CN111175260A - 基于紫外三维荧光的海洋toc传感器与使用方法 - Google Patents
基于紫外三维荧光的海洋toc传感器与使用方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了基于紫外三维荧光的海洋TOC传感器与使用方法，包括装有模拟海水的样品池、光源模块、聚焦透镜组、荧光采集模块和数据处理模块，所述光源模块向样品池发射光源通过聚焦透镜组形成焦点，荧光采集模块采集焦点激发出的三维荧光光谱，数据处理模块将三维荧光光谱数据进行处理得到样品中的TOC浓度数值，所述光源模块包括紫外LED阵列，所述紫外LED阵列采用中心波长为255nm、265nm和275nm的紫外LED组成，本发明能够根据紫外LED阵列对样品激发出的三维荧光数据准确检测海水样品的TOC数值，后期制造出的成品传感器可以长期放在被监测海洋区域内进行海水TOC含量检测。
Description
技术领域
本发明涉及基于紫外三维荧光的海洋TOC传感器与使用方法，属于海洋总有机碳检测领域。
背景技术
海水总有机碳(Total Organic Carbon,简称TOC)的测量技术长期以来主要是通过现场取水样，实验室分析的模式进行的。目前主要采用以下两种传统化学检测方法：高温催化燃烧法和湿法氧化法。传统化学检测方法的最大缺点是停留在实验室人工分析基础上，具有分析过程繁杂、试剂消耗量大、产生二次污染、检测频率低等缺陷，因此无论使用哪种方法进行有机碳分析都不能实现现场、快速分析模式，同时不能实现原位测量等缺陷。
因此，亟需研制一种耗能低，不添加试剂，不产生盐类结垢，测定快速且准确，能用于海水原位测量的光学传感器装置与方法。
发明内容
本发明需要解决的技术问题是提供基于紫外三维荧光的海洋TOC传感器与使用方法，能够快速、免试剂的检测海水中的总有机碳，不需要对海水样品进行复杂的前处理以及化学分析，大大简化了操作步骤，缩短了检测时间，实现了快速检测的需求，同时不会对环境造成二次污染。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
基于紫外三维荧光的海洋TOC传感器，包括装有模拟海水的样品池、光源模块、聚焦透镜组、荧光采集模块和数据处理模块，所述光源模块向样品池发射光源通过聚焦透镜组形成焦点，荧光采集模块采集焦点激发出的三维荧光光谱，数据处理模块将三维荧光光谱数据进行处理得到样品中的TOC浓度数值，所述光源模块包括紫外LED阵列，所述紫外LED阵列采用中心波长为255nm、265nm和275nm的紫外LED组成。
本发明技术方案的进一步改进在于：所述荧光采集模块包括将荧光进行分光的单色仪和分别设置于单色仪上的荧光入射狭缝与荧光出射狭缝，出射光线的光路上设置有进行荧光采集的光电倍增管。
本发明技术方案的进一步改进在于：所述荧光入射狭缝与样品池之间、荧光出射狭缝与光电倍增管之间均设置有聚焦透镜组，所述聚焦透镜组的材质为石英材料。
本发明技术方案的进一步改进在于：所述紫外LED阵列激发光源与单色仪采集的样品池的荧光信号呈90°角设置。
本发明技术方案的进一步改进在于：所述数据处理模块包括与光电倍增管电性连接用于处理三维荧光光谱数据的嵌入式系统和与嵌入式系统相连的显示设备，所述嵌入式系统还通过无线通信与上位机监控系统相连。
本发明技术方案的进一步改进在于：所述嵌入式系统采用恒压、恒流的驱动技术分时点亮紫外LED阵列中不同中心波长的紫外LED。
本发明技术方案的进一步改进在于：所述嵌入式系统的型号为STM32系列。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
具体步骤如下：
A、调配模拟海水样品：利用TOC标准液和重蒸馏水配制不同TOC浓度的模拟海水样品，所述TOC标准液的浓度为1000mg/L，经过重蒸馏水按比例稀释成浓度梯度为0.3mg/L～2mg/L模拟海水样品；
