CN109975216A - 一种基于激光光盘的便携式光谱检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于激光光盘的便携式光谱检测装置及方法。该装置用CD片构建了精巧的光谱检测结构。该方法首先通过不同波长的激光器照射，用智能手机采集图像，选择最优像素采集点并建立其竖直位置与波长的转换关系；之后加入不同浓度的溶液，面光源透射过比色皿由狭缝进入CD腔室，经CD片衍射成像于手机摄像头上，智能手机采集图像，获得发射波长对应位置HSV空间中V分量的数值，用最小二乘法拟合出溶液浓度的标定曲线；通过将待测液图像中对应位置V分量的数值代入标定曲线，从而计算出其浓度。本发明实现了对光谱的检测及对具有显色反应溶液的定量测量，具有成本低廉、操作简单、检测快速等优点，同时也能满足现场检测的需要。

Description

一种基于激光光盘的便携式光谱检测装置及方法

技术领域

本发明涉及一种便携式光谱检测装置及方法，尤其涉及一种基于激光光盘 (CD)的便携式光谱检测装置及方法。

背景技术

如今越来越多的研究团队致力于将基于实验室仪器的生物分子检测方法转变为基于移动平台的检测方法，用于对病原体、生物毒素、重金属等环境污染物的快速、即时、现场检测和分析。随着手机的使用越来越普及，手机的性能也在快速提升，尤其是手机摄像头的快速发展，使得高分辨率、高适应性的图像拍摄成为可能。因而许多科研工作者使用智能手机内置的摄像头作为光学传感器用于监测荧光微球、检测酶联免疫反应(ELISA)中液体颜色的变化等。激光光盘(CD)作为一种数字光学存储工具而被广泛使用于我们的日常生活中。 CD的结构由四部分组成：聚碳酸酯数据层、激光反射层、保护层和印刷层。数据层是由许多间隔约1.6μm(625条/mm)的狭缝组成，因此CD可以作为一种优良而廉价的透射光栅材料，可与智能手机结合构成新型的光谱检测装置。目前光谱的检测和分析通常使用酶标仪，这种仪器体积庞大、价格昂贵而且需要专业的人员操作，无法满足现场检测的需求。因此对于光谱的检测和分析急需一种成本低廉、操作简单的便携式装置和方法，以用于现场检测。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于激光光盘的便携式光谱检测装置及方法。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于激光光盘的便携式光谱检测装置，用于对具有显色反应的液体进行光谱测量，该装置包括：电源适配器、光源导线、面光源、面光源支架、比色皿、比色皿支架、智能手机、智能手机卡槽、智能手机摄像头、暗室、暗室滑盖、滑盖手柄、平行导轨、CD 腔室和CD片；其中，CD腔室位于暗室内，CD腔室和暗室的横截面均为梯形，且底角均为60度；暗室内侧底部具有两条平行导轨，面光源支架、比色皿支架、 CD腔室沿平行导轨依次布置，均可沿平行导轨滑动；面光源固定在面光源支架上，其导线穿过暗室侧壁的开孔与暗室外的电源适配器连接；比色皿通过比色皿支架的卡槽固定于比色皿支架上；CD腔室的第一侧壁为竖直面，其上开有狭缝，面光源发出的光透射过比色皿，通过该狭缝进入CD腔室，与第一侧壁相对的第二侧壁为斜面，斜面上开有窗口；CD片通过胶水从外侧粘贴在窗口上后，将CD腔室沿平行导轨滑动，直到CD腔室斜面贴合暗室斜面，其中CD片的光栅水平布置；暗室顶部具有可抽拉功能的滑盖，滑盖上安装手柄；暗室斜面上具有智能手机卡槽，智能手机可通过该卡槽固定在暗室斜面外侧；暗室斜面上开有圆孔，该圆孔与CD腔室斜面的窗口相对应，智能手机摄像头通过暗室斜面上的圆孔，对经CD片衍射所成的光谱图像进行采集。

