CN105277530A - 一种用于水体污染物检测的流动注射显微拉曼光谱装置及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于水体污染物检测的流动注射显微拉曼光谱装置及检测方法，属于水环境污染监测技术领域。该装置包括进样模块，电源模块，光学采集模块，检测分析模块，结果显示输出模块、定位及无线通信模块；电源模块为整个检测装置提供电能，并进行电源管理；进样模块通过微泵及过滤装置将待测水样输送至微流控芯片中，同时通过调整位移调节台的位置实现微流控芯片与显微拉曼模块间的精确定位与调焦；光学采集模块收集待测水样的拉曼散射信号并经过光电转换后送入检测分析模块，测试水样中污染物的成分及含量；检测结果在显示终端输出显示，并通过定位及无线通信模块将待测水样点的位置及水质污染情况传输至上级监控中心，实现远程实时监控。本发明结构紧凑、操作方便、测试准确、可用于河流、湖泊、城市污水等水质快速在线检测。

Description

一种用于水体污染物检测的流动注射显微拉曼光谱装置及检测方法

技术领域

本发明属于水环境污染监测技术领域，涉及一种用于水体污染物检测的流动注射显微拉曼光谱装置及检测方法。

背景技术

近年来，随着工业发展、城镇化提速以及人口数量的膨胀，我国对水资源的需求日益增长；与此同时，大量的工业废水和城乡生活污水的肆意排放，导致地表水和地下水水质日趋恶化，江河湖泊水质污染和饮用水安全问题时有发生，严重制约着经济和社会的可持续发展。实时检测、分析及预测水质参数状况、变化规律和演化趋势是进行水环境污染控制与治理的重要手段。经过长期研究和实践，国内外已经积累了一系列基于化学分析和光谱分析的水质检测技术。目前常见的化学分析法主要有富集法、分光光度法、电化学分析法等。这些方法技术成熟，定量分析可靠，但检测时间长，操作程序繁杂，样品易被污染，检测结果不能及时的反应水质的变化情况，而且反应过程中需要消化大量的化学试剂，测量成本提高，生成的废液容易造成二次污染。

光谱分析法主要有原子吸收光谱法、荧光光谱法、紫外/可见光谱法、拉曼光谱法等。原子吸收光谱法检测精度高，但耗能多，体积大，不适合野外实时监测；荧光分析法仅对具有荧光效应的有机物检测具有优势，同时也存在淬灭、自吸收、内滤光等不稳定因素；紫外/可见吸收光谱法难以适应不同类型与不同污染程度的污水，检测准确性差；红外光谱法不太适用于水质，因为水在红外区有很强的吸收，且在水样中红外光谱的检测限较低。拉曼光谱分析法无需样品预处理、分析速度快、操作简单、易于实现在线分析以及对样品的微量检测，可为日常水质监督检测及水污染事件发生后快速追踪污染源提供积极有效的帮助。王燕、李和平(地球与环境，2014,42(2))等人阐述了拉曼光谱在水中无机物、有机物检测中的可行性及拉曼检测的优势。专利CN204101462U公开了一种拉曼光谱水质原位监测装置，主要是通过自动清洗探头装置来实现水质的原位检测。

流动注射分析结合集成化微管道系统可实现液体流动可控、快速分析，在生物、环境、化学等领域得到广泛应用。通过在微管道上构造纳米结构阵列形成具有表面增强拉曼基底的微流控芯片可进一步提高检测的灵敏度和准确性；同时，显微拉曼光谱技术既可观察到水样的微区图像又可提高分辨率，实现待测水样的微区无损检测，为水质检测分析提供了一种新途径。专利CN103808948A公开了一种用于农药残留现场检测的微流控芯片系统及方法，主要采用微流控芯片通过吸光度法来快速准确测量农药残留，但未涉及拉曼光谱检测法。因此，在现有技术基础上发展一种用于水体污染物检测的流动注射显微拉曼光谱装置来弥补传统方法的不足，提高水质在线检测的灵敏度、准确性及智能化水平具有重要意义。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种用于水体污染物检测的流动注射显微拉曼光谱装置及检测方法，能够实现待测水样的快速、准确检测分析，提高检测的自动化和智能化水平，为水污染治理与决策提供数据支持。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种用于水体污染物检测的流动注射显微拉曼光谱装置，该装置包括进样模块、电源模块、光学采集模块、检测分析模块、结果显示输出模块、定位及无线通信模块；

