CN104535498B

CN104535498B - 有机磷检测仪

Info

Publication number: CN104535498B
Application number: CN201410740260.2A
Authority: CN
Inventors: 纪新明; 李洁惠; 万磊
Original assignee: Fudan University
Current assignee: Fudan University
Priority date: 2014-12-05
Filing date: 2014-12-05
Publication date: 2020-08-28
Anticipated expiration: 2034-12-05
Also published as: CN104535498A

Abstract

本发明涉及分析化学技术领域，公开了一种有机磷检测仪。本发明的有机磷检测仪通过将紫外LED光源、溶液腔和光电检测芯片依次排列，并保持其中心位于同一光轴上。其中，主板恒功率驱动紫外LED光源发光，光电检测芯片检测紫外LED光源透过溶液腔发射的光信号，并转换成电信号；主板接收从光电检测芯片输出的电信号，并计算出待检测液体的有机磷浓度传送至上位APP端。本发明的有机磷检测仪基于光电检测芯片进行有机磷检测，其结构简单，不含滤光片、透镜、光栅和光学增敏系统等，体积小，携带方便，可以制备成一次性使用产品，避免交叉感染。

Description

有机磷检测仪

技术领域

本发明涉及分析化学技术领域，特别涉及有机磷检测仪。

背景技术

紫外分光光度计基本工作原理和红外光谱仪相似，利用一定频率的紫外可见光照射被分析的有机物质，引起分子中价电子的跃迁，它将有选择地被吸收。一组吸收随波长而变化的光谱，反映了试样的特征。在紫外可见光的范围内，对于一个特定的波长，吸收的程度正比于试样中该成分的浓度，因此测量光谱可以进行定性分析，而且根据吸收与已知浓度的标样的比较，还能进行定量分析。

目前市场上主流的有机磷检测方法大都需要复杂的仪器设备，价格昂贵，体积也比较大，检测费用也很高，很难在基层广泛应用。因此应用中迫切希望能推出一种新的检测方法,具有很高的灵敏度,能不依赖复杂的仪器设备,检测费用经济,便于广泛推广和应用，满足基层有机磷检测的需要。

发明内容

本发明的目的在于提供一种有机磷检测仪，使得有机磷检测仪体积小，携带方便。

为解决上述技术问题，本发明的实施方式提供了一种有机磷检测仪，包含：光电检测芯片、紫外LED光源、溶液腔、主板；

所述紫外LED光源、所述溶液腔和所述光电检测芯片依次排列，其中心位于同一光轴上；所述紫外LED光源和所述光电检测芯片分别与所述主板电连接；

所述光电检测芯片用于检测所述紫外LED光源透过所述溶液腔发射的光信号，并转换成电信号；

所述主板驱动所述紫外LED光源发光，接收从所述光电检测芯片输出的电信号，并计算出所述待检测液体的有机磷浓度。

本发明实施方式相对于现有技术而言，通过将紫外LED光源、溶液腔和光电检测芯片依次排列，并使其中心位于同一光轴上。其中，主板驱动紫外LED光源发光，光电检测芯片检测紫外LED光源透过溶液腔发射的光信号，并转换成电信号；主板接收从光电检测芯片输出的电信号，并计算出待检测液体的有机磷浓度。本发明实施方式的有机磷检测仪基于光电检测芯片进行有机磷检测，其结构简单，不含滤光片、透镜、光栅和光学增敏系统等，体积小，携带方便，可以制备成一次性使用产品，避免交叉感染。

另外，光电检测芯片将光电探测器、电流放大器、电流电压转换器、模数AD转换器集成在一块硅衬底上；其中，光电探测器将光信号转换为电信号，通过电流放大器进行跨导放大之后，经电流电压转换器将电流转换为电压，并通过AD转换器转换成数字信号。由于多个功能模块集成在一个芯片上，降低了周围环境噪声的干扰，可实现对微弱信号的高灵敏检测，同时引入电流放大器，可以将光电流放大接近6个数量级，提高对光信号的检测灵敏度。由于采用VLSI技术，可以大规模批量化生产，大大降低单个芯片的价格，甚至为一次性探测芯片提供了可能。