进一步地，CD腔室的第一侧壁开有的狭缝为矩形狭缝，狭缝水平方向长 8mm，竖直方向长0.2mm。

进一步地，CD腔室的第二侧壁开有的窗口为10mm*10mm的正方形窗口，其中两条边水平；CD片的尺寸为15mm*15mm；暗室斜面上开有的圆孔直径为 10mm。

进一步地，面光源、CD腔室的矩形狭缝、CD腔室的正方形窗口、暗室斜面圆孔的中心共轴。

进一步地，所述CD片为在传统的CD光盘上裁剪的一定大小的矩形区域，且去掉印刷层和反射层。

一种基于激光光盘的便携式光谱检测方法，该方法包括以下步骤：

(1)确定最优像素点竖直位置与波长大小的转换关系：用多支不同波长的激光器在同一位置，从比色皿的前方发出激光，激光透射过比色皿后通过狭缝进入CD腔室，通过智能手机采集不同激光器照射下的光谱图像；采集完所有图像后，对每一幅采集的图像进行处理，处理过程包括以下子步骤：

(1.1)对原图像进行分割，分割出感兴趣区域子图像，所有采集的图像的子图像切割的位置相同，且均包含完整的光谱区域，子图像的大小为m*n像素点；

(1.2)将子图像转换至颜色空间HSV，提取子图像中每个像素点的V分量；

(1.3)将子图像中同一竖直位置上的m个像素点的V分量累加，作为光强值，得到1*n大小的数组，反应光强值大小随竖直位置的变化关系；

(1.4)寻找上述数组的最大值，并找出对应的像素点竖直位置，作为最优像素采集点；

对于每一种波长的激光器，均可以得到一个对应的最优像素采集点，记录每一种激光器的波长和对应的最优像素采集点竖直位置，绘出波长大小和最优像素点竖直位置的关系图谱；然后遍历所有波长，通过最小二乘法拟合曲线算法，拟合出波长大小和最优像素点竖直位置的转换关系；

(2)确定检测溶液浓度的最佳标定曲线：配制若干浓度梯度的溶液，依次加入到比色皿中，由面光源照射，透射光通过狭缝进入CD腔室，经CD片衍射将光谱成像于摄像头上，智能手机采集每一种浓度下的溶液光谱图像，对采集的图像进行处理，处理过程包括以下子步骤：

(2.1)将溶液最佳发射波长通过步骤(1)确定的波长大小和最优像素点竖直位置的转换关系，转化为最优像素点竖直位置P；

(2.2)取步骤(2.1)所获得的最优像素点位置P竖直方向附近的十个点，即P-5～P+4，将十个像素点对应V分量的值累加作为最后的光强值I；

基于上述处理过程对于每一种浓度的溶液，均可以得到一个对应的光强值I，记录每一种溶液的浓度和对应光强值I，绘出浓度大小和光强值I的关系图谱；然后遍历所有溶液样品浓度，通过最小二乘法拟合曲线算法，拟合出溶液浓度和光强值I的最佳标定曲线；

(3)检测未知浓度的待测溶液浓度：将未知浓度的待测溶液加入到比色皿中，重复步骤(2.2)，得到光强值I，然后根据步骤(2)确定的检测溶液浓度的最佳标定曲线，计算出未知浓度溶液的浓度。

本发明的有益效果是：本发明提供了一种基于激光光盘的便携式光谱检测装置及方法，可以实现对光谱的检测和分析，并可扩展用于其他基于光谱分析的生物化学分子的检测。与现有的酶标仪检测方法比较，具有成本低廉、仪器便携、操作简单等优点，克服现有实验室检测仪器体积庞大、价格昂贵的不足。根据以上优点，本发明的装置及方法可用于对病原体、生物毒素、重金属等环境污染物的快速、即时、现场检测和分析。

附图说明

图1是本发明一种基于激光光盘的便携式光谱检测装置整体结构图；

图2是本发明中使用的CD片微观结构示意图；

图3是本发明确定的像素点竖直位置与波长大小的转换关系结果图；

图4是本发明确定的检测纳米金溶液的最佳标定曲线的结果图；

图5是本发明方法的流程图；

图中，电源适配器1、光源导线2、面光源3、面光源支架4、比色皿5、比色皿支架6、智能手机7、智能手机卡槽8、智能手机摄像头9、暗室10、暗室滑盖11、滑盖手柄12、平行导轨13、CD腔室14、CD片15、狭缝16、CD微观结构中的凹槽17和CD微观结构中的平陆18。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细描述，但并不是限制本发明。