所述电源模块为整个检测装置提供电能，并进行电源管理；所述进样模块将待测水样输送至微流控芯片中，同时调整微流控芯片的位姿实现待测水样与显微拉曼模块间的精确定位与调焦；所述光学采集模块收集待测水样的拉曼散射信号并经过光电转换后送入检测分析模块，测试水样中污染物的成分及含量；所述检测结果在显示终端输出显示，并通过定位及无线通信模块将待测水样点的位置及水质污染情况传输至上级监控中心，实现远程实时监控。

进一步，所述电源模块包括系统电源，太阳能电池以及电源管理器；检测装置通过系统电源供电，太阳能电池作为备用电源，当断电或系统电源故障时，电源管理器将电源切换到太阳能电池供电模式，以维持检测分析过程正常进行。

进一步，所述进样模块通过微泵抽取水样，并通过微泵前的过滤网以及微泵后的精滤器进行多次过滤，再通过多通控制阀选通流路，由注射泵将待测水样注射至预定流路的微流控芯片中，通过调整旋转样品台和位移调节台的位姿实现微流控芯片中的水样与显微拉曼模块间的精确定位与调焦。

进一步，所述微泵为可调流速泵，流速调节范围为0.5-20ml/min，可根据实际测试需求设置流速；所述的过滤网采用金属网滤芯或金属粉末烧结滤芯，并在精滤器上设置有一层反渗透膜；所述的多通控制阀为4-16位，所述的注射泵为蠕动泵或恒流注射泵，其流速为0.05-5ml/min，可根据实际测试需求设置流速；所述的微流控芯片为流道内通过构筑纳米结构阵列形成具有表面增强拉曼基底的芯片，微流控芯片的流道宽度为宽度为10-200um，深度为10-200um；所述的位移调节台和旋转样品台均采用直流电机或步进电机驱动，实现XYZ方向的平移和绕Z轴方向的旋转运动，所述的旋转样品台固定在位移调节台上可随之平移，旋转样品台上设置有周向均布的N个芯片槽，通常取4-16个，微流控芯片放置于芯片槽中。

进一步，所述光谱采集模块通过显微拉曼模块收集待测水样的拉曼散射信号，由显微拉曼模块进行光电转换后送入检测分析模块进行分析处理，同时通过显微拉曼模块中的显微镜摄像头采集水样的微区图像并对感兴趣的区域进行详细分析；所述显微拉曼模块采用的入射激光波长可为532nm，633nm，785nm，1064nm，可根据需求进行选择。

进一步，所述检测分析模块包含有主控芯片处理器，智能分析软件及相关外围电路，所述主控芯片可为单片机、DSP处理器或FPGA处理器，智能分析软件中嵌入有水体污染物的标准拉曼图库，定性分析单元和定量分析单元；在该模块中完成水样中污染物成分及含量的分析计算，并将检测水样点的位置信息，水质检测报告等通过通信接口发送至显示终端；所述显示终端可为LED显示屏、LCD显示器、PC机。

本发明还提供了一种用于水体污染物检测的流动注射显微拉曼光谱检测方法，包括以下步骤：

1)开启微泵抽取待测水样至多通控制阀进水孔中，然后开启多通控制阀选通微流控芯片，再由注射泵将水样注入所选定的微流控芯片中；

2)调整旋转样品台和位移调节台的坐标，使微流控芯片中的待测水样与显微拉曼模块精确定位和调焦；

3)开启激光器，显微拉曼模块将入射激光聚焦到微流控芯片上，并收集待测水样产生的拉曼光谱散射信号，并将该信号送入检测分析模块中进行分析处理；检测完毕后转动旋转样品台，切换到下一个待测样品位置；

