CN108303555B - 一种养殖水体中铅镉汞即时检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种养殖水体中铅镉汞即时检测装置及方法，该装置包括：黑盒模块与微机模块连接，黑盒模块包括第一光源、第二光源、滤光片、光纤、微流控芯片和光电检测芯片；第一光源设置于微流控芯片的上侧，滤光片设置于第一光源与微流控芯片之间，光纤的一端与微流控芯片连接，光纤的另一端与第二光源连接，光电检测芯片设置于微流控芯片的下侧；微机模块用于驱动第一光源和第二光源交替照射微流控芯片。本发明通过对光谱数据进行浊度补偿处理，并对基质效应进行校正，建立检测模型，从而得出养殖水体中铅、镉、汞含量，实现了高效、快速、定量、精确、自动化检测，并且大大节省了试剂的使用，实现养殖水体现场即时检测。

Description

一种养殖水体中铅镉汞即时检测装置及方法

技术领域

本发明涉及水质检测技术领域，更具体地，涉及一种养殖水体中铅镉汞即时检测装置及方法。

背景技术

水体中重金属是一种主要的环境污染物，不能降解，且可通过水生动植物经过食物链传递到人体中，能长期在生物体内积累，微量表现出巨大的毒性。近年来，水环境中重金属污染已经十分普遍并呈现日益加剧的趋势，因此实现养殖水体中重金属的现场即时检测对于控制和预防重金属污染具有十分重要的意义。

通过对水样品进行检测，可以直接反映养殖水体中铅、镉、汞情况。现有技术主要有四类：一是基于光电比色等传统检测技术，精度高，但是操作费时费力；二是基于近红外光谱技术，利用反射或透射光谱特性直接或者间接测量水体多参数，但硬件成本较高，检测精度差，几乎不能定量化检测；三是基于电化学分析技术，电化学分析法准确度和灵敏度都较高，但选择性较差；四是基于生物分析技术，但其在准确度和灵敏度方面有所欠缺。

即时检测(Point-of-Care Testing，简称POCT)，它的主要标准是不需要固定的检测场所，试剂和仪器是便携式的，并且可即时操作。微流控是实现POCT的理想技术，它是一种精确控制和操控微尺度流体，尤其特指亚微米结构的技术。微流控芯片具有液体流动可控、消耗试样和试剂极少、分析速度成十倍上百倍地提高等特点,它可以在几分钟甚至更短的时间内进行上百个样品的同时分析,并且可以在线实现样品的预处理及分析全过程。

现有技术中，通常需要在实验室由专业技术人员对样品进行一系列操作，耗时几小时甚至几天才能得出精准的结果。如何高效快速检测水体环境中的铅、镉、汞含量，为科学养殖和防治水体污染提供依据，成为一个亟待解决的问题。

发明内容

本发明提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的一种养殖水体中铅镉汞即时检测装置及方法。

根据本发明的一个方面，提供一种养殖水体中铅镉汞即时检测装置，所述铅镉汞即时检测装置包括：微机模块和黑盒模块；所述黑盒模块与所述微机模块连接，所述黑盒模块包括第一光源、第二光源、滤光片、光纤、微流控芯片和光电检测芯片；所述第一光源设置于所述微流控芯片的上侧，所述滤光片设置于所述第一光源与所述微流控芯片之间，所述光纤的一端与所述微流控芯片连接，所述光纤的另一端与所述第二光源连接，所述光电检测芯片设置于所述微流控芯片的下侧；所述微机模块用于驱动所述第一光源和所述第二光源交替照射所述微流控芯片。