B、调控入射光源：嵌入式系统（8）采用恒压、恒流的驱动技术分时点亮紫外LED阵列（1）中不同中心波长的紫外LED，使得不同中心波长的紫外光依次通过聚焦透镜组（7）聚焦照射到装有模拟海水样品的样品池（2）中，调整聚焦透镜组（7）的位置使得紫外光以最大强度在模拟海水样品中形成焦点进而激发出三维荧光；
C、荧光采集：焦点发出的荧光通过聚焦透镜组（7）进入荧光入射狭缝（3），经过单色仪（4）的分光从荧光出射狭缝（5）射出，光电倍增管（6）通过聚焦透镜组（7）采集三维荧光光谱数据，传送给嵌入式系统（8）；
D、数据处理：嵌入式系统（8）将采集到的三维荧光光谱数据进行预处理，将多中心波长的三维荧光光谱数据作为自变量，模拟海水样品的TOC含量作为因变量，通过粒子群优化的最小二乘支持向量机算法构建的数学映射模型，得到TOC浓度与三维荧光特征峰数学映射关系，进而得到所测样品中TOC浓度数值。
本发明技术方案的进一步改进在于：所述步骤A中TOC标准液的主要成分为邻苯二甲酸氢钾，步骤B、C和D在暗环境下进行，并且样品池表面清洁无污染。
本发明技术方案的进一步改进在于：所述步骤D中的预处理过程为：
a、采用Savitzky-Golay多项式平滑方法对得到的多个紫外中心波长下的三维荧光光谱数据进行光谱曲线平滑处理；
b、将平滑处理后的光谱曲线进行荧光峰数据的特征提取，以及采用粒子群优化的LSSVM算法对特征提取之后的数据进行处理。
由于采用了上述技术方案，本发明取得的技术进步是：
1、本发明根据紫外LED阵列对模拟海水样品照射激发出的三维荧光光谱数据，采用最小二乘支持向量机算法构建的数学模型计算出模拟海水样品中的TOC数值，测量准确，不需要对模拟海水样品进行复杂的前处理以及化学分析，大大简化了操作步骤，缩短了检测时间，实现了快速检测的需求。
2、本发明不像传统国标法在测量海水总有机碳的过程中消耗大量辅助化学试剂，因此不会对环境造成二次污染；同时后期制造的成品传感器可以长时间放置在被测海域中的海水中，能够实时原位测量海水中的总有机碳浓度。
3、聚焦透镜组能够将紫外LED阵列激发光源或荧光进行聚焦，增大单位光源能量密度和强度，便于设备采集；紫外LED阵列激发光源与单色仪采集的样品池的荧光信号呈90°角设置，能够滤除激发光源对于荧光信号采集的干扰。
4、紫外LED阵列采用采用中心波长为255nm、265nm和275nm的紫外LED组成，能够降低传感器运行时所需要的功耗能量，嵌入式系统采用恒压、恒流的驱动技术实现光源单色性和强度等调控，能够控制紫外LED阵列中多个不同中心波长的紫外光分时点亮。
附图说明
图1是本发明TOC荧光激发光路图；
图2是本发明255nm紫外LED光源激发荧光光谱图；
图3是本发明265nm紫外LED光源激发荧光光谱图；
图4是本发明275nm紫外LED光源激发荧光光谱图；
图5是本发明最小二乘支持向量机建立的校正集模型；
图6是本发明最小二乘支持向量机建立的检验集模型；
其中，1、紫外LED阵列，2、样品池，3、荧光入射狭缝，4、单色仪，5、荧光出射狭缝，6、光电倍增管，7、聚焦透镜组，8、嵌入式系统，9、显示设备。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步详细说明：
如图1所示，基于紫外三维荧光的海洋TOC传感器，包括装有模拟海水的样品池2、光源模块、聚焦透镜组7、荧光采集模块和数据处理模块，光源模块向样品池2发射光源通过聚焦透镜组7形成焦点，此焦点既是荧光的产生焦点，又是荧光的收集焦点。荧光采集模块采集焦点激发出的三维荧光光谱，数据处理模块将三维荧光光谱数据进行处理得到样品中的TOC浓度数值。