另外，光电探测器包含两个光电二极管，其中一个光电二极管参与光电转换；另一个光电二极管作为参比。

所述电流放大器包含一差分放大模块；所述两个光电二极管分别连接到差动放大模块两个输入端，经过差分放大模块消除光电转换中的噪声信号，降低暗电流，提高检测的灵敏度。

另外，所述溶液腔的透光窗口的面积为5×5平方毫米。溶液腔体积小，使待检测液体和酶的使用量少，节约检测成本。

另外，制成所述溶液腔的透光窗口的材料为K9玻璃、水晶玻璃或塑料。通过具有很好的透紫外性能的材料制成溶液腔的透光窗口，使紫外光能透过溶液腔的左侧壁进入溶液腔，而其他光无法进入溶液腔，从而使检测结果更可靠。

另外，有机磷检测仪还包含溶液腔固定装置，用于将所述溶液腔固定在所述主板上。通过溶液腔固定装置既能牢固地将溶液腔固定在主板上，又能方便地安装和卸下溶液腔。

另外，有机磷检测仪还包含外壳；所述紫外LED光源、所述溶液腔、所述光电检测芯片和所述主板均位于所述外壳内。通过外壳可以遮蔽环境光，可以使光电检测芯片检测到的光只是紫外LED光源透过溶液腔的光，从而使有机磷检测结果更准确。

另外，有机磷检测仪还包含无线发送器；

所述主板将所述计算出的待检测液体的有机磷浓度通过所述无线发送器发送出去，方便用户存储、查看。

附图说明

图1是根据本发明第一实施方式的有机磷检测仪的结构示意图；

图2是根据本发明第一实施方式的有机磷检测仪的光电检测芯片的电路框图；

图3是根据本发明第一实施方式的有机磷检测仪的系统框图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的各实施方式进行详细的阐述。然而，本领域的普通技术人员可以理解，在本发明各实施方式中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请各权利要求所要求保护的技术方案。

本发明的第一实施方式涉及一种有机磷检测仪，该有机磷检测仪采用紫外--可见分光光度法进行有机磷的浓度检测。如图1所示，具体包含：溶液腔101、紫外LED光源102、光电检测芯片103、主板104。其中，紫外LED光源102、溶液腔101和光电检测芯片103依次排列在主板104上，并且，其中心位于同一光轴上；比如，在图1中，紫外LED光源、溶液腔和光电检测芯片从左到右依次排列在主板上。

请参阅图2所示，光电检测芯片将光电探测器、电流放大器、电流电压转换器、模数AD转换器集成在一块硅衬底上。其中，光电探测器将光信号转换为电信号，通过电流放大器进行跨导放大之后，经电流电压转换器将电流转换为电压，并通过AD转换器转换成数字信号。具体地说，光电探测器可利用PN光电二极管将光信号转换为电信号。通过CTIA(Capacitive Trans-impedance Amplifier)，实现电流转换为电压。光电探测系统由一对光电二极管组成：一个光电二极管参与光电转换；另一个光电二极管表面覆盖上金属层，不参与光电转换，作为参比。这一对光电二极管分别连接到差动放大器两个输入端，经过后续的差分放大电路消除光电转换中的噪声信号，降低暗电流，提高检测的灵敏度。

溶液腔的透光窗口由具有良好透光性的材料制成，紫外LED光源发出的紫外光通过该透光窗口进入溶液腔。溶液腔的形状可以为长方体或正方体，光电检测芯片104和紫外LED光源102位于溶液腔101相对的两侧(比如，图1中溶液腔的左侧和右侧，那么溶液腔的左侧和右侧均是透光窗口)。此外，溶液腔的透光窗口的面积可以做得很小，比如5×5平方毫米，从而可以将溶液腔体积做得较小，可以减少待检测液体和酶的使用量，节约检测成本。

本实施方式的有机磷检测仪的工作流程如下：溶液腔相对于主板的一面设有两个加液孔105，其中一个加液孔用于加入待检测液体，另一个加液孔用于加入酶。主板驱动紫外LED光源发光；光电检测芯片检测紫外LED光源透过溶液腔的透光窗口发射的光信号，并转换成电信号；主板接收从光电检测芯片输出的电信号，并计算出待检测液体的有机磷浓度。

