CN110411963B - 一种水体中重金属离子检测的便捷式分光光度计 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种水体中重金属离子检测的便捷式分光光度计，其光路由滤光片、LED灯、平面镜组成了简单廉价的分光系统，电路由MSP430单片机、A/D转换器、光电转换器、运算放大器、显示器以及供电装置组成。本发明技术特点：结构简单，使用方便快捷，平衡能力佳，控温效果好，使用寿命长。为快速、便捷检测水体中重金属离子提供了检测仪器，弥补了现有检测设备的不足。

Description

一种水体中重金属离子检测的便捷式分光光度计

技术领域

本发明涉及光学分析检测仪器技术领域，特别是涉及一种水体中重金属离子检测的便捷式分光光度计。

背景技术

随着工业、农业、交通运输业的快速发展，人类对重金属开采、冶炼、加工及商业制造活动日益增多，使得重金属离子，如铅、镉、铬进入水、土壤等人类赖以生存的环境，严重危害了人类及各类生物的生存。

目前，重金属尚没有严格的统一定义，一般指比重大于5的金属，约有45种，如铜、铅、锌、铁、钴、镍、锰、镉、汞、钨、钼、金、银等。尽管锰、铜、锌等重金属是生命活动所需要的微量元素，但大部分重金属如汞、铅、镉等并非生命活动所必需，而且所有重金属超过一定浓度对人体都有毒。在环境污染方面的重金属主要是指汞、镉、铅、铬以及类金属砷等生物毒性显著的重金属元素。如果重金属元素未经处理就直接排入河流、湖泊或海洋，或者进入土壤中，由于它们不能被生物降解而使这些河流、湖泊、海洋和土壤受到污染。在食物链的生物放大作用下，它们成千百倍地富集，最后进入人体。如鱼类或贝类积累的重金属被人类所食，或重金属被稻谷、小麦等农作物吸收后被人类食用，重金属就会进入人体，使人产生重金属中毒，轻则发生怪病(水俣病、骨痛病等)，重则导致死亡。其次，重金属在人体内能和蛋白质及酶等发生强烈的相互作用，使它们失去活性，也可在人体的某些器官中累积，造成慢性中毒，重金属超标引起的中毒事件不胜枚举。

目前常用的重金属离子检测技术有原子吸收光谱法、电化学阳极溶出法、电感耦合等离子体发射光谱法、电感耦合等离子体质谱法等，这些方法虽然检测精度和稳定性都较好，但是存在依赖于大型仪器设备、样品处理复杂且时间长等问题，无法满足现场快速检测的需求。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术存在的不足，提供一种水体中重金属离子检测的便捷式分光光度计，主要解决了现有技术中的仪器价格昂贵以及携带不便的问题。

为了解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种水体中重金属离子检测的便捷式分光光度计，包括光路模块和电路模块，所述光路模块包括光源、凸透镜、滤光片、平面反射镜。所述电路模块包括控制器、A/D转换器、光电转换器、运算放大器、显示器以及供电装置。所述光源设置在光路通道的一端，用以提供光源，光路通道上依次安装滤光片和凸透镜，光源提供的光经过凸透镜聚焦后，再经滤光片过滤后穿过微流控芯片检测区，经平面反射镜反射后照射光敏电阻。所述光敏电阻电接光电转换器，所述光电转化器电接所述控制器，所述控制器电接所述A/D转换器、运算放大器、显示器以及光源，所述光电转换器用于将光信号转换为电压信号，电压信号经由运算放大器放大后由所述A/D转换器转换为数字信号，所述控制器对数字信号进行处理计算将最后的检测结果显示在显示器上，所述供电装置连接所述控制器，通过所述控制器为整个分光光度计供电。

作为优选的技术方案，包括本体，所述光路模块和电路模块安装在所述本体内部，所述本体下端由一伸缩减震支脚支撑。

作为优选的技术方案，所述微流控芯片检测区安装有送样装置，送样装置上加工有微流控芯片卡槽，能够放置固定配套使用的的重金属检测微流控芯片。送样装置能够拉出和放入本体内部，微流控芯片卡槽是空心上下贯通的，以方便配套使用的检测微流控芯片的光学检测。

作为优选的技术方案，所述本体连接一背带。

作为优选的技术方案，所述背带的两端通过两个固定块安装在所述本体的两侧。

作为优选的技术方案，所述显示器安装在所述本体的外侧。

作为优选的技术方案，所述控制器为单片机，内置调试好的程序，逐个计算各个光路通道的光电转换后的信号。

作为优选的技术方案，所述控制器按照以下算法进行浓度的计算：

吸光度的计算：

A＝log(I₀/I_t)

