【应用】压载水合规性监测：STAF海事PAM

压载水荧光监测方法有两种类型：STAF（单周转活性荧光测定法）和PAM（多周转脉冲振幅调制测定法）。在本文中，我们将研究使这两种技术有所区别的一些关键差异，以及这些差异如何影响压载水合规性监测的结果。

压载水监测：为什么？
压载水是指为控制船舶纵倾、横倾、吃水、稳性或应力而携带到船上的水。压载水操作对于船舶的安全运行至关重要，也是船舶的一个完美标准部分——压载水在航行和装卸操作期间提供稳定性和可操作性。船舶的设计和建造是为了在水中运输货物（即重量），但如果船舶没有货物，或者在一个港口卸下了一些货物，并且正在前往下一个停靠港的途中，则可以在船上装载压载水，使船舶在水中保持足够的深度，以确保舵和螺旋桨安全有效的操作，并确保满足安全操作条件。

也就是说，受污染的压载水是一种生物危害，因为船舶的航行可能涉及在距离压载水排放点1000英里的位置吸入压载水，从而可能将压载水中的有害物种转移到新环境中。国际社会已经通过国际海事组织（IMO）采取了一项措施，该组织起草了指导方针，以控制对所有国家的这种威胁。《压载水管理公约》规定了国际海事组织成员国将采用的这些准则。《2004年国际船舶压载水和沉积物控制和管理公约》（BWM公约）于2017年9月8日在全球生效。

从2017年9月8日起，船舶必须管理其压载水，以便在压载水排放到新地点之前，清除水生生物和病原体或使其无害化，这就意味着压载水监测成为必不可少的一部分。为了遵守《国际船舶压载水和沉积物控制和管理公约》，现在船舶携带了监测压载水的设备，包括压载水荧光监测仪器，如CTG公司的FastBallast压载水合规监测系统，它采用STAF技术（单周转活性荧光测定法）。

压载水荧光监测
压载水荧光监测是一种相对较新的技术，与以前的工作方式相比，对船东来说更直接、更方便。以前的工作方式是将压载水样本带到陆基实验室进行显微镜检查和染色，然后等待人工计数的结果出来。而压载水荧光监测可实时给出结果，自BWM公约生效以来，压载水荧光监测一直是世界各地船东们所热门的创新技术。传统的显微镜和染色技术有许多缺点：
耗时——导致船舶延迟
样品在进入实验室的过程中存在污染风险
全球实验室数量有限
仅限于小样本量
非客观细胞计数
需要熟练的实验室工作人员
容量

使用显微镜和染色法进行压载水测试。速度慢、成本高，且依赖于具有所需能力的本地测试设施。涉及荧光的压载水监测围绕着一个相对简单的想法：即对水样发射蓝光，如果水中含有浮游植物，就会从叶绿素中发出红光，可以通过监测这种红光从而给出可靠指示它们的存在或其他。

压载水荧光监测——两种方法
作为压载水荧光监测的核心，STAF（单周转活性荧光测定法）和PAM（多周转脉冲振幅调制测定法）都是荧光监测的变体，但STAF（单周转活性荧光测定法）的核心是解释和汇总来自大量标准化短期测量的数据，而PAM（多周转脉冲振幅调制测定法）则是汇总数据量远远小于STAF的长时间测量数据。
“最终，不幸的是，这意味着PAM测试中采用的标准程序需要再次通过实验室验证，而FastBallast的STAF技术及其分配方法提供了可靠的第2阶段符合性测试以及第1阶段指示性测试”

PAM——测试慢
由于PAM采用了荧光问询机制，导致数据样本之间至少需要10秒才能实现可靠的测量。而STAF每几百微秒返回一次数据，因此每秒钟可以进行大量的测量。这很重要，因为采集的样本越多，任何形式的测试就越准确，STAF每秒可提供10个样本，而PAM被限制为每分钟6个样本左右。

PAM——样本少
样本量一直是提高准确性的一个关键考虑因素。更多的样本（即频率）提供了更准确的平均值，并识别出可能在较小样本中扭曲数据的异常值。这反过来会产生更小的误差，这是我们在CTG公司比较STAF 和PAM时发现的。样本量直接关系到统计数据的误差范围，或者统计数据的计算精度。对于“是”或“否”问题，例如测试是否通过，我们可以通过将1除以样本量的平方根并乘以100来确定统计数据的误差范围。