与现有技术相比，通过将紫外LED光源、溶液腔和光电检测芯片依次排列在主板上，并使其中心位于同一光轴上；主板驱动紫外LED光源发光，光电检测芯片检测紫外LED光源透过溶液腔的透光窗口发射的光信号，并转换成电信号；主板接收从光电检测芯片输出的电信号，并计算出待检测液体的有机磷浓度。由于采用光电检测芯片检测紫外LED光源透过溶液腔的透光窗口发射的光信号，而集成芯片的体积通常可以很小，随之可以将溶液腔的体积变小，从而可以使得整个有机磷检测仪的体积小，便于携带。

此外，值得一提的是，制成溶液腔的透光窗口的材料可以为K9玻璃、水晶玻璃或塑料，具有很好的透紫外性能，使紫外光能透过溶液腔的左侧壁进入溶液腔，可以减少其他光进入溶液腔，从而避免其它光的干扰，使检测结果更可靠。

紫外LED光源102和光电检测芯片103分别与主板104电连接，主板104驱动紫外LED光源102发光，接收从光电检测芯片103输出的电信号，并计算出待检测液体的有机磷浓度。此外，主板还给紫外LED光源提供合适的电流和电压，驱动LED发光，而且确保LED的光强保持恒定；紫外LED光源发出的光的波长在200纳米至500纳米之间。并且，主板还提供适合光电检测芯片的电源和控制信号。

此外，值的说明的是，光电检测芯片可以与溶液腔制成一体，制成可抛弃型的一体化模块，做完一次检测之后，将溶液腔和光电检测芯片从模块卡位槽上卸下，安装新的溶液腔和光电检测芯片，避免由于溶液腔用于多次检测时未能清洗干净而造成的检测结果不准确。并且，光电检测芯片上设有一颗光电检测芯片，并且可以只有一颗传感器芯片(即光电检测芯片)，用于取光，后续处理全部放到主板上完成，这样可以节省成本。此外，光电检测芯片和主板之间可以通过插针或金手指相连，便于光电检测芯片的安装和拆卸。

为了既能牢固地将溶液腔固定在主板上，又能方便地安装和卸下溶液腔，本实施方式的有机磷检测仪还设有溶液腔固定装置108，用于将溶液腔固定在主板上。此外，为了遮蔽环境光，本实施方式的有机磷检测仪还包含：外壳，紫外LED光源、溶液腔、光电检测芯片和主板均装于外壳内，由于外壳的遮光作用，使光电检测芯片检测到的光只是紫外LED光源透过溶液腔的光，从而使有机磷检测结果更准确。为了将待检测液体和酶顺利加入到溶液腔中，外壳对应于溶液腔的加液孔的位置还开有小孔111。而且，外壳可以打开，方便溶液腔安装和卸下。进一步地，外壳可以采用金属外壳，由于金属能屏蔽外界对金属外壳内电路的干扰，从而减小电磁干扰，进一步使有机磷检测结果更准确。

为了方便用户快速看到检测结果，本实施方式的有机磷检测仪还可以设置显示屏，该显示屏可以固定在外壳上，与主板连接；主板将计算出的待检测液体的有机磷浓度显示在显示屏上，供用户查看。

此外，本领域技术人员可以理解，本实施方式的有机磷检测仪还需配备电源，用于给主板供电，该电源优选为可充电电源，方便用户使用。

本发明的第二实施方式涉及一种有机磷检测仪，本实施方式在第一实施方式基础上做了进一步改进，其改进之处在于：在第二实施方式中，有机磷检测仪可以通过无线通信方式将检测得到的待检测液体的有机磷浓度发送出去，供用户存储，查看。

请参阅图3所示，本实施方式的有机磷检测仪还包含无线发送器，主板将计算出的待检测液体的有机磷浓度通过无线发送器发送出去。比如说，该无线发送器为蓝牙发送器，那么本实施方式的有机磷检测仪可通过蓝牙发送器将检测结果发送给与之配对的具有蓝牙通信功能的设备(比如，手机)。