其中，A：吸光度；I₀：入射光的强度；I_t：透射光的强度；

重金属离子浓度的计算：

C＝A/KL

其中，A：吸光度；K：摩尔吸收系数，单位：L·mol-1·cm-1；L：吸光介质的厚度，单位：cm；C：吸光物质的浓度，单位：mol/L。

作为优选的技术方案，所述安装的光路通道是两两成对的，光路通道设置至少为两条。用以同时检测某一种重金属离子的标准样品吸光度和待测试样的吸光度，保证测定的准确性和精度。所述光路通道的安装有圆形排布和矩形排布、或圆形阵列、或矩形阵列排布、或折线排布。相对应的配套使用的一种微流控芯片的形状及检测区也对应排布。所述安装的光路通道设置为两条以上；所述光敏电阻采用每条光路通道对应1个光敏电阻的方式进行安装，这是多光敏电阻线路设计；或者采用所有的光路通道共同对应1个光敏电阻的方式进行安装，这是单光敏电阻线路设计。这种规格的仪器使用时，需用2片相同一样的配套芯片，检测时一个芯片的检测区，装测试不同的重金属离子的标准溶液，另一个芯片对应相同位置的检测区，装与标准溶液相同的重金属离子的待测样品溶液。

光路通道另一种安排是两两成对排列的，对应的敏电阻采用两两成对的1对光路通道对应同1个光敏电阻的方式进行安装，按多光敏电阻线路设计；或者采用所有两两成对的光路通道共同对应1个光敏电阻的方式进行安装。这种规格的仪器使用时，只需用1片配套芯片，检测时与成对的光路通道对应的一对芯片检测区，一个装测重金属离子的标准溶液，另一个检测区装与标准溶液相同的重金属离子的待测样品溶液；这样成对测定多种重金属离子。

以上两种光路通道设计和光敏电阻设计的目的都是在于减少光路或光敏电阻本身性能差异产生的测量误差。

有益效果在于：

1、本发明不仅灵敏可靠，而且简单方便、经济实用，同时还适合用于常见水环境中的重金属离子的现场检测。

2、本发明采用滤光片、凸透镜、平面镜构成了本次研制仪器的分光系统，通过调节焦距改变聚光效果，调节平面镜角度改变光程，极大降低了研发成本。

3、本发明采用集光电转换、IV转换、放大、降噪一体的电路板连接光敏电阻与单片机，最大程度降低了因为电流噪声、温漂等带来的实验误差。

4、本发明设计了多个光路通道，扩展了可以同时测量重金属离子的种类。

5、本发明利用微流控芯片替代了原来的比色皿的功能，同时完成原来在实验室内完成的试剂显色反应。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。

图1为本发明的一种水体中重金属离子检测的便捷式分光光度计的结构示意图；

图2为本发明的一种水体中重金属离子检测的便捷式分光光度计的结构示意图；

图3为本发明的一种水体中重金属离子检测的便捷式分光光度计的凸透镜局部结构示意图；

图4为本发明的一种水体中重金属离子检测的便捷式分光光度计的滤光片局部结构示意图；

图5为本发明的一种用于重金属离子检测的多层微流控芯片的结构示意图；

图6为本发明的一种用于重金属离子检测的多层微流控芯片的第一层俯视结构示意图；

图7为本发明的一种用于重金属离子检测的多层微流控芯片的第二层俯视结构示意图；

图8为本发明的一种用于重金属离子检测的多层微流控芯片的侧视图；

图9为本发明的一种用于重金属离子检测的多层微流控芯片的定量装置结构示意图；

图10为本发明的一种用于重金属离子检测的多层微流控芯片的指示剂仓结构示意图；

图11为本发明的一种用于重金属离子检测的多层微流控芯片的阀门结构示意图。

图12为本发明的一种水体中重金属离子检测的便捷式分光光度计的凸透镜局部结构示意图；

图13为本发明的一种用于重金属离子检测的多层微流控芯片的结构示意图；

图中：1.本体；2.伸缩减震支脚；3.供电装置；4.A/D转换器；5.光电转换装置；6.光敏电阻；7.MSP430单片机；8.外接开关；9.内部固定支架；10.微流控芯片卡槽；11.显示屏；12微流控芯片检测区.；13.光路通道；14.背带；15.LED灯；16.凸透镜；17.滤光片18.送样装置；19.平面镜；20.固定块；21.指示剂仓；22.检测区；23.进样口；24.定量区；25.连接管道；26.废液流出管道；27.阀门；28.废液池；29.气孔；30.混合装置；31.密封垫；32.阀门控制装置；33.样品流出口；34.阀门槽。

