CN101441179A - 一种基于试剂显色差异的光声酸碱度成像方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于试剂显色差异的光声酸碱度成像方法及装置。该方法包括如下步骤：将酸碱指示剂溶解于纯乙醇溶液中作为光声酸碱检测试剂；利用光声测量系统将酸碱检测试剂在不同pH值下的光声信号强度记录下来，描绘光声酸碱检测标准曲线；将被测物体用光声酸碱检测试剂染色，利用光声技术测量被测物体染色前和染色后的光声信号强度，通过计算处理光声信号，对照标准曲线可得出被测物体的酸碱度，采用反投影算法重建反映酸碱度分布的光声图像。实现此方法的装置由激光发射组件、超声探测组件、数据采集传输组件、计算机及图像处理软件构成。本发明方法和装置灵敏度高，除可测量液态物质外，还能够用于测量半固体或固体物质的酸碱度。

Description

一种基于试剂显色差异的光声酸碱度成像方法及装置

技术领域

本发明涉一种pH测量技术，特别涉及一种基于试剂显色差异的光声酸碱度成像方法及装置，属于探测技术领域。

背景技术

目前，对溶液的酸碱度的测量方法大多是采用手工方法，利用pH试纸或指示剂进行量度，但试纸和指示剂的变色范围是靠人眼来观察判断，造成这种测量方法的准确性不高，特别是对于要分别pH值在0.5以下的变化时，靠人眼判断颜色的分辨就相当困难。而一些以电极为敏感部件的pH值测量仪，虽然对于溶液pH值的测量较为准确，而且体积小、便于携带，但这些测量仪都不能直接测量固态的物体，如离体肉类、水果、土壤等。pH值的测量对于判断肉类、水果的新鲜度，判断土壤是否适合栽种等都有重要的意义。因此，发明可用于测量固态物质的酸碱度的方法，特别是将物体的酸碱度分布区分显示出来是非常实用和有市场需求的。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的缺陷和不足，提供一种新型的利用试剂显色差异的光声酸碱度成像方法来实现溶液或固态物质的酸碱度检测技术。

本发明的另一目的在于提供一种实现上述方法的装置。

本发明的目的通过下述技术方案实现：一种基于试剂显色差异的光声酸碱度成像方法，包括如下步骤：

(1)光声酸碱检测试剂的制备：将酸碱指示剂溶解于纯乙醇溶液中作为光声酸碱检测试剂；

(2)光声酸碱度标准曲线的测定：调节光声酸碱检测试剂的酸碱度，调制成相同摩尔浓度、不同pH值的光声酸碱检测试剂溶液；采用两个波长的脉冲激光照射上述光声酸碱检测试剂溶液，激发产生光声信号，收集并记录光声信号强度；计算两个波长的脉冲激光照射不同pH值的光声酸碱检测试剂溶液产生的光声信号的幅值比值；以pH值为横坐标，以不同pH值的光声酸碱检测试剂的光声信号的幅值比值为纵坐标，获得光声酸碱度标准曲线图(如图3所示)；

(3)酸碱度差异的光声信号测量：将被测物体用步骤(1)所得光声酸碱检测试剂染色；将被测物体在染色前和染色后分别用光声检测系统测量并记录两个波长的脉冲激光照射产生的光声信号强度，存储于计算机中；

(4)酸碱度的计算：计算步骤(3)所记录的两个波长的脉冲激光照射被测物体产生的光声信号的幅值比值，与步骤(2)所得光声酸碱度标准曲线图进行比较，得到被测物体的酸碱度。

(5)酸碱度差异的光声成像：利用步骤(4)所得被测物体的酸碱度，采用反投影算法重建出以黑白灰度或伪彩区分酸碱度的光声图像。

步骤(1)所述光声酸碱检测试剂的pH值为7.0，其吸收光谱随pH值的不同而改变，酸性时其吸收光谱峰值为455-465nm，碱性时其吸收光谱峰值为530-550nm。