具体地说，本实时方式的有机磷检测仪由主板，LED，溶液腔，光电检测芯片和蓝牙模块。在手机上实现数据的接收。数据接收LED用于产生激励光，溶液腔用于盛放待测溶液，光电检测芯片用于接收透过溶液腔的光强，蓝牙模块用于发送数据。主板用于控制LED和从光电检测芯片读取数据，并通过蓝牙模块发送光强数据。在实际应用中，主板芯片可使用微控制芯片MSP430或ARM芯片，LDO芯片提供合适的电压偏置。可使用蓝色LED(峰值波长在400nm左右)加上滤光片(中心波长405nm)，提供激励光。蓝牙模块可使用蓝牙4.0协议。可使用智能手机接收从蓝牙模块传上来的数据。以上保证了实时方式的可实现性。

此外，本领域技术人员可以理解，在有机磷检测仪内设置具有WIFI、GSM、CDMA、3G等无线通信的模块，即可与具有同样无线通信模块的设备进行数据通信，但本发明的重点不在于如何实现无线通信，在此不一一详述，采用现有的无线通信模块即可实现将计算出的待检测液体的有机磷浓度通过无线发送器发送出去的功能。

采用本实时方式的有机磷检测仪进行有机磷浓度检测的简要描述如下：

1.配置溶液：取甲基对硫磷10mg，加入4mL无水乙醇得到9.5x10^-3mol/L。甲基对硫磷分子量263.21。

2.溶液稀释：取溶液1mL，加入9mL四硼酸钠溶液，稀释10倍，加入有机磷水解酶水解。再用这个母液稀释1000倍左右，得到所需浓度：9.5×10^-7mol/L×[1 2 3 4 5 6 7 8]；

3.将配好的固定浓度的溶液加入溶液腔放到系统中检测浓度。

4.对在手机端采集到的数据进行处理。

以上仅涉及有机磷浓度检测的简要步骤，本发明的目的是提供一种体积小，方便携带的有机磷检测仪，但并不以本发明的具体实时方式为限制，本发明的具体实施方式只是为了帮助理解而作了一些限定，其具体需要根据实际情况进行处理，比如，光电检测芯片、紫外LED光源、溶液腔和主板各部分的位置关系；固定溶液腔的固定装置的具体结构；等等，都可以根据实际需要进行调整。

本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本发明的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。

Claims

1.一种有机磷检测仪，其特征在于，所述有机磷检测仪包含光电检测芯片、紫外LED光源、溶液腔和主板，所述溶液腔容纳待检测液体；

所述主板恒流驱动所述紫外LED光源发光，接收从所述光电检测芯片输出的电信号，并计算出所述待检测液体的有机磷浓度；

所述光电检测芯片将光电探测器、电流放大器、电流电压转换器、模数AD转换器集成在一块硅衬底上；

所述光电探测器将光信号转换为电信号，通过所述电流放大器进行跨导放大之后，经所述电流电压转换器将电流转换为电压，并通过所述AD转换器转换成数字信号；

所述光电探测器包含两个光电二极管，其中一个光电二极管参与光电转换；另一个光电二极管作为参比；

所述电流放大器包含一差分放大模块；所述两个光电二极管分别连接到差动放大模块两个输入端，经过差分放大模块消除光电转换中的噪声信号。

2.根据权利要求1所述的有机磷检测仪，其特征在于，所述溶液腔具有透光窗口，所述透光窗口由具有良好透光性的材料制成。

3.根据权利要求2所述的有机磷检测仪，其特征在于，所述溶液腔的形状为长方体或正方体；

所述光电检测芯片和所述紫外LED光源位于所述溶液腔相对的两侧；

所述紫外LED光源发出的光通过所述溶液腔的透光窗口，入射到所述光电检测芯片。

4.根据权利要求2所述的有机磷检测仪，其特征在于，所述透光窗口的面积为5×5平方毫米。

5.根据权利要求2所述的有机磷检测仪，其特征在于，制成所述透光窗口的材料为K9玻璃、水晶玻璃或塑料。

6.根据权利要求1所述的有机磷检测仪，其特征在于，还包含外壳；

所述紫外LED光源、所述溶液腔、所述光电检测芯片和所述主板均位于所述外壳内。

7.根据权利要求6所述的有机磷检测仪，其特征在于，还包含显示屏；

所述显示屏固定在所述外壳上，与所述主板连接；

所述主板将所述计算出的待检测液体的有机磷浓度显示在所述显示屏上。

8.根据权利要求1所述的有机磷检测仪，其特征在于，还包含无线发送器；

所述主板将所述计算出的待检测液体的有机磷浓度通过所述无线发送器发送出去。