优选地，所述微流控芯片包括光纤池和检测池，所述光纤设置于所述光纤池中，所述光纤的一端与所述检测池连接，所述光纤的另一端与所述第二光源连接。

优选地，所述光纤与所述检测池的一端之间的钝角为120度，所述检测池的一端靠近所述微流控芯片的下侧。

优选地，所述检测池的高度为1厘米。

优选地，所述光纤封装在塑料护套内。

根据本发明的另一个方面，提供一种养殖水体中铅镉汞即时检测方法，包括：获取待测液和多组不同浓度梯度的样品溶液；获取每一样品溶液对应的光谱数据，对于任一样品溶液，根据所述任一样品溶液的第一初始光谱数据，获取所述任一样品溶液对应的光谱数据，所述第一初始光谱数据包括所述任一样品溶液的浊度与吸光度；根据所述每一样品溶液对应的光谱数据，确定检测模型；通过所述铅镉汞即时检测装置，获取所述待测液的第二初始光谱数据；将所述第二初始光谱数据输入所述检测模型，获取所述待测液中铅含量数据、所述待测液中镉含量数据和所述待测液中汞含量数据。

优选地，根据所述任一样品溶液的第一初始光谱数据，获取所述任一样品溶液对应的光谱数据，具体包括：对所述第一初始光谱数据进行浊度补偿处理，并对浊度补偿处理后的第一初始光谱数据进行基质效应校正，获取所述任一样品溶液对应的光谱数据。

优选地，所述任一样品溶液的第一初始光谱数据通过所述铅镉汞即时检测装置获取。

优选地，通过所述铅镉汞即时检测装置，获取所述待测液的第二初始光谱数据，具体包括：所述待测液和显色剂置于所述微流控芯片中进行充分反应，获得反应后液，所述反应后液位于所述检测池；所述微机模块驱动所述第一光源和所述第二光源交替照射所述检测池；通过所述光电检测芯片采集所述检测池中反应后液的浊度与吸光度，将所述反应后液的浊度与吸光度作为所述第二初始光谱数据。

优选地，所述检测模型为：

z＝f(tx,my)，

其中，t为浊度补偿系数，m为基质校正系数，x为所述第一初始光谱数据，y为所述第二初始光谱数据，z为所述待测液中铅含量数据、镉含量数据和汞含量数据。

本发明提出一种养殖水体的铅镉汞即时检测装置及方法，通过两个光源交替照射检测池，采集检测池吸光度和浊度光谱数据，进行浊度补偿处理，并对基质效应进行校正，建立检测模型。根据预先得到的检测模型得出养殖水体中铅、镉、汞含量，实现了高效、快速、定量、精确、自动化检测，并且大大节省了试剂的使用，实现养殖水体现场即时检测。

附图说明

图1为本发明实施例一种养殖水体中铅镉汞即时检测装置中黑盒模块的结构示意图；

图2为本发明实施例一种养殖水体中铅镉汞即时检测装置中微流控芯片的结构示意图；

图3为本发明实施例一种养殖水体中铅镉汞即时检测装置中微流控芯片的侧视结构示意图；

图4为本发明实施例中一种养殖水体中铅镉汞即时检测方法的流程图。

其中，

1-滤光片； 2-第一光源； 3-微流控芯片；

4-光电检测芯片； 5-试剂入口池； 6-待测液入口池；

7-光纤池； 8-方波微通道； 9-检测池；

10-出口池； 11-第二光源； 12-光纤；

13-基底。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

本发明实施例解决现有问题的思路在于，利用待测液(简称比色溶液)的可见光和近红外透射光谱反演养殖水体中铅、镉、汞的含量。即，使用对应波长的发光二极管灯泡，光源发出的光首先经过对应的滤光片，然后经过微流控芯片中的检测池到达光电检测芯片(比色法是通过比较或测量有色物质溶液颜色深度来确定待测组分含量的方法)，获取吸光度的值；另一光源发出的光首先经过光纤，然后经过微流控芯片中的检测池到达光电检测芯片，获取浊度数据。利用浊度补偿处理、基质效应校正后的光谱数据建立检测模型，通过得到的检测模型确定养殖水体中待测物质的浓度进而反演得到被测养殖水体中铅、镉、汞的含量。

图1为本发明实施例一种养殖水体中铅镉汞即时检测装置中黑盒模块的结构示意图，如图1所示，铅镉汞即时检测装置包括：微机模块和黑盒模块；所述黑盒模块与所述微机模块连接，所述黑盒模块包括第一光源2、第二光源11、滤光片1、光纤12、微流控芯片3和光电检测芯片4；所述第一光源2设置于所述微流控芯片3的上侧，所述滤光片1设置于所述第一光源2与所述微流控芯片3之间，所述光纤12的一端与所述微流控芯片3连接，所述光纤12的另一端与所述第二光源11连接，所述光电检测芯片4设置于所述微流控芯片3的下侧；所述微机模块用于驱动所述第一光源2和所述第二光源11交替照射所述微流控芯片3。