步骤(1)所述酸碱指示剂是由中性红(C₁₅CIH₁₇N₄)和甲基蓝(C₃₇H₂₇N₃Na₂O₉S₃)按质量比1：1混合而成。

步骤(2)所述不同pH值是pH＝4.0～10.0。

步骤(2)和(3)中所述两个波长的脉冲激光分别为460nm和532nm的激光。

一种实现上述方法的装置，其特征在于：包括激光发生组件、超声探测器、超声采集组件、样品扫描平台、计算机及信号处理图像重建组件；所述激光发生组件包括依次连接的激光器、镀膜反射镜和聚光透镜；所述超声采集组件包括依次电连接的超声探头、信号放大器/示波器、信号采集卡和计算机。

所述超声探测器是中空圆环型的陶瓷材料的压电探测器；激光器发射的激光经聚光透镜聚焦后的焦点与超声探测器的探测超声焦点重合，构成共焦扫描系统；超声探测器前端用透明聚乙烯薄膜严密包裹，里面充满超声耦合液，用于耦合样品的光声信号。

所述样品扫描平台为三维扫描平台。

所述样品扫描平台由计算机控制步进驱动器驱动，能升降及旋转。

所述计算机及信号处理图像重建组件包含计算机、I/O卡、数据传输卡、LABVIEW软件和matlab软件。

本发明的原理是：光声酸碱度测量方法是利用酸碱指示剂中性红与甲基蓝的混合溶液作为光声测量试剂。该试剂的吸收光谱会随着pH值的变化而改变；当该试剂遇酸性物质时其吸收光谱的峰值在460nm附近，酸性越强峰值越大，当该试剂遇碱性物质时吸收光谱的峰值在532nm附近，碱性越强在该处峰值越大；而该试剂本显中性pH值为7，此时其吸收光谱在460nm和532nm处的吸收系数基本相同(如图2所示)；光声效应是光吸收体吸收光能后转化为超声的现象，光声信号与吸收系数直接相关。温度一定的情况下，脉冲光声信号的幅值是与物体所在光激发波长处的吸收系数成比例，吸收系数越大，光声信号越强；因此，利用波长为460nm和532nm激光对光声测量试剂进行光声信号的测量，则若光声测量试剂是中性的，那么两个波长所产生的光声信号比值应该为1，若光声测量试剂是酸性的，那么460nm产生的光声信号与532nm产生的光声信号比值应大于1，若光声测量试剂是碱性的，那么比值应小于1。

分别对不同PH值的光声测量试剂进行两个波长的光声信号测量，而后经计算就可得不同PH值对应两波长信号比值的曲线图(如图3所示)。此图可作为其他物体光声酸碱度检测的标准对应图。实际测量时，由于被测物体本身也会产生光声信号，所以被测物体在添染光声检测试剂前应先将物体进行两个检测波长的光声信号探测，记录作为本底，染色后重复两个波长的光声信号测量，将染色后的光声信号减去染色前对应的光声信号，所得的就是两个波长光声测量试剂贡献的光声信号。利用以下公式计算：

(1) $R=\frac{\mathrm{PA}`@532-\mathrm{PA}@532}{\mathrm{PA}`@460-\mathrm{PA}@460}$

得出被测物体的两个波长光声信号的比值(PA@532和PA@460是染色前测得的光声信号；PA｀@532和PA｀@460是染色后测得的光声信号)，最后与标准信号比值曲线图对照便可知所测物体的酸碱度。

本发明相对于现有技术，具有如下的优点及有益效果：(1)本发明方法采用指示剂的吸收光谱随酸碱度的变化而改变的原理，利用光声信号幅值与吸收系数的正比例关系，将酸碱度定量计算出来，对比肉眼判断颜色变化，更为准确可靠；(2)本发明可对被测样品进行扫描采集，成像显示样品的酸碱度分布，更真实细致地反映样品表面或内部的酸碱分布情况；(3)本发明方法不但可以进行液体的酸碱度检测，还适用于对固态物质进行检测，如肉类、水果、土壤等物质，扩展PH测量技术的应用范围。