如图1所示，本发明提供了一种基于激光光盘的便携式光谱检测装置，可以对具有显色反应的液体进行光谱测量，从而得到液体的浓度，该装置包括：电源适配器1、光源导线2、面光源3、面光源支架4、比色皿5、比色皿支架6、智能手机7、智能手机卡槽8、智能手机摄像头9、暗室10、暗室滑盖11、滑盖手柄12、平行导轨13、CD腔室14、CD片15和狭缝16；其中，CD腔室14 位于暗室10内，CD腔室14和暗室10的横截面均为梯形，且底角均为60度，该角度的设置是为了得到第一级衍射光谱；暗室10内侧底部具有两条平行导轨13，面光源支架4、比色皿支架6、CD腔室14沿平行导轨13依次布置，均可沿平行导轨13滑动；面光源3通过螺丝固定在面光源支架4上，其导线2穿过暗室10侧壁的开孔与暗室10外的电源适配器1连接；比色皿5通过比色皿支架6的卡槽固定于比色皿支架6上；CD腔室14的第一侧壁为竖直面，其上开有矩形狭缝16，狭缝16水平方向长8mm，竖直方向长0.2mm，面光源3发出的光透射过比色皿5，通过该狭缝16进入CD腔室14，与第一侧壁相对的第二侧壁为斜面，斜面上开有10mm*10mm的正方形窗口，其中两条边水平；裁剪尺寸为15mm*15mm的CD片15通过胶水从外侧粘贴在窗口上后，将CD腔室14沿平行导轨13滑动，直到CD腔室14斜面贴合暗室10斜面，其中CD片 15的光栅水平布置；暗室10顶部具有可抽拉功能的滑盖11，滑盖11上安装手柄12，通过手柄12控制滑盖11滑动，方便将待测液体加入上述比色皿5中；暗室10斜面上具有智能手机卡槽8，智能手机7可通过该卡槽8固定在暗室10 斜面外侧；暗室10斜面上开有直径10mm的圆孔，该圆孔与CD腔室14斜面的窗口相对应，智能手机摄像头9通过暗室10斜面上的圆孔，对经CD片15 衍射所成的光谱图像进行采集。

其中，CD片15为在传统的CD光盘(别称激光光盘)上裁剪的一定大小的矩形区域，且去掉印刷层和反射层，方法为：通过胶布快速揭除印刷层和反射层；截取CD光盘上的一小部分，便可以把这部分看成一系列密集、均匀而又平行排列的狭缝，如图2所示，凹槽(pits)17和平陆(lands)18之间具有狭缝，多条狭缝构成光栅。CD腔室14为不透光腔室。面光源3、CD腔室14的矩形狭缝16、CD腔室14的正方形窗口、暗室10斜面圆孔的中心共轴。

一种应用上述装置检测溶液浓度的方法，该方法基于图像分析技术，以下以纳米金溶液为例，详细说明检测过程：

(1)确定最优像素点竖直位置与波长大小的转换关系：用5支不同波长的激光器在同一位置，从比色皿5的前方发出激光，激光透射过比色皿5后通过狭缝进入CD腔室14，激光器的波长分别为405nm、450nm、488nm、520nm和 650nm，通过智能手机7采集不同激光器照射下的光谱图像。采集完所有图像后，对每一幅采集的图像进行处理。其中，对图像的处理过程包括以下子步骤：

(1.1)对原图像进行分割，分割出感兴趣区域子图像，所有采集的图像的子图像切割的位置相同，且均包含完整的光谱区域，子图像的大小为400*3120 像素点；

(1.2)将子图像转换至颜色空间HSV，提取子图像中每个像素点的V分量；

(1.3)基于光栅衍射的特点和CD片安放的方向，光栅衍射的图谱在水平方向上各像素点差异很小，波长的影响主要体现在竖直方向上，因此将子图像中同一竖直位置上的400个像素点的V分量累加，作为光强值，得到1*3120大小的数组，反应光强值大小随竖直位置的变化关系；