具体实施方式

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

参照图1至图3中的形状结构，一种水体中重金属离子检测的便捷式分光光度计，包括本体1，所述本体1底部设有伸缩减震支脚2，能够实现仪器支脚的自由伸缩，可根据不同环境进行相应的调节，使得仪器的检测部位处于水平状态，检测数据更加准确；按压外接开关8，通过MSP430单片机7程序控制LED灯15的亮灭，从而检测对应光路通道13的重金属离子浓度；LED灯光经过凸透镜16聚光，在透光滤光片17得到检测所需的特定波长的光，实现前分光；将检测所用的微流控芯片卡在送样装置18的微流控芯片卡槽10上送入检测仪器；特定波长的光通过凸透镜16聚焦在相应的微流控芯片检测区12，光穿过微流控芯片检测区12经由平面镜19反射到光敏电阻6上；光电转换装置5将光信号转换为电压信号，运算放大器再将信号放大，A/D转换器4将模拟电压信号转化为数字信号，送给MSP430单片机7进行处理计算，最后将检测结果显示在显示屏11上；供电装置3为整个仪器供电；通过两个固定块20将背带14连接起来，能够用过背带14将设备进行背挎，使得设备使用更加安全便捷；该仪器结构简单，使用方便快捷，平衡能力佳，控温效果好，使用寿命长。

为保证检测数据的准确度，整个装置做避光处理，排除外接干扰。

检测仪器使用配套的微流控芯片，替代传统的比色皿，进一步实现便捷、快速的目的。

单色光辐射穿过被测物质溶液时，被该物质吸收的量与该物质的浓度和液层的厚度(光路长度)成正比，其关系如下式：

A＝-lg(I/I0)＝-lgT＝KLc

其中，A：吸光度；I₀：入射光的强度；I_t：透射光的强度；K：摩尔吸收系数，单位：L·mol-1·cm-1；L：吸光介质的厚度，单位：cm；C：吸光物质的浓度，单位：mol/L。

物质对光的选择性吸收波长，以及相应的吸收系数是该物质的物理常数。当已知某纯物质在一定条件下的吸收系数后可用同样条件将该种待测试品配成溶液，测定其吸收度，即可由上式计算出供试品中该物质的含量。使用两两成对安装的光路通道13的本发明，使用前用待测某一种重金属离子的纯物质配成的已知浓度的标准样品对仪器进行校正：分别用标准样品测定一对光路通道13，2条光路通道13的测定值的偏差必须符合国家标准允许值的范围内，才能使用；否则，需要调整LED灯15或光敏电阻6使仪器满足精度要求。

关于光源，可见光分光光度计的光源需要在仪器的工作波段范围内提供连续辐射，即光源可以发射连续光谱，以便记录一个完全的吸收光谱。本发明实施例选择LED光源，其波长范围在380～780nm，且现在手持式、用于快捷便携检测的分光光度计等光学仪器多使用高亮度的白光LED做光源。LED光源与传统光源相比具有价格便宜、易获得、光源输出稳定等一系列明显的优点。

光源射入的光是平行光，而在本发明设计的便携式分光光度计中，当光线透过滤光片得到所需波长的光之后再穿过检测的溶液需要将光线打到光敏电阻，因此，在这之前需要将光线汇聚为一点，而凸透镜正好可以使平行光经过折射将光线聚集，凸透镜可以根据焦距长短的需要进行选择。

滤光片是一种简单而廉价的波长选择器，其作用是选择性地透过一定波长范围的光。滤光片的最大透光波长是指在该波长处辐射有最大透光率，谱带半宽度是指最大透光率的一半处谱带的波长范围。谱带半宽度越小，则单色光的纯度越高。在本发明分光光度计中，滤光片可用以消除杂光，在双波长分光光度法中用以平衡不同波长光束强度。

经过滤光片过滤后的光会经过平面反射镜，随后光敏电阻接受到光照后直接产生电流(类似于太阳能电池)，由于电流信号的不稳定，本发明采用了集IV转换、放大、降噪一体的电路板对微弱电流信号进行处理，以最大限度保证本发明测量的准确性。

本发明实施例，选择两款市场上出售的可见光分度计与本申请的分光光度计进行实验。实验内容为：对同一已知各个重金属离子浓度的试剂采用三个上述的分度计进行测试不同各个重金属离子浓度，每个仪器测试对同一试剂的测试次数为20次。对于获得的20个同一试剂的同一重金属离子浓度，去除一个最大值，去除一个最小值，剩余18个数值求均值，为该仪器测出的该试剂的重金属离子浓度的数值。多次实验测试是为了尽可能地避免偶然性带来的误差。