光源模块包括紫外LED阵列1，所述紫外LED阵列1采用中心波长为255nm、265nm和275nm的紫外LED组成，能够降低传感器运行时所需要的功耗能量，紫外光照射到装有模拟海水样品的样品池2中能够激发出三维荧光。紫外LED阵列1还与嵌入式系统8相连，嵌入式系统8采用恒压、恒流的驱动技术分时点亮紫外LED阵列1中不同中心波长的紫外LED，使得不同中心波长的紫外光依次通过聚焦透镜组7聚焦照射到装有模拟海水的样品池2中。
荧光采集模块包括将荧光进行分光的单色仪4和分别设置于单色仪4上的荧光入射狭缝3与荧光出射狭缝5，出射光线的光路上设置有进行荧光采集的光电倍增管6。紫外LED阵列1激发光源与单色仪4采集的样品池2的荧光信号呈90°角设置，能够滤除激发光源对于荧光信号采集的干扰。荧光入射狭缝3与样品池2之间、荧光出射狭缝5与光电倍增管6之间均设置有聚焦透镜组7，聚焦透镜组7能够将紫外LED阵列1激发出的光源或荧光进行聚焦，增大单位光源能量密度和强度，便于设备采集。所述聚焦透镜组7的材质为石英材料。
所述数据处理模块包括与光电倍增管6电性连接用于处理三维荧光光谱数据的嵌入式系统8和与嵌入式系统8相连的显示设备9，嵌入式系统8的型号为STM32系列，显示设备9能够根据不同场合的需要通过显示屏显示嵌入式系统8所测数值，所述嵌入式系统8还通过无线通信与上位机监控系统相连，上位机监控系统能够监测海水样品的TOC值。
基于紫外三维荧光的海洋TOC传感器的使用方法，具体步骤如下：
A、调配模拟海水样品：利用TOC标准液和重蒸馏水配制不同TOC浓度的模拟海水样品，所述TOC标准液的主要成分为邻苯二甲酸氢钾，浓度为1000mg/L，经过重蒸馏水按比例稀释成浓度梯度为0.3mg/L～2mg/L模拟海水样品；
B、调控入射光源：嵌入式系统8采用恒压、恒流的驱动技术分时点亮紫外LED阵列1中不同中心波长的紫外LED，使得不同中心波长的紫外光依次通过聚焦透镜组7聚焦照射到装有模拟海水样品的样品池2中，调整聚焦透镜组7的位置使得紫外光以最大强度在模拟海水样品中形成焦点进而激发出三维荧光；
C、荧光采集：焦点发出的荧光通过聚焦透镜组7进入荧光入射狭缝3，经过单色仪4的分光从荧光出射狭缝5射出，光电倍增管6通过聚焦透镜组7采集三维荧光光谱数据，传送给嵌入式系统8；
D、数据处理：嵌入式系统8将采集到的三维荧光光谱数据进行预处理，经过预处理得到不同浓度海水样品的三维荧光光谱如图2、3和4所示，其中，模拟海水样品的浓度为0.3mg/L～2mg/L，每个海水样品浓度对应一条三维荧光光谱。最后把经过预处理之后的三维荧光光谱数据按照一定比例随机分成两组数据进行处理，一组作为数学模型的校正集数据，一组作为数学模型的检验集数据，分配比例优选检验集：校正集=1:3。校正集的荧光数据是为了建立准确的训练数学模型，检验集的荧光数据是为了检验校正集数据训练所建立的定量数学模型预测数据的性能。将不同中心波长的三维荧光光谱数据作为自变量，模拟海水样品的TOC含量作为因变量，通过粒子群优化的最小二乘支持向量机算法构建的数学映射模型，得到TOC浓度与三维荧光特征峰数学映射关系，荧光光谱特征峰在340nm附近处，进而得到所测样品中TOC浓度数值，得到实验结果如图5和图6所示，训练集和预测集相关系数分别达到0.9977和0.9777。通过所建数学定量模型效果表明荧光光谱相对强度和水样TOC值之间具有良好的相关性。结果表明TOC浓度数值与三维荧光特征峰所建的数学模型可用于实际检测，后期制造的成品传感器可以长时间放置在被测海域中的海水中，能够实时原位测量海水中的总有机碳浓度。
所述预处理过程为：
a、采用Savitzky-Golay多项式平滑方法对得到的多个中心波长紫外光下的三维荧光光谱数据进行光谱曲线平滑处理；
b、将平滑处理后的光谱曲线进行荧光峰数据的特征提取，以及采用粒子群优化的LSSVM算法对特征提取之后的数据进行处理，；
以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
Claims (10)