4)检测分析模块通过拉曼谱图比对以及定性定量分析计算，测试出水样中污染物的成分和含量，并将结果输出至显示终端；同时，通过定位及无线通信模块将待测水样点的地理位置信息及检测结果发送至上级监控中心，实现远程实时监控。

本发明的有益效果在于：

1、旋转样品台上可放置多个微流控芯片，实现一次放置多次检测，从而节约芯片安放时间，提高检测效率。

2、通过位移调节台和旋转样品台使微流控芯片中的水样与显微拉曼模块之间精确定位和调焦，提高检测灵敏度和准确性；位移调节定位过程通过驱动电机控制，调节过程快速，准确，提高了检测过程的自动化水平。

3、通过显微拉曼的显微镜摄像头既可观察到水样的微区图像又可提高分辨率，实现待测水样的微区无损检测。

4、整个检测过程无化学试剂污染、分析速度快、易于实现在线分析。

5、通过定位及无线通信模块可以将待测水样点的位置及水质污染情况传输至上级监控中心，实现检测数据共享，便于远程实时监控。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

图1为本发明的结构原理框图；

图2为本发明的总体构成图；

图3为本发明的工作流程示意图；

其中：1.电源模块；101.系统电源；102.太阳能电池；103.电源管理器；2.进样模块；201.过滤网；202.微泵；203.精滤器Ⅰ；204.精滤器Ⅱ；3.多通控制阀；4.注射泵；5.旋转样品台；501.微流道SERS芯片；6.位移调节台；7.驱动控制卡；8.废液瓶；9光学采集模块；901.激光器；902.显微拉曼模块；903.显微镜摄像头；10.A/D信号转换器；11.检测分析模块；1101.拉曼图库；1102.定性分析单元；1103.定量分析单元；1104.主控芯片处理器；12.显示终端；13.定位及无线通信模块；1301.北斗/GPS定位器；1302.无线通信单元。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。

图1为本发明的结构原理框图，如图所示，本发明所述的用于水体污染物检测的流动注射显微拉曼光谱装置包括进样模块2，电源模块1，光谱采集模块9，检测分析模块11，结果显示输出模块12、定位及无线通信模块13等。电源模块1为整个检测装置提供电能，并进行电源管理。进样模块2将待测水样输送至微流控芯片501中，同时调整微流控芯片501的位姿实现待测水样与显微拉曼模块间的精确定位与调焦。光学采集模块9收集待测水样的拉曼散射信号并经过光电转换后送入检测分析模块11，测试水样中污染物的成分及含量。检测结果在显示终端12输出显示，并通过定位及无线通信模块13将待测水样点的位置及水质污染情况传输至上级监控中心，实现远程实时监控。

所述电源模块1包括系统电源101，太阳能电池102以及电源管理器103。检测装置通过系统电源101供电，太阳能电池102作为备用电源，当断电或系统电源故障时，电源管理器103将电源切换到太阳能电池供电模式，以维持检测分析过程正常进行。

所述进样模块2通过微泵202抽取水样，并通过微泵前的过滤网201以及微泵后的精滤器203,204进行多次过滤，再通过多通控制阀3选通流路，由注射泵4将待测水样注射至预定流路的微流控芯片501中，通过调整旋转样品台5和位移调节台6的位姿实现微流控芯片501中的水样与显微拉曼模块间的精确定位与调焦。所述微泵202为可调流速泵，流速调节范围为0.5-20ml/min，优选的是流速为3ml/min；所述的过滤网201采用金属网滤芯或金属粉末烧结滤芯，优选的是金属网滤芯，并在精滤器203.204上设置有一层反渗透膜；所述的多通控制阀3为4-16位，所述的注射泵4为蠕动泵或恒流注射泵，其流速为0.05-5ml/min，可根据实际测试需求设置流速，为了减小水样注射过程中由于流速波动造成的测量误差，优选流速为3ml/min的恒流注射泵作为传输溶液的动力源；所述的微流控芯片为流道内通过构筑纳米结构阵列形成具有表面增强拉曼基底的芯片，微流控芯片的流道宽度为宽度为100um，深度为100um；所述的位移调节台6和旋转样品台5均采用直流电机或步进电机驱动，实现XYZ方向的平移和绕Z轴方向的旋转运动，优选步进电机通过脉冲信号准确调节位移量；所述的旋转样品台5固定在位移调节台6上可随之平移，旋转样品台5上设置有周向均布的N个芯片槽，通常取4-16个，微流控芯片501放置于芯片槽中。

