiện tượng thuỷ triều đỏ hay cịn gọi là sự nở hoa mà nguyên nhân là do sựbùng phát của các lồi tảo độc, hại cĩ trong thuỷ vực Chỉ trong vài ngày, mật độ tảođộc, hại cĩ thể từ vài trăm tế bào/ml tăng lên đến hàng triệu tế bào/ml Trên thực tế,

sự bùng phát của tảo độc, hại vừa là nguyên nhân, vừa là hậu quả của ơ nhiễm thuỷvực: khi bị ơ nhiễm, thủy vực chuyển từ nghèo dưỡng sang giàu dưỡng, tạo điềukiện thuận lợi cho tảo độc, hại bùng phát Sau khi bùng phát, tảo độc, hại bước sanggiai đoạn phân hủy và thải độc tố ra mơi trường Vì vậy, người ta lấy mật độ tảođộc, hại làm một chỉ báo thể hiện mức độ ơ nhiễm của thủy vực đĩ[84]

Đứng trước nguy cơ ơ nhiễm thuỷ vực ngày càng gia tăng, nhiều hội nghị quốc

tế về ơ nhiễm thuỷ vực đã được tiến hành, điển hình là các hội nghị quốc tế về tảođộc được tổ chức 2 năm một lần kể từ năm 1980 (lần thứ 13 vào năm 2008 tại HồngKơng, lần thứ 14, năm 2010 tại Hy Lạp) để trao đổi thơng tin khoa học, đưa ra các

phương pháp nghiên cứu mới, hiện ñại nhằm cảnh báo, giám sát và giảm thiểu táchại do tảo ñộc, hại gây ra ñối với hệ sinh thái, ñối với ngành thủy sản, du lịch….Tại Việt Nam, nhiều ñề tài, dự án nghiên cứu về tảo ñộc, hại ñã ñược tiếnhành, trong ñó, phải kể ñến Chương trình hợp tác nghiên cứu cơ bản vi tảo ñộc, hại

ở vùng ven bờ biển Việt Nam giữa Viện Hải Dương Học Nha Trang và Trung tâmKhoa học và Truyền thông về Tảo ñộc hại của Uỷ ban liên chính phủ về Hải dươnghọc IOC, Đan Mạch Trên cơ sở các kết quả nghiên cứu, các nhà khoa học ñã khẳngñịnh cần phải khẩn trương xây dựng chương trình quan trắc quốc gia về tảo ñộc ñểphát hiện, cảnh báo và ñưa ra các giải pháp ñối phó kịp thời[17]

Hiện nay, trên thế giới, người ta ñã áp dụng một số phương pháp khác nhau ñểquan trắc thuỷ vực, chủ yếu là quan trắc khi tảo ñộc, hại ñã vào giai ñoạn bùng pháthoặc quan trắc tại phòng thí nghiệm với thời gian mất vài tuần Việc xác ñịnh nhanhcác thông số của thủy vực ngay ngoài hiện trường và quan trắc thủy vực có mật ñộtảo ở mức vài chục tế bào/ml ñể cảnh báo sớm sự bùng phát của chúng vẫn còn làmột thách thức và do vậy, chúng có ý nghĩa khoa học và thực tiễn cao

Các phương pháp quan trắc thuỷ vực hiện nay chủ yếu dựa trên việc xác ñịnhphổ huỳnh quang của tảo ñộc, hại có trong môi trường Hiện nay, các phương phápnày chỉ phân biệt ñược khoảng 5 nhóm tảo theo vùng phổ Trong khi ñó, theo cácnhà khoa học, ô nhiễm thuỷ vực do tảo ñộc, hại gây ra có thể ñược nhận biết dựatrên thông số quang của chúng gồm hấp thụ và tán xạ [26, 35, 36, 54, 61, 66, 75, 88,108] Vì vậy, việc xây dựng phép ño các thông số quang của thủy vực có tảo ñộc,hại cũng có thể là một hướng ñể xây dựng hệ quan trắc thủy vực tại nướcta

Trong luận án này, chúng tôi trình bày một hướng tiếp cận mới ñể quan trắcthủy vực dựa trên việc xác ñịnh các thông số quang của tảo ñộc, hại khi chiếu mộtchùm laser vào thuỷ vực Hệ ño cho phép ño nhanh, chính xác và ño ñồng thời bathông số quang của thuỷ vực có mật ñộ tảo thấp gồm hệ số hấp thụ, hệ số tán xạ và

hệ số bất ñối xứng

 Mục tiêu và nội dung nghiên cứu chính của ñềtài

Phương pháp ño thông số quang có thể ñược áp dụng trên nhiều loại ñối tượngkhác nhau Tuy nhiên, trong luận án này, chúng tôi tập trung xây dựng hệ ño ápdụng cho ñối tượng là các mẫu dung dịch có nồng ñộ thấp các hạt tán xạ Việc xâydựng thành công hệ ño này sẽ hứa hẹn khả năng ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khácnhau: xét nghiệm máu nhằm phát hiện sớm tế bào lạ, kiểm tra an toàn nguồn nướcnhờ phát hiện nhanh các tạp chất, tảo, nấm có trong môi trường…

Để xây dựng hệ ño, về mặt phương pháp luận, chúng tôi ñã nghiên cứu, kếthợp kỹ thuật quả cầu tích phân ñôi với mô phỏng Monte Carlo và mô hình Kubelka-Munk

Về mặt kỹ thuật, chúng tôi ñã áp dụng một số phương pháp xử lý tín hiệu gồm:(i) xử lý tín hiệu số dựa trên phát triển ứng dụng DSP sử dụng cấu trúc song song và

kỹ thuật ñường ống, cho phép thực hiện khối lượng tính toán lớn và yêu cầu ñồngthời xử lý nhiều kênh, chế tạo ADC và tích hợp ADC với DSP qua cổng mở rộng bộnhớ ngoài; (ii) xử lý tín hiệu tương tự dựa trên các ñầu thu photodiode hybrid ñộnhạy cao và biến ñổi ADC; (iii) xử lý tín hiệu ánh sáng bao gồm việc chế tạo nguồnsáng chuẩn trực, ñiều khiển laser bán dẫn ñể ñảm bảo công suất phát của laser luôn