其核心是，可靠的数据取决于信号与噪声（S/N信噪比）。信号是我们实际上试图检测到的有意义的信息，而噪声是干扰信号的随机、不必要的变化或波动。这种对细节的关注确保了数据的准确性，这就是为什么我们的FastBallast 压载水合规监测系统的2级测试包括内置的噪声分析和补偿。

PAM——仅限静态样品
PAM无法做到在流动的水中进行可靠的测量。原因非常简单——对于流动的水，PAM测量非常缓慢，以至于在测量周期开始时检测到的样品到最后会流出测量区域，从而导致不准确的测量； 而使用 STAF 短快照脉冲（大约 100 微秒）可确保在整个测量周期中测量相同的样本，从而获得更准确的结果。这意味着可以考虑使用 FastBallast 连续监测压载水排放。

PAM：Fv数据问题
PAM测试中采用的标准程序需要再次通过实验室验证，而STAF技术及其在FastBalla中的分布方法可提供可靠的第2阶段合规性测试和第1阶段指示性测试。
PAM压载水荧光测试设备，如HachBW680手持荧光计，Turner Ballast-Check 2 和 BBE Moldaenke 10细胞压载水测试设备都仅仅只依赖于测量Fv（可变荧光），因为这是PAM压载水监测设备的内在限制。

问题是细胞产生的可变荧光量与其大小有关。这意味着高密度的小细胞可以提供与低密度的大细胞相同的 Fv 值，这可能导致细胞计数非常不准确。例如，“FastBallast - single turnover approach”图表显示，与高密度小细胞相比，低浓度大细胞（蓝色）记录了相同的可变荧光。由于 PAM 技术需要假设细胞大小来得出细胞计数结果，因此，在数量级上是不准确的。相比之下，FastBallast 不是根据 Fv 的大小而是根据其统计分布来评估细胞计数，这是独一无二的，因此使用 STAF 可以实现高采样率。

题为“Problem with measuring just Fv”的图表图表进一步说明了仅使用 Fv 值可能产生的不准确性。此处，红色和绿色图分别对应于大细胞和小细胞的剂量响应，仅使用 Fv 进行评估，其不准确性会被放大到 10到100 倍。相比之下，FastBallast 的统计方法（灰色）与使用显微镜评估的细胞计数相关性非常好。
最终，PAM 测试相关的不准确性将要求将样品送到实验室以获得接近监管规定的结果，而 STAF 技术及其在 FastBallast 中的分配方法提供可靠的第 2 阶段合规性测试以及第 1 阶段指示性测试。

FastBallast 压载水测试
用于海运的CTG系列包括 FastBallast，它允许对处理过的压载水进行快速船上测试，以确保符合 IMO D-2 和 USCG 排放标准。所有船舶现在必须符合 IMO D-2 性能标准，该标准规定压载水排放不得超过10 cells/mL，最小尺寸为10~50 µm。

什么是 FastBallast？
针对IMO D2标准提供快速的船上合规性监测
合规性监测仅需 2~10 分钟
不使用化学品；耗材少，无需昂贵的试剂或实验室测试
细胞大小在 10-50 微米范围内进行准确的细胞计数
搅拌样品可进行准确的统计分析
超低水平的假阴性和可忽略的假阳性结果，避免误报和不必要的港口延误
维护周期长（大于两年）

FastBallast利用活性荧光测量方法，LED光直接照射样品腔，样品中的浮游植物会在光照射下进行光合作用，高灵敏度的探测器会检测仅发生于活体浮游植物中的光合作用信号—可变荧光，可变荧光的量即可反应样品中浮游植物的状态。光合作用的强弱反映了所有浮游植物的生存状态，能够有效地反映浮游植物是否存活。FastBallast中的荧光测量方法是专门针对压载水监测设计的，用来监测排放出的压载水是否达标。

CTG开发的FastBallast采用多波长激发光，确保大小不同的浮游植物群体在光照下释放荧光，每个检测过程只需要几百个微秒，确保够在快速流动的通道内完成高频率监测。用高灵敏度的FastBallast快速压载水监测系统监测活体浮游植物的可变荧光，此方法能够满足IMO D2 和USCG排放标准（10~50 µm）。