所述光学采集模块9通过显微拉曼模块收集待测水样的拉曼散射信号，由显微拉曼模块902进行光电转换后送入检测分析模块11进行分析处理，同时通过显微拉曼模块902中的显微镜摄像头903采集水样的微区图像并对感兴趣的区域进行详细分析，优选的显微镜摄像头为SKDCE-3型。所述显微拉曼模块采用的入射激光波长可为532nm，633nm，785nm，1064nm，可根据需求进行选择，优选的是785nm。

所述检测分析模块11包含有主控芯片处理器1104，智能分析软件及相关外围电路，所述主控芯片处理器1104可为单片机、DSP处理器或FPGA处理器，优选的是FPGA处理器，智能分析软件中嵌入有水质污染物的标准拉曼图库1101，定性分析单元1102和定量分析单元1103。在该模块中完成水样中污染物成分及含量的分析计算，并将检测水样点的位置信息，水质检测报告等通过通信接口发送至显示终端12。所述的显示终端12可为LED显示屏、LCD显示器、PC机等，优选的是LCD显示器。所述定位及无线通信模块13将待测水样点的地理位置，水质检测结果等信息通过无线网络发送至上级监控中心，形成远程实时监控。图2为本发明的总体构成图。

图3为本发明的工作流程示意图，如图所示，本发明所述的用于水体污染物检测的流动注射显微拉曼光谱检测方法包括以下步骤：

1)开启微泵202抽取待测水样至多通控制阀3进水孔中，然后开启多通控制阀3选通微流控芯片501，再由注射泵4将水样注入所选定的微流控芯片501中；

2)调整旋转样品台5和位移调节台6的坐标，使微流控芯片501中的待测水样与显微拉曼模块精确定位和调焦；

3)开启激光器901，显微拉曼模块将入射激光聚焦到微流控芯片501上，并收集待测水样产生的拉曼光谱散射信号，并将该信号送入检测分析模块11中进行分析处理。检测完毕后转动旋转样品台5，切换到下一个待测样品位置；

4)检测分析模块11通过拉曼谱图比对以及定性定量分析计算，测试出水样中污染物的成分和含量，并将结果输出至显示终端12；同时，通过定位及无线通信模块13将待测水样点的地理位置信息及检测结果发送至上级监控中心，实现远程实时监控。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (8)

1.一种用于水体污染物检测的流动注射显微拉曼光谱装置，其特征在于：该装置包括进样模块、电源模块、光学采集模块、检测分析模块、结果显示输出模块、定位及无线通信模块；

所述电源模块为整个检测装置提供电能，并进行电源管理；所述进样模块将待测水样输送至微流控芯片中，同时调整微流控芯片的位姿实现待测水样与显微拉曼模块间的精确定位与调焦；所述光学采集模块收集待测水样的拉曼散射信号并经过光电转换后送入检测分析模块，测试水样中污染物的成分及含量；所述检测结果在显示终端输出显示，并通过定位及无线通信模块将待测水样点的位置及水质污染情况传输至上级监控中心，实现远程实时监控。