ổn ñịnh, tích hợp quang ñiện tử giữa nguồn sáng chuẩn trực, hệ hai quả cầu tíchphân, các ñầu thu,…; (iiii) xây dựng các mô ñun phần mềm ñiều khiển, tính toán,hiển thị …dựa trên ADC chuyên dụng, các thuật toán theo mô hình Kubelka-Munk

và mô phỏng Monte Carlo… Mục tiêu và nội dung nghiên cứu chính của luận án cóthể ñược tóm tắt nhưsau:

oXây dựng hệ ño thông số quang của thuỷ vực vùng ven bờ biển Việt Nam có mật

ñộ tảo thấp trên cơ sở nghiên cứu các phương pháp, mô hình phù hợp và dựa trêncông nghệ tích hợp quang ñiện tử, kỹ thuật xử lý tín hiệu Hệ ño làm việc theo haicấu hình: ño nhanh và ño chính xác ba thông số quang gồm hệ số hấp thụ, hệ số tán

xạ và hệ số bất ñối xứng;

oTrên cơ sở hệ ño ñã xây dựng, chế tạo một thiết bị ño lưu ñộng, cho phép ñonhanh, ño ñồng thời ba thông số quang của thủy vực có mật ñộ tảo thấp

 Nội dung nghiêncứu:

o Tìm hiểu và mô tả ñối tượng nghiên cứu dưới góc ñộ vật lý bao gồm các thông

số quang như hệ số tán xạ, hệ số hấp thụ và hệ số bất ñốixứng;

o Lựa chọn và phân tích chi tiết mô hình áp dụng cho thuỷ vực biển ven bờ ViệtNam ñể xây dựng hệ ño thông số quang của thuỷ vực có tảo ñộc, hại gồm môhình kubelka-Munk và mô phỏng Monte Carlo.Kỹthuật chính ñược sử dụnggồmcó:

- Kỹ thuật quả cầu tích phânñôi;

- Kỹ thuật xử lý tín hiệu ánh sáng dựa trên việc chế tạo nguồn sáng chuẩn trực

có ñiều khiển, chế tạo quang hệ, chế tạo hệ thu tín hiệuquang;

- Kỹ thuật xử lý tín hiệu số dựa trên phát triển mô hình Kubeka-Munk kết hợp

kỹ thuật quả cầu tích phânñôi;

- Kỹ thuật xử lý tín hiệu số dựa trên xây dựng thuật toán cho mô phỏng MonteCarlo phù hợp với kỹ thuật quả cầu tích phânñôi;

- Xử lý tín hiệu số dựa trên phát triển ADC chuyêndụng;

- Xử lý tín hiệu số dựa trên phát triển ứng dụng DSP sử dụng cấu trúc song song, kỹ thuật ñườngống;

o Đo thông số quang của một số mẫu sữa tiêu chuẩn, mẫu tảo ñộc ñã ñược phân lập và nuôi với mật ñộ tảo khácnhau

 Tình hình nghiêncứu

Để xác ñịnh thông số quang của thủy vực có tảo ñộc, hại, người ta thường sửdụng phương pháp truyền thống ño trong phòng thí nghiệm như Phương phápUtefrmohl [85], Buồng ñếm Sedgewick Rafter [48, 98], Kỹ thuật nhuộm mầu [7,69], Phương pháp ELISA [2] Ngoài ra, hiện nay, ñể xây dựng hệ thống quan trắcthuỷ vực, người ta còn tiếp cận theo hai hướng chủ yếu sau:

 Kết hợp các phép ño ngoài thực ñịa với các số liệu hình ảnh thu ñược từ các ñầucảm biến ñặt trên vệ tinh Một chương trình xử lý ảnh chuyên dụng sẽ phân tíchthông số quang của thủy vực dựa trên các bức ảnh thuñược;

 Xây dựng các thiết bị chuyên dụng ño phổ huỳnh quang củatảo

Tại Việt Nam, hiện nay, các phép ño về tảo ñược tiến hành tại phòng thí nghiệm,theo phương pháp truyền thống và chưa có công trình công bố nào ñề cập ñếnphương pháp ño thông số quang của thủy vực có mật ñộ tảo thấp (các phương phápquan trắc thuỷ vực nêu trên sẽ ñược trình bày chi tiết trong chương 1).

 Đối tượng và phạm vi nghiêncứu

Dưới góc ñộ vật lý, ñối tượng nghiên cứu là bộ ba thông số quang của mẫu dungdịch gồm hệ số hấp thụ, hệ số tán xạ và hệ số bất ñối xứng

Về mặt thực nghiệm, trong khuôn khổ luận án, chúng tôi tập trung vào hai ñốitượng là dung dịch sữa có tỷ lệ chất béo 4% ñược pha chế với nồng ñộ khác nhau và

03 mẫu tảo ñộc ñã ñược phân lập và nuôi ở mật ñộ khác nhau Dung dịch sữathường ñược sử dụng làm mẫu chuẩn trong lĩnh vực lý sinh do các phần tử sữa ñượckết dính thành các hạt có dạng hình cầu với kích thước ổn ñịnh [67, 90] Các mẫutảo ñộc ñược sử dụng trong hệ ño ñể ñánh giá khả năng xác ñịnh thông số quangcủa thủy vực có mật ñộ tảothấp

Tảo ñộc, hại về hình thái cũng tương tự như những loài tảo khác: kích thước nhỏ,sống trôi nổi trong tầng ñáy, dạng nghỉ ở giai ñoạn bào xác và chỉ thải ñộc tố ra thuỷvực khi bị phân hủy Hay nói cách khác, trong ñiều kiện bình thường, tảo ñộc, hại

có trong thuỷ vực chỉ là tiềm ẩn của rủi ro Theo khuyến cáo của tổ chức y tế thếgiới WHO, khi mật ñộ tảo ñến một ngưỡng nào ñó (ví dụ 1000 tế bào/ml ñối với tảolam), nguồn nước ñược xem là bị ô nhiễm nặng nề [38]) Tuy nhiên, việc phát hiệntảo với mật ñộ thấp dưới 1000 tế bào/ml là một công việc khókhăn

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP ĐO THÔNG SỐ QUANG 1.1 Đối tượng thực nghiệm và các vấn ñề liênquan