图2为本发明实施例一种养殖水体中铅镉汞即时检测装置中微流控芯片的结构示意图，如图2所示，该微流控芯片3包括试剂入口池5、待测液入口池6、光纤池7、方波微通道8、检测池9、出口池10和基底13；待测液由注射泵驱动从待测液入口池6进入该微流控芯片3，显色剂由注射泵驱动从试剂入口池5进入该微流控芯片3，通过方波微通道8，进入检测池9，向出口池10流动。

显色剂和待测液在方波微通道8中混合反应，充满检测池9。该微流控芯片3为PDMS材质，基底13为玻璃、塑料、树脂、PDMS中的一种，基底13通过等离子或臭氧处理后与微流控芯片3键合。该微流控芯片3具有高为1厘米的检测池9，解决了微流控芯片3用于光学检测时光程不足的问题。

在使用过程中，待测液和显色剂分别由注射泵驱动进入所述试剂入口池5和待测液入口池6，向出口池10流动，待测液和显色剂在方波微通道8中混合反应，得到反应后液，反应后液充满检测池9。

微机模块中的光源驱动单元驱动第一光源2，第一光源2通过滤光片1得到固定波长的过滤光，该过滤光照射到所述检测池9，并投射到光电检测芯片4上，所述光电检测芯片4采集反应后液的吸光度数据。

微机模块中的光源驱动单元驱动第二光源11，第二光源11通过光纤12照射到检测池9，并投射到光电检测芯片4上，光电检测芯片4采集反应后液的浊度数据。

光源驱动单元和光电检测芯片4连接，获取光电检测芯片4采集的光谱数据，将光信号转换为电信号，并对数据传输至微机模块进行进一步处理。

可选的，微机模块包括：微控制器、光源驱动单元、操作单元、信号放大调解单元和串口通讯单元。

光源驱动单元、操作单元、信号放大调解单元、串口通讯单元分别与微控制器相连接。操作单元包括键盘。

光源驱动单元分别与第一光源2、第二光源11连接，并由所述微控制器控制。

可选的，第一光源2为固定特征波段的发光二极管。

可选的，滤光片1的半波带宽为10nm。

可选的，该铅镉汞即时检测装置还包括显示模块和电源模块，显示模块和电源模块分别与微机模块连接。显示模块具体包括：液晶显示器；液晶显示器与所述微机模块相连接。

本发明实施例通过在黑盒模块中设置两个光源，实现吸光度和浊度数据的测量，对采集到的浊度与吸光度数据，进行浊度补偿处理、基质效应校正，确立的检测模型更可靠，精度更高。注射泵可精确控制液体流速，促使比色反应显色完全。使用微流控芯片3进行比色反应，可以减少显色时间，加快效率，并且节省试剂。本发明实施例实现了快速即时自动化检测养殖水体中铅、镉、汞。不需大型昂贵的检测设备，方便非专业人员进行检测。

在上述实施例的基础上，优选地，所述微流控芯片3包括光纤池7和检测池9，所述光纤12设置于所述光纤池7中，所述光纤12的一端与所述检测池9连接，所述光纤12的另一端与所述第二光源11连接。

在上述实施例的基础上，优选地，所述光纤12的一端与所述检测池9的夹角为120度。

在上述实施例的基础上，优选地，所述检测池9的高度为1厘米。解决了微流控芯片3用于光学检测时光程不足的问题。

在上述实施例的基础上，优选地，所述光纤12封装在塑料护套内。光通过所述封装在塑料护套内的光纤12照射到检测池9，最终照射到光电检测芯片4上，实现浊度补偿。

图3为本发明实施例一种养殖水体中铅镉汞即时检测装置中微流控芯片的侧视结构示意图，如图3所示，该微流控芯片3上层为PDMS，PDMS与基底13键合在一起，微通道存在于两者的键合面上；检测池99高为1厘米，试剂入口池5在图中与待测液入口池6位于同一视角。