附图说明

图1是本发明利用试剂显色差异的光声酸碱度成像装置的结构示意图，

其中：激光器1-1；镀膜反射镜1-2；汇聚透镜1-3；三维样品平台2；超声耦合薄膜3-1；圆环压电超声换能器3-2；信号放大器4-1；示波器4-2；信号采集卡4-3；计算机5。

图2是光声酸碱测量试剂在不同酸碱度下的吸收光谱图。

图3是光声酸碱度测量标准曲线。

图4是工业废水在波长为532nm激光激发的光声信号图，其中：虚线为纯工业废水的光声信号，实线为加入光声酸碱检测试剂后测得的光声信号。

图5是工业废水在波长为460nm激光激发的光声信号，其中虚线为纯工业废水的光声信号，实线为加入光声酸碱检测试剂后测得的光声信号。

图6是变坏的肉沫的酸碱度差异的光声成像图，其中：肉沫的酸碱度分布情况可由图右方的显色标注得到。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

一种基于试剂显色差异的光声酸碱度成像装置：

在图1中，激光器1-1发出脉冲激光，经过镀膜反射镜1-2反射到聚焦透镜1-3后照射到待测样品，产生光声信号。所述激光器1-1选用白俄罗斯LOTIS公司生产的可发出波长为350～500nm，690nm～1000nm的连续可调，以及532nm和1064nm的脉冲激光的TII激光器。对应光声酸碱度检测试剂使用的波长分辨为460nm和532nm。

声信号采集是由超声探测器3-2将探测接收的光声信号经信号放大器4-1放大后送入数字示波器4-2并由数字采集卡4-3进行传输采集，然后保存于计算机5中。数字示波器4-2同时与激光器1-1连接，由来自于激光器1-1的Q-Switch输出信号触发采集。样品扫描平台2是由计算机5通过其数字I/O卡与驱动控制器相连，控制步进电机(日本东方VEXTA，步长1.8°)带动样品平台的旋转或升降；所述超声探测器选用中空圆环型压电探测器，环形内外半径分辨为5mm和5.8mm，主频为1MHz，带宽0.6MHz，激光或光纤从圆环中部穿过，探测器前端用透明聚乙烯薄膜严密包裹，内部充满超声耦合液；所述数字示波器3-3采用美国泰克(Tektronix)TDS3032型数字示波器进行数据采集。

计算机5，内存2G，含有数字I/O卡、数据采集卡、LABVIEW软件、matlab软件，数据采集卡选用GPIB卡，与数字示波器4-2连接。计算机5控制LABVIEW软件实现光声信号采集；通过matlab软件实现光声信号的计算，得出测量计算值。然后利用计算机5控制样品扫描平台2移动检测下一个点，连续扫描多个点后，可利用反投影算法把各点的酸碱度投影成像出来。

实施例2

将中性红和甲基蓝各50mg混合溶解于100mL的乙醇溶液中，并入到多组pH标准溶液(PH：4.0-10.0)中，调制成相同摩尔浓度不同pH值的14组光声酸碱检测溶液，激光器先后发出两个波长的激光，照射到不同组别的光声酸碱检测溶液中；溶液吸收光能产生光声信号，用超声探测器接收并记录不同组别的光声信号(如表1所示)；然后计算相同pH值下两个波长的光声信号幅值的比值，以及统计其误差，描绘光声酸碱度标准曲线如图3所示。