Thuỷ vực ven bờ biển Việt Nam hiện có khoảng 70 loài tảo ñộc, hại [55].Trong thời gian qua, nhiều công trình nghiên cứu về tảo ñộc, hại ñã ñược tiến hànhtại Việt Nam thông qua các chương trình hợp tác quốc tế với nội dung chính là khảosát phân bố và ñộ phong phú của các loài tảo ñộc, hại trong các thủy vực ven bờbiển Việt Nam Hiện nay, nghiên cứu tảo ñộc, hại trên thế giới và trong nước ñượctiến hành theo bốn hướng chủ yếu là [8, 13]: (i) ñiều tra, phát hiện vùng xuất hiệntảo ñộc, hại và các hiệu ứng của ñộc tố; (ii) nghiên cứu về những loài tảo gây ñộc vàphương pháp phát hiện chúng, tác ñộng của ñiều kiện môi trường lên sự nở hoa và

sự tích luỹ ñộc tố; (iii) nghiên cứu về ñộc tố của tảo và các nhóm ñộc tố; (iiii) giámsát và quản lý tảo ñộc,hại

Trong luận án này, chúng tôi sẽ tập trung vào hướng nghiên cứu phương phápphát hiện tảo ñộc, hại có trong thủy vực và hướng giám sát tảo ñộc, hại

Hiện nay ở nước ta có bốn Trung tâm quan trắc và cảnh báo môi trường, trong

ñó, có ba Trung tâm vùng nội ñịa ñặt tại ba miền: Bắc, Trung, Nam và một Trungtâm vùng biển Tần xuất quan trắc ñược thực hiện hai lần/năm vào các tháng 4, 5

và các tháng 9, 10 Dựa trên các tiêu chuẩn ñánh giá, cảnh báo ô nhiễm gồm TCVN5943-1995, tiêu chuẩn của Bộ Thuỷ sản 2006, hiện nay, bộ thông số môi trường ápdụng cho hoạt ñộng quan trắc, phân tích môi trường biển ven bờ gồm có: (i) bộthông số khí tượng - thuỷ văn với các thông số gồm nhiệt ñộ, ñộ ẩm, áp suất, cácthông số về sóng, gió, dòng chảy; (ii) bộ thông số môi trường nước và trầm tích vớicácthôngsốnhư:ñộmuối,ñộpH,COD,BOD,ñộñục,ñộtrong,kimloạinặng…;

(iii) bộ thông số sinh vật gây bệnh và chỉ thị chất lượng môi trường gồm tảo ñộc,hại và thực vật phù du khác, vi sinh vật, ñộng vật phù du, ñộng vậtñáy

Để xây dựng ñược các bộ thông số trên, người ta phải tiến hành nhiều côngñoạn gồm thu thập mẫu, bảo quản mẫu, vận chuyển mẫu và lưu trữ mẫu

 Thu thập mẫu:Thông thường, người ta phải dùng các phương tiện như tầu,

thuyền, lưới vớt tảo, ñược trang bị GPS, ñi ñến những ñiểm cần lấymẫu

 Bảo quản mẫu:Tuỳtheo các loại thơng số cần đo, mẫu được bảo quản trong

các loại bình chứa khác nhau và với điều kiện bảo quản khácnhau

 Vận chuyển mẫu:Thơng thường, sau khi lấy mẫu, các mẫu cần được vận

chuyển về phịng thí nghiệm trong thời gian sớmnhất

 Lưu trữ mẫu:Trước và sau khi đo đạc, mẫu luơn phải được lưutrữ.

Sau mỗi đợt quan trắc, các số liệu được ghi chép vào sổ tay phân tích và dựavào đĩ, người ta đánh giá hiện trạng ơ nhiễm Như vậy, theo quy trình xác định cácthơng số của tảo độc, hại hiện nay, tồn tại những thực tế sau:

1 Các cơng đoạn: thu thập mẫu, vận chuyển mẫu, bảo quản mẫu, lưu trữ mẫu tốn rất nhiều cơng sức và thờigian;

2 Các phép đo được thực hiện trong phịng thí nghiệm, mất nhiều thời gian nên khơng phù hợp khi cĩ yêu cầu cần cảnh báonhanh;

3 Các kết quả đo được lưu trữ bằng phương pháp ghi chép thủ cơng nên khơng tránh khỏi những sai sĩt, nhầm lẫn đángtiếc

1.2 Mơhình xác định mức độ ơ nhiễm mơi trường thuỷvực

1.2.1 Phương pháp truyền thống xác định thơng sốtảo

1 Thơng số về phổ huỳnh quang của tảo độc,hại:

Các lồi vi tảo cĩ thể được phân thành từng nhĩm theo sắc tố [58, 59] Nhìnchung, tất cả các lồi tảo đều chứa sắc tố mầu xanh Chlorophyll a và cĩ thể chứathêm sắc tố phụ như Chlorophyll b, Chlorophyll c, Carotenoit, Xanhtophyll, trongđĩ: Chlorophyll a hấp thụ tại bước sĩng 436 nm, phát huỳnh quang tại 685 nm;Chlorophyll b hấp thụ tại bước sĩng 645 nm; Chlorophyll c hấp thụ tại 630 nm

2 Thơng số về hình dạng, kích thước của tảo độc,hại:

Hiện nay, trong thuỷ vực ven bờ biển Việt Nam, tảo độc, hại được phân chiathành năm ngành: Vi Khuẩn Lam, Tảo Silíc, Tảo Hai Roi, Tảo Sợi Bám, Tảo Kim.Nhìn chung, hình dạng và kích thước của các lồi tảo độc, hại rất khác nhau: cĩ lồiliên kết thành tập đồn, cĩ lồi hình que, cĩ lồi hình trịn dẹt… Kích thước củachúng cũng thay đổi: cĩ lồi cĩ kích thước chỉ vào khoảng vàim nhưng cũng cĩlồi cĩ kích thước lên đến vài chụcm [16, 67]

3 Các phương pháp truyền thống xác ñịnh thông số của tảo ñộc,hại:

Phương pháp truyền thống xác ñịnh mức ñộ ô nhiễm do tảo ñộc, hại gây ra dựatrên việc xác ñịnh mật ñộ tảo và ñộc tố Sau ñây là các phương pháp thông dụng:

 Phương pháp Utermohl

Theo phương pháp Utermohl, người ta sử dụng một buồng chứa kết hợp gồmmột bình hình trụ (dung tích: 5, 10, 25, 50, 100 ml) ñược ñặt ở phía trên cùng vàmột buồng chứa phẳng có ñáy có thể tháo rời, ñược ñặt ở phía dưới Khi cho mẫuvào bình, các phần tử có xu hướng lắng ñọng Người ta bỏ ñi phần trên và chỉ ñểlại phần lắng ñọng nơi ñáy bình, sau ñó, quan sát chúng dưới kính hiển vi

 Phương pháp buồng ñếm Sedgewick Rafter

Buồng ñếm Sedgewick Rafter là những tấm trong suốt với ô trung tâm chứañược 100 mm3chất lỏng Đáy của buồng ñược chia thành các ô lưới ñều với diệntích 1 mm2 Khi chất lỏng ñược chứa vào ô trung tâm, lưới sẽ chia ñều 1 mililítchất lỏng thành microlít Kết hợp với việc quan sát chất lỏng dưới kính hiển vi,chúng ta có thể ñếm ñược số lượng phần tử có trong một ñơn vị thể tích

 Kỹ thuật nhuộmmầu

Trước khi nhuộm, mẫu phải ñược làm sạch bằng hoá chất ñể loại bỏ tế bào chất.Phẩm nhuộm hay ñược sử dụng là Carmin (cho mầu hồng nhạt hay tím nhạt nếuvách tế bào cấu tạo từ cellulose) hoặc pectin hay phẩm nhuộm xanh iod (cho mầuxanh lục nếu vách tế bào thấm lignin hoặc suberin)

1.2.2 Xuthế hiện nay trên thế giới trong lĩnh vực quan trắc thuỷvực

Sau nhiều thập kỷ nghiên cứu, các nhà khoa học đã nhận định: thơng số về tảođĩng một vai trị quan trọng trong quan trắc thuỷ vực và xem chúng là chỉ số đánhgiá sự xuống cấp thuỷ vực [42] Trên thực tế, ngay cả đối với những lồi tảo khơng

cĩ độc tố, sau giai đoạn phát triển sẽ là giai đoạn thối hố và phân huỷ Trong giaiđoạn này, chúng sẽ hấp thụ ơ xy và do đĩ, gây ơ nhiễm mơi trường Như vậy, đểxây dựng được một hệ thống quan trắc thuỷ vực cĩ hiệu quả, nhất thiết phải giámsát được quá trình thay đổi các thơng số củatảo

Hiện nay, trên thế giới, người ta đã đưa ra một số phương pháp quan trắc thuỷvực Những phương pháp chính cĩ thể kể đến là:

1 Phương pháp kết hợp giữa số liệu thực địa với số liệu thu được từ các đầu cảmbiến đặt trên vệtinh:

Đây là phương pháp được áp dụng rộng rãi nhất hiện nay trên thế giới, đặc biệt

là tại châu Âu, để quan trắc quá trình nở hoa của tảo độc, hại trên đại dương [25, 27,

28, 30, 45, 51, 67, 76, 99, 100] Theo đĩ, người ta kết hợp giữa các số liệu thu được

từ các đầu cảm biến quang đặt trên vệ tinh bao gồm thiết bị phân tích phổ hình ảnhnhư SeaWiFS, MODIS, MERIS với các số liệu đo ngồi thực địa

Phương pháp này dựa trên nguyên tắc phân tích ảnh phản xạ do mặt trời chiếuxuống bề mặt đại dương, được các đầu cảm biến đặt trên vệ tinh thu được Dựa trêncác đặc tính của hình ảnh gồm mầu sắc và cường độ sáng, người ta dự đốn đượcmật độ của các phần tử cĩ trong thuỷ vực (hình 1.1)

Hình 1.1 Các thành phần phản xạ được các đầu cảm biến thu được.

(1) Bức xạ từ thuỷ vực, (2) Phản xạ từ đáy thuỷ vực, (3) Phản xạ từ bề mặt nước-khơng khí, (4) Bức xạ trong khí quyển, (5) Bức xạ do phản xạ với các phần tửkhác

trong ñó L W ,L s ,L a ,L b ,L l lần lượt là bức xạ từ thuỷ vực, từ bề mặt nước-không khí,

từ khí quyển, từ ñáy thuỷ vực và từ các phần tử khác nằm trong trường nhìn của ñầuthu;

Hình 1.2 Thông số hình học liên quan ñến bức xạ thu ñược

Trong số các thành phần ảnh hưởng ñến chất lượng hình ảnh, người ta ñặc biệtquan tâm ñến thành phần bức xạ của các phần tử có trong thuỷ vực

L w- thành phầnliên quan trực tiếp ñến các thông số quang của các phần tử có trong thuỷ vực, ñồngthời, tìm cách tránh ảnh hưởng của các thành phần khác Nhìn chung, những thànhphần nói trên lại phụ thuộc vào từng vùng thuỷ vực và từng vùng ñịa lý

Thành phần phản xạ từ bề mặt ñại dương ñược xác ñịnh dựa vào hệ số phản xạ

bức xạ (irradiance reflectance) R() Một cách tổng quát, hệ số phản xạRñược

biểu diễn như sau [75]: Rf b b

Hệ số hấp thụ tổng hợp a

 và tán xạ tổnghợp

b b 

 có thể ñược biểud i ễ nqua các hệ số hấp thụ và tán xạ của các phần tử có trong thuỷ vực như sau:

aa wa yC ph a phC s a s

b b  b w  C ph b ph  C s b s  

(1.3)(1.4)

trong ñó C ph vàCs lần lượt là mật ñộ của sinh vật phù du và các phần tử vô cơ lơ

lửng Các chỉsố w,y,ph vàs lần lượt ñại diện cho nước, chất hữu cơ hoà tan có

mầu (CDOM), sinh vật phù du và phần tử vô cơ

Các nhà khoa học tại Viện Nghiên cứu và Phát triển Đại dương Hàn Quốc ñãnhận ñịnh: mấu chốt của một hệ quan trắc thuỷ vực là phải biết ñược thông sốquang của thủy vực có các loài tảo gây ra hiện tượng thuỷ triều ñỏ[42]