2.根据权利要求1所述的一种用于水体污染物检测的流动注射显微拉曼光谱装置，其特征在于：所述电源模块包括系统电源，太阳能电池以及电源管理器；检测装置通过系统电源供电，太阳能电池作为备用电源，当断电或系统电源故障时，电源管理器将电源切换到太阳能电池供电模式，以维持检测分析过程正常进行。

3.根据权利要求1所述的一种用于水体污染物检测的流动注射显微拉曼光谱装置，其特征在于：所述进样模块通过微泵抽取水样，并通过微泵前的过滤网以及微泵后的精滤器进行多次过滤，再通过多通控制阀选通流路，由注射泵将待测水样注射至预定流路的微流控芯片中，通过调整旋转样品台和位移调节台的位姿实现微流控芯片中的水样与显微拉曼模块间的精确定位与调焦。

4.根据权利要求3所述的一种用于水体污染物检测的流动注射显微拉曼光谱装置，其特征在于：所述微泵为可调流速泵，流速调节范围为0.5-20ml/min，可根据实际测试需求设置流速；所述的过滤网采用金属网滤芯或金属粉末烧结滤芯，并在精滤器上设置有一层反渗透膜；所述的多通控制阀为4-16位，所述的注射泵为蠕动泵或恒流注射泵，其流速为0.05-5ml/min，可根据实际测试需求设置流速；所述的微流控芯片为流道内通过构筑纳米结构阵列形成具有表面增强拉曼基底的芯片，微流控芯片的流道宽度为宽度为10-200um，深度为10-200um；所述的位移调节台和旋转样品台均采用直流电机或步进电机驱动，实现XYZ方向的平移和绕Z轴方向的旋转运动，所述的旋转样品台固定在位移调节台上可随之平移，旋转样品台上设置有周向均布的N个芯片槽，通常取4-16个，微流控芯片放置于芯片槽中。

5.根据权利要求1所述的一种用于水体污染物检测的流动注射显微拉曼光谱装置，其特征在于：所述光学采集模块通过显微拉曼模块收集待测水样的拉曼散射信号，由显微拉曼模块进行光电转换后送入检测分析模块进行分析处理，同时通过显微拉曼模块中的显微镜摄像头采集水样的微区图像并对感兴趣的区域进行详细分析；所述显微拉曼模块采用的入射激光波长可为532nm，633nm，785nm，1064nm，可根据需求进行选择。

6.根据权利要求1所述的一种用于水体污染物检测的流动注射显微拉曼光谱装置，其特征在于：所述检测分析模块包含有主控芯片处理器，智能分析软件及相关外围电路，所述主控芯片可为单片机、DSP处理器或FPGA处理器，智能分析软件中嵌入有水体污染物的标准拉曼图库，定性分析单元和定量分析单元；在该模块中完成水样中污染物成分及含量的分析计算，并将检测水样点的位置信息，水质检测报告等通过通信接口发送至显示终端；所述显示终端可为LED显示屏、LCD显示器、PC机。

7.一种采用权利要求1至6中任一项所述装置的检测方法，其特征在于：包括以下步骤：

1)开启微泵抽取待测水样至多通控制阀进水孔中，然后开启多通控制阀选通微流控芯片，再由注射泵将水样注入所选定的微流控芯片中；

2)调整旋转样品台和位移调节台的坐标，使微流控芯片中的待测水样与显微拉曼模块精确定位和调焦；

3)开启激光器，显微拉曼模块将入射激光聚焦到微流控芯片上，并收集待测水样产生的拉曼光谱散射信号，并将该信号送入检测分析模块中进行分析处理；检测完毕后转动旋转样品台，切换到下一个待测样品位置；

4)检测分析模块通过拉曼谱图比对以及定性定量分析计算，测试出水样中污染物的成分和含量，并将结果输出至显示终端；同时，通过定位及无线通信模块将待测水样点的地理位置信息及检测结果发送至上级监控中心，实现远程实时监控。

8.根据权利要求1所述进样模块、电源模块、光学采集模块、检测分析模块、结果显示输出模块、定位及无线通信模块均放置在一个机箱中，实现装置的集成化和小型化。