表1 不同pH值的酸碱检测溶液在波长为532nm的激光照射下的光声信号

实施例3

采用工业废水为被测样品，用烧杯取小量废水样品，把光声酸碱度测量探头前端透明薄膜刚好掩盖在样品中，激光器分别输出波长为532nm和460nm的脉冲激光，激光输出能量由脉冲功率计(Ophir Nova II)测定，并确保两波长输出能量相同，然后记录被测样品加光声酸碱指示剂前后的光声信号，被测的样品同样用新加坡EUTECH公司的PH测试笔(PHTestr 30)进行监控。光声测量结果如图4和图5所示，图4是对工业废水在波长为532nm激光激发的光声信号，其中虚线为纯工业废水的光声信号，实线为加入光声酸碱检测试剂后测得的光声信号。图5是对工业废水在波长为460nm激光激发的光声信号，其中虚线为纯工业废水的光声信号，实线为加入光声酸碱检测试剂后测得的光声信号。由公式(1)计算得R＝1.578，对照光声酸碱度测量标准曲线可知被测工业废水的酸碱度为5.8，与PHTestr 30测量显示值5.850相符，表明所测废水程酸性。

实施例4

采用一变坏发酸的小肉末作为光声酸碱度扫描成像的样品。过程如实施例3，扫描采集200×200个点后通过小角度反投影算法将各点酸碱度值投影成二维截面图像，重建图像如图6所示，小肉末的酸碱度分布情况可由图右方的显色标注清楚得到。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于试剂显色差异的光声酸碱度成像方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)光声酸碱检测试剂的制备：将酸碱指示剂溶解于纯乙醇溶液中作为光声酸碱检测试剂；

(2)光声酸碱度标准曲线的测定：调节光声酸碱检测试剂的酸碱度，调制成相同摩尔浓度、不同pH值的光声酸碱检测试剂溶液；采用两个波长的脉冲激光照射上述光声酸碱检测试剂溶液，激发产生光声信号，收集并记录光声信号强度；计算两个波长的脉冲激光照射下，不同pH值的光声酸碱检测试剂溶液产生的光声信号的幅值比值；以pH值为横坐标，以不同pH值的光声酸碱检测试剂的光声信号的幅值比值为纵坐标，获得光声酸碱度标准曲线图；

(3)酸碱度差异的光声信号测量：将被测物体用步骤(1)所得光声酸碱检测试剂染色；将被测物体在染色前和染色后分别用光声检测系统测量并记录两个波长的脉冲激光照射产生的光声信号强度，存储于计算机中；

(4)酸碱度的计算：计算步骤(3)所记录的两个波长的脉冲激光照射被测物体产生的光声信号的幅值比值，与步骤(2)所得光声酸碱度标准曲线图进行比较，得到被测物体的酸碱度。

(5)酸碱度差异的光声成像：利用步骤(4)所得被测物体的酸碱度，采用反投影算法重建出以黑白灰度或伪彩区分酸碱度的光声图像。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤(1)所述光声酸碱检测试剂的pH值为7.0，其吸收光谱随PH值的不同而改变，酸性时其吸收光谱峰值为455-465nm，碱性时其吸收光谱峰值为530-550nm。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：步骤(1)所述酸碱指示剂是由中性红和甲基蓝按质量比1：1混合而成。

4、根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤(2)所述不同pH值是pH＝4.0～10.0。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤(2)和(3)中所述两个波长的脉冲激光分别为460nm和532nm的激光。

6.一种实现权利要求1～5任一项所述方法的装置，其特征在于：包括激光发生组件、超声探测器、超声采集组件、样品扫描平台、计算机及信号处理图像重建组件；所述激光发生组件包括依次连接的激光器、镀膜反射镜和聚光透镜；所述超声采集组件包括依次电连接的超声探头、信号放大器/示波器、信号采集卡和计算机。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于：所述超声探测器是中空圆环型的陶瓷材料的压电探测器；激光器发射的激光经聚光透镜聚焦后的焦点与超声探测器的探测超声焦点重合，构成共焦扫描系统；超声探测器前端用透明聚乙烯薄膜严密包裹，里面充满超声耦合液。

8、根据权利要求6所述的装置，其特征在于：所述样品扫描平台为三维扫描平台。

9、根据权利要求6或8所述的装置，其特征在于：所述样品扫描平台由计算机控制步进驱动器驱动，能升降及旋转。

10、根据权利要求6所述的装置，其特征在于：所述计算机及信号处理图像重建组件包含计算机、I/O卡、数据传输卡、LABVIEW软件和matlab软件。

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