2.Phương pháp quan trắc dựa trên phổ huỳnh quang củatảo:

Dựa trên ñặc tính tảo có thể phát huỳnh quang khi hấp thụ ánh sáng tại mộtbước sóng thích hợp, nhiều nhà khoa học tại nhiều nước phát triển ñã ñi theo hướnglấy cường ñộ huỳnh quang của tảo làm chỉ báo cho mức ñộ ô nhiễm thuỷ vực Theohướng này, các nhà khoa học ñang cố gắng xây dựng những thiết bị chuyên dụng ñophổ huỳnh quang của tảo trong môi trường tự nhiên Khi ñó, người ta sẽ sử dụngmột nguồn sáng có bước sóng thay ñổi chiếu vào mẫu nước cần ño [26] Có thể kểñến những công trình nghiên cứu tiêu biểu gần ñây như:

 Dự án nghiên cứu, xây dựng hệ thống quan trắc thuỷ vực do trường Đại họcTổng hợp Umaine, Orono, USA bắt ñầu tiến hành từ tháng 3 năm 2007 [101]với mục tiêu làxâydựng một hệ thống các ñầu thu ñể quan trắc tảo trongnguồnnước, qua ñó, ñánh giá mức ñộ an toàn của nguồn nước sinh hoạt Các nhà khoa học ñã sử dụng mức ñộhuỳnh quang làm chỉ báo ô nhiễm nguồnnước;

 Gần ñây, hãng bbe của CHLB Đức ñã giới thiệu thiết bị ño phổ huỳnh quangcủa tảo trong môi trường tự nhiên Thiết bị gồm những khối chính là: nguồnsáng (ñược cấp bởi 5 ñèn LED công suất lớn với dải phổ có bước sóng ñỉnh lầnlượt tại: 450 nm, 525 nm, 570 nm, 590 nm và 610 nm); hệ thấu kính nhằm hội

tục h ù m s á n g c h i ế u v à o m ẫ u ; b u ồ n g c h ứ a m ẫ u ; ñ ầ u t h u n h â n q u a n g ñ i ệ

n ñ ộ

nhạy cao và các mạch xử lý tín hiệu [102, 103] Hình 1.3 mô tả cấu tạo củathiếtbị.

Hình 1.3 Cấu tạo thiết bị ño phổ huỳnh quang của một số loài tảo

1.2.3 Môhình quan trắc thủy vực dựkiến

Nhìn chung, các loài tảo khác nhau sẽ có hình dạng, kích thước và cấu tạo khácnhau Do vậy, nếu chiếu một chùm sáng thích hợp vào mẫu thuỷ vực, các thànhphần hấp thụ và tán xạ sẽ khác nhau với các loài tảo khác nhau Dựa vào ñộ lớn củacác thành phần này, ta có thể xác ñịnh thông số quang của thuỷ vựcñó

Trong ñiều kiện bình thường, mật ñộ tảo ñộc, hại có trong thuỷ vực khá thấpnên thành phần hấp thụ cũng như tán xạ thu ñược khi chiếu một chùm sáng qua mẫuthuỷ vực là nhỏ Để xác ñịnh các thông số quang của các mẫu thuỷ vực có tảo ñộc,hại, trong luận án này, tác giả ñã áp dụng mô hình Kubelka-Munk cho trường hợp

ño nhanh và mô phỏng Monte Carlo khi cần có kết quả ño chính xác Để ño ñượccác thành phần hấp thụ và tán xạ khá nhỏ, tác giả ñã sử dụng kỹ thuật quả cầu tíchphân ñôi kết hợp với một số phương pháp xử lý tínhiệu

Mô hình quan trắc thuỷ vực dự kiến ñược mô tả trên hình 1.4

PD 3

Hệ quang Laser diode

Mẫu

Khối xử lý tín hiệu PC

Quả cầu tíchphân#1 Quả cầu tích phân#2

Hình 1.4 Mô hình quan trắc thuỷ vực dự kiến

Theo mô hình trên, các thành phần tán xạ ngược, tán xạ xuôi và hấp thụ sẽ lầnlượt ñược các ñầu thu PD1, PD2, PD3 nhận biết Thông số quang của mẫu gồm hệ

số hấp thụ, hệ số tán xạ và hệ số bất ñối xứng ñược tính toán dựa trên tín hiệu lối racủa ba ñầu thu này, theo mô hình Kubelka-Munk hoặc mô phỏng Monte Carlo kếthợp với kỹ thuật quả cầu tích phân ñôi Hệ ño có một số ñặc ñiểm chính sau:

1 Cho phép ño ñồng thời các thông số quang của thủy vực có mật ñộ tảo thấp cỡ vài trăm tếbào/ml;

2 Đo nhanh thông số quang của thuỷ vực khi lựa chọn phép ño theo mô hình Kubelka-Munk kết hợp kỹ thuật quả cầu tích phânñôi;

3 Đo chính xác khi lựa chọn phép ño theo mô phỏng MonteCarlo;

4 Đo thông số quang một cách trực tiếp nên không bị ảnh hưởng của các yếu tố bên ngoài như thành phần phản xạ từ khí quyển, phản xạ từñáythuỷvực…;

5 Tự ñộng sao lưu các kết quả ñoñạc

KẾT LUẬN CHƯƠNG 1

Hiện nay, vấn ñề ô nhiễm thuỷ vực mà một trong những nguyên nhân gây ra là

sự bùng phát của các loài tảo ñộc, hại có trong thuỷ vực (hiện tượng thuỷ triều ñỏhay còn gọi là hiện tượng nở hoa) ñã trở thành mối quan tâm mang tính toàn cầu.Trong ñiều kiện bình thường, mật ñộ tảo ñộc, hại có trong thuỷ vực vào khoảng vàichục ñến vài trăm tế bào/ml Khi bùng phát, chỉ sau vài ngày, mật ñộ tảo có thể lênñến hàng triệu tế bào/ml Để giảm thiểu thiệt hại do ô nhiễm thuỷ vực gây ra, người

ta ñã áp dụng nhiều phương pháp quan trắc thuỷ vực dựa trên việc xác ñịnh cácthông số quang của các loài tảo ñộc, hại có trong thuỷ vực ñó Tuy nhiên, hiện nay,việc quan trắc thuỷ vực có mật ñộ tảo dưới 1000 tế bào/ml còn gặp nhiều khó khăn.Trong các công trình nghiên cứu trong thời gian gần ñây, các nhà khoa học trênthế giới ñã khẳng ñịnh mấu chốt của một hệ quan trắc thuỷ vực là phải xác ñịnhñược hệ số hấp thụa và hệ số tán xạs của tảo ñộc, hại có trong thuỷ vực.