通过黑盒进行光谱数据测量时，第一光源2的光透过滤光片11后，再透过检测池9到达光电检测芯片4，对第一光源2的光强进行检测，通过光电检测芯片4采集吸光度数据。第二光源11发出的光经过封装在塑料护套内的光纤12后，经过检测池9到达光电检测芯片4，获取浊度数据。

图4为本发明实施例中一种养殖水体中铅镉汞即时检测方法的流程图，如图4所示，该方法包括：获取待测液和多组不同浓度梯度的样品溶液；获取每一样品溶液对应的光谱数据，对于任一样品溶液，根据所述任一样品溶液的第一初始光谱数据，获取所述任一样品溶液对应的光谱数据，所述第一初始光谱数据包括所述任一样品溶液的浊度与吸光度；根据所述每一样品溶液对应的光谱数据，确定检测模型；通过所述铅镉汞即时检测装置，获取所述待测液的第二初始光谱数据；将所述第二初始光谱数据输入所述检测模型，获取所述待测液中铅含量数据、所述待测液中镉含量数据和所述待测液中汞含量数据。

首先，获取待测液和多组不同浓度梯度的样品溶液。

接着，获取每个样品溶液对应的光谱数据，获取方式都相同，以其中一个样品溶液为例进行说明。

将该样品溶液注入到微流控芯片3的待测液入口池6中，同时将显色剂注入到微流控芯片3的试剂入口池5中，获取检测池9中反应后液的浊度与吸光度数据。将反应后液的浊度与吸光度数据作为该样品溶液的第一初始光谱数据。

对第一初始光谱数据进行浊度补偿处理，并对浊度补偿处理后的第一初始光谱数据进行基质效应校正，得到该样品溶液对应的光谱数据。

利用所有样品溶液对应的光谱数据，确定检测模型。

将待测液注入到微流控芯片3的待测液入口池6中，同时将显色剂注入到微流控芯片3的试剂入口池5中，获取检测池9中反应后液的浊度与吸光度数据。将反应后液的浊度与吸光度数据作为该待测液的第二初始光谱数据。

将第二光谱数据代入检测模型z＝f(tx,my)，得到待测物质含量z，并通过显示模块显示养殖水体中的待测物质含量。

可选的显色剂为：

待测物质为重金属铅时，显色剂为盐酸羟胺、柠檬酸胺、酒石酸钾钠、双硫腙混合液；待测物质为重金属镉时，显色剂为双硫腙四氯化碳溶液(双硫腙溶于四氯化碳)、酒石酸钾钠溶液、盐酸羟铵溶液和氢氧化钠溶液混合液；待测物质为重金属汞时，显色剂为双硫腙四氯化碳溶液和亚硫酸钠溶液混合液。

在上述实施例的基础上，优选地，根据所述任一样品溶液的第一初始光谱数据，获取所述任一样品溶液对应的光谱数据，具体包括：通过所述铅镉汞即时检测装置，获取所述任一样品溶液的所述第一初始光谱数据，对所述第一初始光谱数据进行浊度补偿处理，并对浊度补偿处理后的第一初始光谱数据进行基质效应校正，获取所述任一样品溶液对应的光谱数据。

在上述实施例的基础上，优选地，通过所述铅镉汞即时检测装置，获取所述待测液的第二初始光谱数据，具体包括：所述待测液和显色剂置于所述微流控芯片3中进行充分反应，获得反应后液，所述反应后液位于所述检测池9；所述微机模块驱动所述第一光源2和所述第二光源11交替照射所述检测池9；通过所述光电检测芯片4采集所述检测池9中反应后液的浊度与吸光度，将所述反应后液的浊度与吸光度作为所述第二初始光谱数据。