(1.4)寻找上述数组的最大值，并找出对应的像素点竖直位置，作为最优像素采集点；

基于上述处理过程，对于每一种波长的激光器，均可以得到一个对应的最优像素采集点，记录每一种激光器的波长和对应的最优像素采集点竖直位置，绘出波长大小和最优像素点竖直位置的关系图谱。然后遍历所有波长，通过最小二乘法拟合曲线算法，拟合出波长大小和最优像素点竖直位置的转换关系；

(2)确定检测纳米金溶液浓度的最佳标定曲线：配制十个浓度梯度的纳米金溶液，分别为0.46nM、0.414nM、0.368nM、0.322nM、0.276nM、0.23nM、 0.184nM、0.138nM、0.092nM和0.046nM，依次加入到比色皿5中，由面光源3 照射，透射光通过狭缝16进入CD腔室14，经CD片衍射将光谱成像于摄像头 9上，智能手机7采集每一种浓度下的纳米金溶液光谱图像，对采集的图像进行处理。其中，对图像的处理过程包括以下子步骤：

(2.1)将纳米金溶液最佳发射波长(520nm)通过步骤(1)确定的波长大小和最优像素点竖直位置的转换关系，转化为最优像素点竖直位置P；

(2.2)取步骤(2.1)所获得的最优像素点位置P竖直方向附近的十个点，即P-5～P+4，将十个像素点对应V分量的值累加作为最后的光强值I；

基于上述处理过程对于每一种浓度的纳米金溶液，均可以得到一个对应的光强值I，记录每一种纳米金溶液的浓度和对应光强值I，绘出浓度大小和光强值I的关系图谱。然后遍历所有纳米金溶液样品浓度，通过最小二乘法拟合曲线算法，拟合出纳米金溶液浓度和光强值I的最佳标定曲线；

(3)检测未知浓度的纳米金溶液浓度：将未知浓度的纳米金溶液加入到比色皿5中，重复步骤(2.2)，得到光强值I，然后根据步骤(2)确定的检测纳米金溶液浓度的最佳标定曲线，计算出未知浓度纳米金溶液的浓度。

图3为本发明拟合出的波长大小和最优像素点竖直位置转换关系图谱，从图中可以看出波长大小和最优像素点竖直位置具有很强的线性相关性。而且本发明的光谱检测装置，对光谱的检测范围可以达到400nm-700nm，分辨率可以达到0.433nm/pixel(像素点)。图4为本发明确定的纳米金溶液浓度和光强值I的最佳标定曲线的结果图，从图中可以看出，本发明方法检测纳米金溶液浓度有良好的线性相关性。同样，该光谱检测装置和方法也可扩展用于其他基于光谱分析的生物化学分子快速、即时、现场检测和分析。

本技术领域的人员根据本发明所提供的文字描述、附图以及权利要求书能够很容易在不脱离权利要求书所限定的本发明的思想和范围条件下，可以做出多种变化和改动。凡是依据本发明的技术思想和实质对上述实施例进行的任何修改、等同变化，均属于本发明的权利要求所限定的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于激光光盘的便携式光谱检测装置，用于对具有显色反应的液体进行光谱测量，其特征在于，该装置包括：电源适配器、光源导线、面光源、面光源支架、比色皿、比色皿支架、智能手机、智能手机卡槽、智能手机摄像头、暗室、暗室滑盖、滑盖手柄、平行导轨、CD腔室和CD片；其中，CD腔室位于暗室内，CD腔室和暗室的横截面均为梯形，且底角均为60度；暗室内侧底部具有两条平行导轨，面光源支架、比色皿支架、CD腔室沿平行导轨依次布置，均可沿平行导轨滑动；面光源固定在面光源支架上，其导线穿过暗室侧壁的开孔与暗室外的电源适配器连接；比色皿通过比色皿支架的卡槽固定于比色皿支架上；CD腔室的第一侧壁为竖直面，其上开有狭缝，面光源发出的光透射过比色皿，通过该狭缝进入CD腔室，与第一侧壁相对的第二侧壁为斜面，斜面上开有窗口；CD片通过胶水从外侧粘贴在窗口上后，将CD腔室沿平行导轨滑动，直到CD腔室斜面贴合暗室斜面，其中CD片的光栅水平布置；暗室顶部具有可抽拉功能的滑盖，滑盖上安装手柄；暗室斜面上具有智能手机卡槽，智能手机可通过该卡槽固定在暗室斜面外侧；暗室斜面上开有圆孔，该圆孔与CD腔室斜面的窗口相对应，智能手机摄像头通过暗室斜面上的圆孔，对经CD片衍射所成的光谱图像进行采集。