Các phương pháp quan trắc thuỷ vực hiện nay gồm có:

1 Phương pháp truyền thống bao gồm phương pháp Utefrmohl, phương phápbuồng ñếm Sedgewick Rafter, kỹ thuật nhuộm mầu, phương pháp ELISA Cácphương pháp này ñược tiến hành trong phòng thí nghiệm nên ñòi hỏi nhiềucông ñoạn gây tốn kém và mất nhiều thời gian (thường mất vài tuần) gồm côngñoạn thu thập mẫu, vận chuyển mẫu, bảo quản mẫu, lưu trữ mẫu Do ñó,phương pháp này không phù hợp trong trường hợp cần có kết quả ño nhanhhoặc quan trắc hiện tượng thuỷ triềuñỏ;

2 Phương pháp quan trắc thuỷ vực dựa trên phân tích ảnh bức xạ từ mặt ñất ñượcnhận biết bởi các ñầu thu ñặt trên vệ tinh, kết hợp với các số liệu ño thực ñịa:phương phápnàycho phép quan trắc trên diện rộng nhưng tốn kém và ñòi hỏinhững phần mềm xử lý ảnh chuyên dụng;

3 Phương pháp quan trắc thuỷ vực dựa trên xác ñịnh phổ huỳnh quang của tảoñộc, hại có trong thuỷ vực: các loài tảo ñộc, hại phát huỳnh quang nhờ các sắc

tố Tuy nhiên, nhiều loài tảo có cùng nhóm sắc tố nên phương pháp quan trắcnày chỉ giới hạn trong khoảng 5 nhóm tương ứng với vùngphổ

Với ñịnh hướng xây dựng hệ ño thông số quang của thuỷ vực có mật ñộ tảoñộc, hại dưới 1000 tế bào/ml và có thể ño nhanh, chính xác nên ñề tài ñã lựa chọn

mô hình Kubelka-Munk và mô phỏng Monte Carlo, kết hợp với kỹ thuật quả cầutích phân ñôi, kỹ thuật phát triển ứng dụng ADC chuyên dụng, kỹ thuật phát triểnứng dụng DSP với cấu trúc song song và kỹ thuật ñường ống, kỹ thuật xử lý tín hiệusố,tươngtự,kỹthuậttíchhợpvàxửlýtínhiệuánhsáng.Hệñochophépxácñịnh

ñồng thời hệ số hấpthụ a, hệ số tán xạ svà hệ số bất ñối xứnggdựa trên việcxác ñịnh ñồng thời các thành phần tán xạ ngược

Rd, tán xạ xuôiTd và thành phầntruyền quaTc khi chiếu một chùm laser vào thuỷ vực Với phương pháp này, bên

cạnh việc quan trắc ñược thuỷ vực có mật ñộ tảo thấp, ñề tài ñã xây dựng ñượcphương pháp giảm thiểu thời gian xử lý tín hiệu Ngoài ra, có thể xác ñịnh ñược hệ

số bất ñối xứnggngay trong quá trình ño ñạc theo mô hình Kubelka-Munk và thựchiện mô phỏng Monte Carlo mà không cần phải sử dụng thiết bị khác ñể xác ñịnhtrước hệ số này

5.1.1 Hấp thụ ánhsáng

Khi photon tương tác với một phân tử, phân tử ñó có thể từ mức năng lượng cơbản nhảy lên trạng thái kích thích và sau ñó, sẽ lại nhảy xuống trạng thái cơ bảntheo nhiều cơ chế khác nhau và có thể sẽ phát ra một photon như hiện tượng pháthuỳnh quang, lân quang Tuy nhiên, trong nhiều trường hợp, phân tử sẽ quay vềmức năng lượng cơ bản mà không bức xạ do năng lượng ñược hấp thụ ñã bị biếnñổi thành nhiệt năng hoặc dạng khác như dao ñộng nguyên tử, dịch chuyển hạt tải

và dịch chuyển quỹ ñạo phân tử Nói tóm lại, khi photon của chùm sáng tương tácvới phân tử hoặc nguyên tử của ñối tượng, bức xạ của chùm sáng ñó sẽ bị suy giảm

do năng lượng ñã ñược sử dụng ñể kích thích và làm thay ñổi mức năng lượng củaphân tử hoặc nguyên tử ñó Hiện tượng này ñược gọi là hấp thụ ánh sáng vàthườngñược ñặc trưng bởi hệ số hấpt h ụ [mm1] - là ñại lượng mà khi photon dịchchuyển trên một vi phân chiều dàidxcủa một mẫu ñồng nhất thì xác suất photon bịhấp thụ trên ñoạn ñường ñó sẽlà

a d x

[81, 87, 96]

Nếu gọid I là vi phân của cường ñộIcủa một chùm chuẩn trực dịch chuyển

qua một lớp vô cùng bédxcủa mẫu ñồng nhất có hệ số hấp thụ

dIa Idx

Lấy tích phân trên toàn bộ chiều dàylcủa mẫu, ta ñược:

athì :

(2.3)

do trung bình mà một photon di chuyển ñược trước khi bị hấp thụ.

Độ truyền quaTñược ñịnh nghĩa là tỷ số giữa cường ñộ ánh sáng truyền qua

Hình 2.1 Photon bị ñổi hướng do táYn xạ

Để áp dụng lý thuyết tán xạ một cách phù hợp, người ta phải quan tâm ñến mộtthông số quan trọng là hệ số kích thước [60]: xka trong ñó klà số sóng;alà

bán kính phần tử Số sóngkñược tính theo công thức

suất của môi trường;là bước sóng

cho các phần tử có kích thước nhỏ, hệ số kích thước x1 và tán xạ Mie ñược áp

dụng cho các phần tử hình cầu, kích thước bất kỳ Khi kích thước hạt lớn hơn nhiều

so với bước sóng, ñôi khi người ta áp dụng lý thuyết nhiễu xạ

Vì tán xạ không ñàn hồi chỉ chiếm một tỷ trọng rất nhỏ trong các mẫu sinh họcnên trong các mục tiếp theo, khi nói ñến tán xạ trong các mẫu sinh học, tác giả ñãhàm ý tán xạ ñàn hồi.