两款可见光分度计，分别用分度计I和分度计II表示。

其中分度计I选择为上海仪电分析723G，技术指标：

波长范围：320nm～1100nm

波长允许误差：±2nm

波长重复性：≤1nm

光谱带宽：4nm

透射比允许误差：±0.5％(T)

透射比重复性：≤0.2％(T)

透射比范围：0～200.0(T)

吸光度范围：-0.301～3.000(A)

浓度显示范围：0～9999(C)

杂散光：≤1％(T)(在360nm处，以NaNO2测定)

电源：AC90V～250V。

分度计II选择为DR500，技术参数：

波长范围 190-1100nm

波长准确度 ±1nm

波长分辨率 0.1nm

波长校准 自动

波长选择 自动：***于选定的方法；手动：从触摸屏上选择，不包括存储的方法

扫描速度 每分钟一个完整的扫描，1nm

光谱带宽 2nm光学量程 ±3.0A

光学准确度 在0.0-0.5A时：为0.005A；在0.50-2.0A时：为1％

光学线性 在2A时，偏差小于5％；大于2A时，偏差小于或等于1％

散射光 在220nm处，大于3.3Abs

测试的数据如下表所示。

表1.对比实验数据表

从表1可以看出，本发明实施例与现有技术当中的分度计相比较，检测值的偏差符合要求，能够准确测量各个重金属离子浓度。

本发明中，专门设计了一种配套用于重金属离子检测的多层微流控芯片。该多层微流控芯片通过送样装置18上的微流控芯片卡槽10插装在分光光度计上。

而一种用于重金属离子检测的多层微流控芯片，请参照图4～10所示，具有两层结构，其中，

第一层包括定量装置、指示剂仓21、混合装置30、检测区22，待测废液由进样口23进入并通过一定的坡度管道进入至所述定量装置，所述定量装置包括多个定量区24，每个定量区24连接有3个管道，分别为：进样连接管道、定量装置与混合装置连接管道25以及用于废液定量后多余废液流出的废液流出管道26；其中进样连接管道与定量区24较低端相连，废液流出管道26与定量区24顶端相连，废液流出管道26与定量区24具有一定的向下坡度用以防止多余的废液倒流；定量装置与混合装置连接管道上设有阀门27，待测废液通过进样口23进入前，关闭定量装置与混合装置之间的阀门27，待测废液通过进样连接管道流入定量装置后由于阀门阻碍，待测废液填充定量装置，多余的废液通过废液流出管道26进入废液池28；待测废液将定量装置填充完毕后，使用洗耳球通过指示剂仓21的气孔29将指示剂吹入混合装置管道，接着打开阀门，待测废液与指示剂在混合装置30混合均匀，最后进入检测区22进行检测；

第二层包括废液池28，所述第一层的废液流出管道26位于废液池28上方，所述废液池28的直径远小于芯片直径，防止多余废液干扰检测区22；

所述第一层、密封垫31、第二层依次组装，所述第一层和第二层可拆卸设置。

进一步，所述定量装置与混合装置连接管道为U型混合管。

进一步，多层微流控芯片所包含的管路外层均由石英毛细管包裹。防止了微量溶液产生的毛细现象

进一步，所述定量区24为5个。配合五通道的分光度计进行使用。

实验前先制备好检测重金属离子Cu²⁺、Fe²⁺、Cr⁶⁺、Cd²⁺和Pb²⁺等重金属离子所对应的指示剂，进行定量。

本发明实施例的多层微流控芯片在具体实施时，该微控芯片具有两层结构，图4是第一层，图5是第二层。在滴入待测废液之前用密封垫31将第一层与第二层连接在一起，将事先配制的指示剂加入指示剂仓21内，关闭阀门27。将待测废液从进样口23加入，待测废液经石英毛细管道流入定量区24，当待测废液将定量区24填充完毕后，多余废液通过废液流出管道26流入废液池28，通过指示剂仓22的气孔29用洗耳球将指示剂吹入混合装置30，接着打开阀门27，待测废液流出，与指示剂在混合装置30内混合均匀后流入检测区22进行检测，最后将检测的得到的数值与标准的数值进行对比得出各个离子的浓度。

请参考图7所示，定量装置与混合装置连接管道25开设阀门槽34用于安装阀门，且阀门27由阀门控制装置32控制其开度，最后检测完毕后，样品通过检测区22开设的样品流出口33流出。

现在结合说明书附图对本发明做进一步的说明。以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。

Claims (9)