2.根据权利要求1所述的一种基于激光光盘的便携式光谱检测装置，其特征在于，CD腔室的第一侧壁开有的狭缝为矩形狭缝，狭缝水平方向长8mm，竖直方向长0.2mm。

3.根据权利要求1所述的一种基于激光光盘的便携式光谱检测装置，其特征在于，CD腔室的第二侧壁开有的窗口为10mm*10mm的正方形窗口，其中两条边水平；CD片的尺寸为15mm*15mm；暗室斜面上开有的圆孔直径为10mm。

4.根据权利要求3所述的一种基于激光光盘的便携式光谱检测装置，其特征在于，面光源、CD腔室的矩形狭缝、CD腔室的正方形窗口、暗室斜面圆孔的中心共轴。

5.根据权利要求1所述的一种基于激光光盘的便携式光谱检测装置，其特征在于，所述CD片为在传统的CD光盘上裁剪的一定大小的矩形区域，且去掉印刷层和反射层。

6.一种基于激光光盘的便携式光谱检测方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

(1)确定最优像素点竖直位置与波长大小的转换关系：用多支不同波长的激光器在同一位置，从比色皿的前方发出激光，激光透射过比色皿后通过狭缝进入CD腔室，通过智能手机采集不同激光器照射下的光谱图像；采集完所有图像后，对每一幅采集的图像进行处理，处理过程包括以下子步骤：

(1.1)对原图像进行分割，分割出感兴趣区域子图像，所有采集的图像的子图像切割的位置相同，且均包含完整的光谱区域，子图像的大小为m*n像素点；

(1.2)将子图像转换至颜色空间HSV，提取子图像中每个像素点的V分量；

(1.3)将子图像中同一竖直位置上的m个像素点的V分量累加，作为光强值，得到1*n大小的数组，反应光强值大小随竖直位置的变化关系；

(1.4)寻找上述数组的最大值，并找出对应的像素点竖直位置，作为最优像素采集点；

对于每一种波长的激光器，均可以得到一个对应的最优像素采集点，记录每一种激光器的波长和对应的最优像素采集点竖直位置，绘出波长大小和最优像素点竖直位置的关系图谱；然后遍历所有波长，通过最小二乘法拟合曲线算法，拟合出波长大小和最优像素点竖直位置的转换关系；

(2)确定检测溶液浓度的最佳标定曲线：配制若干浓度梯度的溶液，依次加入到比色皿中，由面光源照射，透射光通过狭缝进入CD腔室，经CD片衍射将光谱成像于摄像头上，智能手机采集每一种浓度下的溶液光谱图像，对采集的图像进行处理，处理过程包括以下子步骤：

(2.1)将溶液最佳发射波长通过步骤(1)确定的波长大小和最优像素点竖直位置的转换关系，转化为最优像素点竖直位置P；

(2.2)取步骤(2.1)所获得的最优像素点位置P竖直方向附近的十个点，即P-5～P+4，将十个像素点对应V分量的值累加作为最后的光强值I；

基于上述处理过程对于每一种浓度的溶液，均可以得到一个对应的光强值I，记录每一种溶液的浓度和对应光强值I，绘出浓度大小和光强值I的关系图谱；然后遍历所有溶液样品浓度，通过最小二乘法拟合曲线算法，拟合出溶液浓度和光强值I的最佳标定曲线；

(3)检测未知浓度的待测溶液浓度：将未知浓度的待测溶液加入到比色皿中，重复步骤(2.2)，得到光强值I，然后根据步骤(2)确定的检测溶液浓度的最佳标定曲线，计算出未知浓度溶液的浓度。