2. Tán xạ không ñànhồi:

Tán xạ ñược gọi là không ñàn hồi nếu sau khi bị tán xạ, photon có năng lượngkhác với năng lượng ban ñầu Sau khi photon tương tác với phân tử, phân tử ñó, cóthể, sẽ nhảy lên mức kích thích và lại nhảy xuống mức cơ bản, phát ra một photon

 Phát huỳnh quang và phát lânquang

Trong cơ chế phát huỳnh quang và lân quang, phải mất một khoảng thời giansau khi phân tử ñược kích thích, ánh sáng mới ñược phát ra và chúng có bước sóngdài hơn bước sóng ánh sáng kích thích Hình 2.2 mô tả nguyên lý của hai cơ chếphát sángnày

Dịch chuyển mức năng Mức kíchthích

Hình 2.2 Cơ chế phát huỳnh quang và lân quang

Trong trường hợp phát huỳnh quang, sau khi nhảy lên mức kích thích, phân tử

sẽ nhảy xuống mức dao ñộng thấp hơn sau một khoảng thời gian trễ (thường khôngbức xạ) Tiếp ñến, phân tử sẽ nhảy xuống mức cơ bản và phát xạ một photon cónăng lượng thấp hơn năng lượng ban ñầu với thời gian sống từ 10-9ñến 10-6giây.Trong trường hợp phát lân quang, sau khi nhảy lên mức kích thích, phân tử sẽchuyển sang mức kích thích khác thông qua cơ chế dịch chuyển mức năng lượngbên trong (inter-system crossing) trước khi nhảy xuống mức cơ bản và phát ra mộtphoton Thời gian sống của photon trong cơ chế phát lân quang lớn hơn so với cơchế phát huỳnh quang: từ 10-6ñến 102giây

Tán xạ Stockes h

h(- 1 )

Tán xạ ñối Stockes h(+ 1 )

Sau khi nhảy lên trạng thái kích thích, có một lượng nhỏ các phân tử không trở

về trạng thái cơ bản mà nhảy xuống mức dao ñộng cao hơn, khi ñó, photon ñượcphát xạ có năng lượng bé hơn năng lượng của phân tử ñược kích thích Trong cơchế này, hiện tượng trễ không xảy ra và ñược gọi là tán xạ Raman Vạch phổ ñượctạo ra gọi là vạch phổStokes

Nếu số lượng các phân tử nằm tại mức dao ñộng ñủ lớn thì rất có thể chúng sẽnhảy lên mức kích thích có năng lượng cao hơn năng lượng của photon kích thích

Do ñó, khi nhảy xuống trạng thái cơ bản, photon ñược phát xạ có năng lượngcaohơn năng lượng của photon kích thích, tạo ra vạch phổ ñối Stockes

5.1.3 Những thông số cơ bản trong lý thuyết tánxạ

Tán xạ, thường ñược ñặc trưng bởi hệ số tán xạ

[mm1], phụ thuộc nhiều

vào kích thước của các phần tử tán xạ: với kích thước nhỏ cỡ 1000 nm, tán xạ sẽ tuân theo quy luật Rayleigh, với kích thước lớn hơn 4000 nm, tán xạ sẽ tuân theocông thức Fresnel và khi ñó, mức ñộ tánx ạ Rssẽ phụ thuộc vào sự khác nhaug i ữ a

chiết suất củamẫu n2với chiết suất của môi trườngn1 theo công thức:

trong ñó thành phần p(x) sexp(s x) còn ñược gọi là mật ñộ xác suất.

Khoảng cách trung bình ñể xảy ra sự kiện tán xạ là:

p(e,e') Nếu hàm phân bố xác suất chỉ phụ thuộc vào góc giữa hướng tia tới và

hướng bị tán xạ mà không phụ thuộc vào bản thân góc tới thì hàm tán xạ có thể

ñược mô tả bởi cosin góc tánxạ e.e'cos():



1 chỉ có tán xạ ngượcNgoài ra, người ta cũng ñưa ra ñại lượng hệ số tán xạ rút gọn (reduced

transport scattering coefficient): 

e s

Kết hợp hệ số hấp thụ với hệ số tán xạ, ta có hệ số suy giảm tổng thể (totalattenuation coefficient): 

2g 2

Đại lượng 1t ñược gọi là quãng ñường tự do trung bình giữa các sự kiệnhoặc là tán xạ, hoặc là hấp thụ Một ñại lượng khác cũng hay ñược nhắc ñến là hệ sốsuy giảm 

5.1.5 Các phương pháp xác ñịnh hấp thụ và tán xạ phổ biến hiệnnay

Các phép ño thành phần hấp thụ thường ñược xây dựng dựa trên ñịnh luật Beer

mô tả quá trình suy giảm cường ñộ sáng do hấp thụ sau khi chiếu một chùm tia quamẫu [37, 41, 106, 107] (hình 2.4)

Nguồn sáng

Lăng kính 1

Hệ quang học Mẫu ño

Đầu thu PD2 Lăng kính 2

Không khí

Nguồn sáng

Bộ chia ánh sáng

sẽ cho chúng ta biết mức ñộ hấp thụ củamẫu

Đối với thành phần tán xạ, trong những nghiên cứu sâu hơn, người ta thườngphân ra thành tán xạ ngược và tán xạ xuôi

Thông thường, tán xạ ngược ñược ño theo sơ ñồ mô tả trên hình 2.5 [57]

Đầu thu PD1

Hình 2.5 Đo tán xạ ngược

Chùm sáng chuẩn trực sau quang hệ ñược tách ra thành hai phần nhờ lăng kính1: một phần ñến ñầu thu PD1, một phần ñi vào mẫu Sau khi tương tác với mẫu,chùm tán xạ ngược ñược thu nhỏ lại nhờ lăng kính 2, qua quang hệ, hội tụ ñến ñầu