1.基于紫外三维荧光的海洋TOC传感器，其特征在于：包括装有模拟海水的样品池（2）、光源模块、聚焦透镜组（7）、荧光采集模块和数据处理模块，所述光源模块向样品池（2）发射光源通过聚焦透镜组（7）形成焦点，荧光采集模块采集焦点激发出的三维荧光光谱，数据处理模块将三维荧光光谱数据进行处理得到样品中的TOC浓度数值，所述光源模块包括紫外LED阵列（1），所述紫外LED阵列（1）采用中心波长为255nm、265nm和275nm的紫外LED组成。
2.根据权利要求1所述的基于紫外三维荧光的海洋TOC传感器，其特征在于：所述荧光采集模块包括将荧光进行分光的单色仪（4）和分别设置于单色仪（4）上的荧光入射狭缝（3）与荧光出射狭缝（5），出射光线的光路上设置有进行荧光采集的光电倍增管（6）。
3.根据权利要求2所述的基于紫外三维荧光的海洋TOC传感器，其特征在于：所述荧光入射狭缝（3）与样品池（2）之间、荧光出射狭缝（5）与光电倍增管（6）之间均设置有聚焦透镜组（7），所述聚焦透镜组（7）的材质为石英材料。
4.根据权利要求2所述的基于紫外三维荧光的海洋TOC传感器，其特征在于：所述紫外LED阵列（1）激发光源与单色仪（4）采集的样品池（2）的荧光信号呈90°角设置。
5.根据权利要求1所述的基于紫外三维荧光的海洋TOC传感器，其特征在于：所述数据处理模块包括与光电倍增管（6）电性连接用于处理三维荧光光谱数据的嵌入式系统（8）和与嵌入式系统（8）相连的显示设备（9），所述嵌入式系统（8）还通过无线通信与上位机监控系统相连。
6.根据权利要求5所述的基于紫外三维荧光的海洋TOC传感器，其特征在于：所述嵌入式系统（8）采用恒压、恒流的驱动技术分时点亮紫外LED阵列（1）中不同中心波长的紫外LED。
7.根据权利要求6所述的基于紫外三维荧光的海洋TOC传感器，其特征在于：所述嵌入式系统（8）的型号为STM32系列。
8.利用权利要求1所述的基于紫外三维荧光的海洋TOC传感器的使用方法，其特征在于：具体步骤如下：
A、调配模拟海水样品：利用TOC标准液和重蒸馏水配制不同TOC浓度的模拟海水样品，所述TOC标准液的浓度为1000mg/L，经过重蒸馏水按比例稀释成浓度梯度为0.3mg/L～2mg/L模拟海水样品；
B、调控入射光源：嵌入式系统（8）采用恒压、恒流的驱动技术分时点亮紫外LED阵列（1）中不同中心波长的紫外LED，使得不同中心波长的紫外光依次通过聚焦透镜组（7）聚焦照射到装有模拟海水样品的样品池（2）中，调整聚焦透镜组（7）的位置使得紫外光以最大强度在模拟海水样品中形成焦点进而激发出三维荧光；
C、荧光采集：焦点发出的荧光通过聚焦透镜组（7）进入荧光入射狭缝（3），经过单色仪（4）的分光从荧光出射狭缝（5）射出，光电倍增管（6）通过聚焦透镜组（7）采集三维荧光光谱数据，传送给嵌入式系统（8）；
D、数据处理：嵌入式系统（8）将采集到的三维荧光光谱数据进行预处理，将多中心波长的三维荧光光谱数据作为自变量，模拟海水样品的TOC含量作为因变量，通过粒子群优化的最小二乘支持向量机算法构建的数学映射模型，得到TOC浓度与三维荧光特征峰数学映射关系，进而得到所测样品中TOC浓度数值。
9.根据权利要求8所述的基于紫外三维荧光的海洋TOC传感器的使用方法，其特征在于：所述步骤A中TOC标准液的主要成分为邻苯二甲酸氢钾，步骤B、C和D在暗环境下进行，并且样品池（2）表面清洁无污染。
10.根据权利要求8所述的基于紫外三维荧光的海洋TOC传感器的使用方法，其特征在于：所述步骤D中的预处理过程为：
a、采用Savitzky-Golay多项式平滑方法对得到的多个紫外中心波长下的三维荧光光谱数据进行光谱曲线平滑处理；
b、将平滑处理后的光谱曲线进行荧光峰数据的特征提取，以及采用粒子群优化的LSSVM算法对特征提取之后的数据进行处理。
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