在上述实施例的基础上，优选地，所述检测模型为：

z＝f(tx,my)，

其中，t为浊度补偿系数，m为基质校正系数，x为所述第一初始光谱数据，y为所述第二初始光谱数据，z为所述待测液中铅含量数据、镉含量数据和汞含量数据。

本发明通过在黑盒模块中设置两个光源和与微流控芯片的检测池成120°角的光纤，实现吸光度和浊度数据的测量，对采集到的浊度与吸光度数据，进行浊度补偿处理、基质效应校正，确立的检测模型更可靠，精度更高。所述微流控芯片中高为1厘米的检测池，解决了微流控芯片用于光学检测时光程不足的问题。注射泵可精确控制液体流速，促使比色反应显色完全。使用微流控芯片进行比色反应，可以减少显色时间，加快效率，并且节省试剂。本发明实现了快速即时自动化检测养殖水体中铅、镉、汞。不需大型昂贵的检测设备，方便非专业人员进行检测。

最后，本发明的方法仅为较佳的实施方案，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种养殖水体中铅镉汞即时检测装置，其特征在于，所述铅镉汞即时检测装置包括：微机模块和黑盒模块；

所述黑盒模块与所述微机模块连接，所述黑盒模块包括第一光源、第二光源、滤光片、光纤、微流控芯片和光电检测芯片；

所述第一光源设置于所述微流控芯片的上侧，所述滤光片设置于所述第一光源与所述微流控芯片之间，所述光纤的一端与所述微流控芯片连接，所述光纤的另一端与所述第二光源连接，所述光电检测芯片设置于所述微流控芯片的下侧；

所述微机模块用于驱动所述第一光源和所述第二光源交替照射所述微流控芯片。

2.根据权利要求1所述装置，其特征在于，所述微流控芯片包括光纤池和检测池，所述光纤设置于所述光纤池中，所述光纤的一端与所述检测池连接，所述光纤的另一端与所述第二光源连接。

3.根据权利要求2所述装置，其特征在于，所述光纤与所述检测池的一端之间的钝角为120度，所述检测池的一端靠近所述微流控芯片的下侧。

4.根据权利要求2所述装置，其特征在于，所述检测池的高度为1厘米。

5.根据权利要求2所述装置，其特征在于，所述光纤封装在塑料护套内。

6.一种利用权利要求1-5任一所述养殖水体中铅镉汞即时检测装置的养殖水体中铅镉汞即时检测方法，其特征在于，包括：

获取待测液和多组不同浓度梯度的样品溶液；

获取每一样品溶液对应的光谱数据，对于任一样品溶液，根据所述任一样品溶液的第一初始光谱数据，获取所述任一样品溶液对应的光谱数据，所述第一初始光谱数据包括所述任一样品溶液的浊度与吸光度；

根据所述每一样品溶液对应的光谱数据，确定检测模型；

通过所述铅镉汞即时检测装置，获取所述待测液的第二初始光谱数据；

将所述第二初始光谱数据输入所述检测模型，获取所述待测液中铅含量数据、所述待测液中镉含量数据和所述待测液中汞含量数据。

7.根据权利要求6所述方法，其特征在于，根据所述任一样品溶液的第一初始光谱数据，获取所述任一样品溶液对应的光谱数据，具体包括：

对所述第一初始光谱数据进行浊度补偿处理，并对浊度补偿处理后的第一初始光谱数据进行基质效应校正，获取所述任一样品溶液对应的光谱数据。

8.根据权利要求7所述方法，其特征在于，所述任一样品溶液的第一初始光谱数据通过所述铅镉汞即时检测装置获取。

9.根据权利要求6所述方法，其特征在于，通过所述铅镉汞即时检测装置，获取所述待测液的第二初始光谱数据，具体包括：

所述待测液和显色剂置于所述微流控芯片中进行充分反应，获得反应后液，所述反应后液位于所述检测池；

所述微机模块驱动所述第一光源和所述第二光源交替照射所述检测池；

通过所述光电检测芯片采集所述检测池中反应后液的浊度与吸光度，将所述反应后液的浊度与吸光度作为所述第二初始光谱数据。

10.根据权利要求6所述方法，其特征在于，所述检测模型为：

z＝f(tx,my)，

其中，t为浊度补偿系数，m为基质校正系数，x为所述第一初始光谱数据，y为所述第二初始光谱数据，z为所述待测液中铅含量数据、镉含量数据和汞含量数据。