Hệ quang Quả cầu tích phânNguồn sáng Mẫu

Bộ chia

thu PD2 Tỷ lệ tín hiệu từ các ñầu thu PD2 và PD1 sẽ cho biết ñộ lớn của thành phần tán xạngược

Tán xạ xuôi có thể ñược xác ñịnh theo sơ ñồ mô tả trên hình 2.6 [70]

Đầu thu PD1 Đầu thu PD2

Hình 2.6 Đo thành phần tán xạ xuôi

Chùm sáng chuẩn trực, sau khi ñi qua bộ chia, ñược tách thành hai phần: mộtphần ñi tới ñầu thu PD1, phần còn lại tiếp tục truyền thẳng tới mẫu và bị tán xạ saukhi tương tác với mẫu Chùm sáng truyền qua mẫu gồm hai phần: tán xạ và chuẩntrực Thành phần chuẩn trực bị chặn lại do không tham gia vào thành phần tán xạ.Các tia tán xạ, sau ñó, ñược thu gom lại nhờ quang hệ và quả cầu tích phân Tỷlệgiữa tín hiệu thu ñược từ PD2 và PD1 sẽ cho biết ñộ lớn của thành phần tán xạxuôi

5.2 Mô tả quá trình lan truyền ánh sáng trong các mẫu sinhhọc

Ánh sáng lan truyền trong các mẫu sinh học chủ yếu bị tác ñộng bởi hấp thụ,tán xạ và thường ñược mô tả bằng phương trình truyền bức xạ hoặc bằng các môhình gần ñúng Về mặt nguyên tắc, chúng ta có thể mô tả bằng lý thuyết ñiện từtrường, khi ñó, mẫu sinh học sẽ ñược xem là môi trường có hằng số ñiệnmôi(r)thay ñổi theo không gian và sự thay ñổi của trường ñiện từ ñược mô tả bằng

phương trình Maxwell Phương pháp này không thực tế vì rất phức tạp Do vậy, ñểñơn giản hóa, người ta ñã bỏ qua tính chất sóng của ánh sáng gồm sự phân cực vàgiao thoa Hơn nữa, ñối với tính chất hạt của ánh sáng, người ta cũng bỏ qua tươngtác không ñàn hồi Trong lý thuyết lan truyền bức xạ, người ta chỉ quan tâm ñếndòng năng lượng chảy qua môi trường

Phương trình truyền bức xạ liên quan ñến sự thay ñổi ñộ bức xạL t ạ i v ị t r í r

theo hướngsˆ Chúng ta hãy xét sự thay ñổi bức xạ, chiếu vào khối hình trụ có tiếtdiện viphân

Hình 2.7 Bức xạ của tia tới trên thể tích ds dA tại vị trí r từ hướng s ’ vào hướng s

Khi dịch chuyển một ñoạnds, bức xạ sẽ thay ñổi như sau:

Hiện nay, người ta thường áp dụng một sốphương pháp hoặc mô hình tính

gầnñúngñểmô tảquá trình lan truyền ánh sáng trong các môi trường khác nhau: môhìnhP i e r c e -

M a r c u sñ ư ợcá p dụngt r o n g lĩnhvựcc ô n g n g h iệpp h a mầu;m ô h ì n h

Hapke ñược áp dụng trong khoa học khí quyển…[29, 31] Trong lĩnh vực lý sinh,người ta hay áp dụng mô hình Kubelka-Munk (KM), phương pháp cộng kép và môphỏng Monte Carlo (MC), trong ñó, mô hình KM thường ñược sử dụng nhiều hơn

cả vì khối lượng tính toán không nhiều mà lại cho kết quả phù hợp với thựcnghiệm

5.3 Lýthuyết chung về mô hìnhKubelka-Munk

Năm 1931, Kubelka và Munk ñã ñề xuất lý thuyết mô tả ñồng thời hấp thụ vàtán xạ ánh sáng xảy ra trong môi trường gồm nhiều lớp mỏng song song, kế tiếpnhau [49, 64, 82, 93-95] Lan truyền ánh sáng bên trong các lớp ñược mô tả dướidạng hai dòng bức xạ vuông góc với bề mặt mẫu (hình 2.8) và diễn ra ñồng thời

Hình 2.8 Mô hình Kubelka-Munk

Mô hình KM hai dòng bức xạ ñược giả thiết với các ñiều kiện sau [93]:

1 Mẫu gồm vô hạn các lớp mỏng, song song, xếp liên tiếp nhau và bỏ quacácñiều kiện biên;

2 Mẫu ñồng nhất về mặt quang học (các hệ số hấp thụ, hệ số tán xạ là ñồng nhất tại bất cứ ñiểm nào trongmẫu);

3 Tán xạ xảy ra trong các hình bán cầu một cách ngẫu nhiên và ñẳng hướng (không phụ thuộc vào góc giữa hướng tới và hướng tánxạ);

4 Chùm photon liên tục và hệ số tán xạ không phụ thuộc vào bướcsóng

t

Khi chiếu một chùm ánh sáng có cường ñộI0 vào mẫu, tại mỗi lớp bất kỳ, tồn

tại hai dòng bức xạ: dòng bức xạ xuôi i

t (x) theo hướng tia tới và bức xạ ngược

i r (x) theo hướng ngược lại Nếu ký hiệuKvà Slần lượt là hệ số hấp thụ và tán xạ

thì khi ñi qua một lớp có chiều dàydx, cường ñộ dòng bức xạ xuôi

ñổi với sự ñóng góp của ba thành phần:

5.4 Lý thuyết chung về quả cầu tíchphân

Để áp dụng mô hình KM, chúng ta phải xác ñịnh ñồng thời các thành phần hấpthụ và tán xạ Cả hai thành phần này có thể xác ñịnh ñược nhờ kỹ thuật quả cầu tíchphân (là một linh kiện quang dạng cầu, rỗng, bên trong ñược phủ một lớp vật liệu có

hệ số phản xạ khuếch tán cao, lý tưởng là 100% - hình 2.9) Khi chiếu một chùmsáng vào trong quả cầu tích phân, các tia sáng sẽ phản xạ khuếch tán nhiều lần, nhờ

ñó, ánh sáng ñược phân bố ñều tại mọi ñiểm bên trong quả cầu [52, 83]