1.一种水体中重金属离子检测的便捷式分光光度计，包括光路模块和电路模块，其特征在于，所述光路模块包括光源、凸透镜、滤光片、平面反射镜，所述电路模块包括控制器、A/D转换器、光电转换器、运算放大器、显示器以及供电装置，所述光源设置在光路通道的一端，用以提供光源，光路通道上依次安装滤光片和凸透镜；光源提供的光经过凸透镜聚焦后，再经滤光片过滤后穿过微流控芯片检测区，经平面反射镜反射后照射光敏电阻；所述光敏电阻电接光电转换器，所述光电转化器电接控制器，所述控制器电接所述A/D转换器、运算放大器、显示器以及光源，所述光电转换器用于将光信号转换为电压信号，电压信号经由运算放大器放大后由所述A/D转换器转换为数字信号；所述控制器对数字信号进行处理计算将最后的检测结果显示在显示器上，所述供电装置连接所述控制器，通过所述控制器为整个分光光度计供电；

所述微流控芯片检测区安装有送样装置，送样装置上加工有微流控芯片卡槽，能够放置固定配套使用的重金属检测微流控芯片；所述送样装置能够拉出和放入本体内部，微流控芯片卡槽是空心上下贯通的；

所述重金属检测微流控芯片具有两层结构，其中，第一层包括定量装置、指示剂仓、混合装置、检测区，待测废液由进样口进入并通过一定的坡度管道进入至所述定量装置，所述定量装置包括多个定量区，每个定量区连接有3个管道，分别为：进样连接管道、定量装置与混合装置连接管道以及用于废液定量后多余废液流出的废液流出管道；其中进样连接管道与定量区较低端相连，废液流出管道与定量区顶端相连，废液流出管道与定量区具有一定的向下坡度用以防止多余的废液倒流；定量装置与混合装置连接管道上设有阀门，待测废液通过进样口进入前，关闭定量装置与混合装置之间的阀门，待测废液通过进样连接管道流入定量装置后由于阀门阻碍，待测废液填充定量装置，多余的废液通过废液流出管道进入废液池；待测废液将定量装置填充完毕后，使用洗耳球通过指示剂仓的气孔将指示剂吹入混合装置管道，接着打开阀门，待测废液与指示剂在混合装置混合均匀，最后进入检测区进行检测；

第二层包括废液池，所述第一层的废液流出管道位于废液池上方，所述废液池的直径远小于芯片直径，防止多余废液干扰检测区；

在滴入待测废液之前用密封垫将第一层与第二层连接在一起，将事先配制的指示剂加入指示剂仓内，关闭阀门；

所述第一层、密封垫、第二层依次组装，所述第一层和第二层可拆卸设置。

2.根据权利要求1所述的一种水体中重金属离子检测的便捷式分光光度计，其特征在于，包括本体；所述光路模块和电路模块安装在所述本体内部，所述本体下端由一伸缩减震支脚支撑。

3.根据权利要求2所述的一种水体中重金属离子检测的便捷式分光光度计，其特征在于，所述本体连接一背带。

4.根据权利要求3所述的一种水体中重金属离子检测的便捷式分光光度计，其特征在于，所述背带的两端通过两个固定块安装在所述本体的两侧。

5.根据权利要求2所述的一种水体中重金属离子检测的便捷式分光光度计，其特征在于，所述显示器和控制面板安装在所述本体的外侧或本体的顶部。

6.根据权利要求1所述的一种水体中重金属离子检测的便捷式分光光度计，其特征在于，所述控制器为单片机。

7.根据权利要求6所述的一种水体中重金属离子检测的便捷式分光光度计，其特征在于，所述控制器按照以下算法进行浓度的计算：

吸光度的计算： A＝log(I₀/I_t) 其中，A：吸光度；I₀：入射光的强度；I_t：透射光的强度；

重金属离子浓度的计算： C＝A/KL 其中，A：吸光度；K：摩尔吸收系数，单位：L·mol^-1·cm^-1；L：吸光介质的厚度，单位：cm；C：吸光物质的浓度，单位：mol/L。

8.根据权利要求1所述的一种水体中重金属离子检测的便捷式分光光度计，其特征在于，所述安装的光路通道设置为两条以上；所述光敏电阻采用每条光路通道对应同1个光敏电阻的方式进行安装，或者采用所有的光路通道共同对应1个光敏电阻的方式进行安装。

9.根据权利要求1所述的一种水体中重金属离子检测的便捷式分光光度计，其特征在于，所述光路通道两两成对排列，对应光敏电阻采用两两成对的1对光路通道对应同1个光敏电阻的方式进行安装，或者采用所有两两成对的光路通道共同对应1个光敏电阻的方式进行安装。

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