CN111579492B - 一种便携式重金属含量快速检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种便携式重金属含量快速检测装置，包括：激光器、聚焦镜组、光声池、声传感器、光电传感器、数据采集模块、控制模块、电泵、盛液池。控制模块控制电泵将适量的纳米金、待测液体从盛液池中取入光声池内，投向光声池的激光束照射光声池内部的混合液体，并在混合液体内激发产生声信号；该声信号由声传感器获取，并转换成电信号，经过放大器之后送入数据采集卡进行数据采集，由计算机进行数据处理，显示待测重金属含量值。本发明方便携带，操作可自动控制，可以实现液体重金属含量的高精度快速检测。

Description

一种便携式重金属含量快速检测装置

技术领域

本发明涉及一种重金属检测装置，具体地，涉及一种便携式重金属含量快速检测装置，尤其是一种基于纳米金颗粒增强光声效应的便携式重金属含量快速检测装置。

背景技术

近年来，重金属过量排放造成的环境污染引起了全社会的高度重视。重金属对生物系统具有极强的细胞毒性、腐蚀性和致癌性，而且不能在环境中降解，从而导致重金属元素在生物链中富集和扩大，并最终被人类食用后造成慢性中毒。在化工、医药、食品等行业的工业生产中，必须严格限制重金属的含量，需要对重金属含量进行精确检测。

传统的重金属含量检测方法主要包括电感耦合等离子体原子发射光谱法、电感耦合等离子体质谱法、原子荧光分光光度法、原子吸收光谱法等，这些方法虽然可以达到最高痕量级的检测精度，但是其检测操作过程十分复杂和冗长，通常需要增加掩蔽剂或其他试剂进行预处理，对样品的保存条件要求极其严格，测试成本高，检测时间长。而且整个检测操作过程的专业性很强，需要经过培训的专业人员进行才能符合要求。例如，目前常用的原子吸收测汞仪，在检测前需要将样品等离子化，此过程需要高达2300℃的原子化器，此设备体积庞大，很难实现小型化，且原子化器中有乙炔气体，存在爆炸危险。除此之外，上述方法的检测过程还需要高纯氩气或氮气的保护，需要配备气体罐和给气系统，检测装置难以满足便携式检测要求。目前能够实现便携式重金属检测的装置，如美国Mercury Instruments研发的Mercury Tracker 3000IP，仅能检测气态的汞元素，对于液态或者固态样品还需要复杂的原子化过程，应用限制极大，无法实现环境、化工、食品安全等实际场所下的重金属含量的快速检测。

由于重金属污染事件通常具有很强的突发性和随机性，可在短时间内迅速扩散。为避免重金属污染，需对水体的重金属离子含量进行长时间的现场检测，将危害降至最低。然而，上述方法难以满足重金属在线快速检测的需求，急需一种新型的便携式重金属检测装置解决此问题。

申请人之前申请的发明专利：申请号201810211449.0，基于纳米金颗粒增强的液体痕量浓度检测方法及装置，利用纳米金颗粒的超强吸收特性，极大地提高了光声信号的强度，解决了传统光声检测在液体环境中检测灵敏度低的不足，使检测精度可达痕量检测级别。

但是上述专利采用分光器将激光分为两束，一束照射光声池产生声信号，另一束照射光电传感器测量光强，其问题在于：分光镜的不稳定导致量曙光分光比例不稳定、造成光强补偿产生误差。

发明内容

针对现有的重金属含量检测方法存在的多种弊端，本发明的目的是提供一种结构简单、操作方便、能够实现重金属含量检测的便携式装置。

为实现上述目的，本发明提供一种便携式重金属含量快速检测装置，包括：

盛液池，其盛放纳米金溶胶和待测液体的混合液；

电泵，其一端连接盛液池，另一端连接到光声池，将所述盛液池中盛放的混合液导入到光声池中；

光声池，用于盛放所述电泵导入的纳米金溶胶和待测液体的混合液；

激光器，用于向所述光声池发出激光束；

聚焦镜组，位于所述激光器输出端，将所述激光器产生的发散激光束准直并会聚至光声池；投向所述光声池的激光束经所述聚焦镜组聚焦后直接照射所述光声池内部的混合液体，并在混合液体内激发产生声信号；

声传感器，位于所述光声池的底部，用于获取混合液体内激发的所述声信号，并将所述声信号转换成电信号，经放大后输出；

光电传感器，用于检测透过光声池的光强强度；

数据采集模块，获取所述声传感器的输出的所述声信号以及所述光电传感器的光强强度，并输出给控制模块；

控制模块，对所述声信号、所述光强强度进行处理，得到所述声信号的强度值，并显示待测重金属含量值，所述控制模块还控制所述电泵导入所述光声池的混合液的量。

可选地，所述纳米金溶胶为测试用液体，将纳米金表面修饰能与被测重金属特异性结合的分子，在这个表面修饰层的作用下可与待测重金属结合并发生团簇，团簇时的纳米金的表面等离子体共振吸收峰与所述激光器发出的激光波长应该接近，二者的频率偏差应尽可能小，以保证检测的高灵敏度。

可选地，所述装置还包括脉冲激光驱动器，所述激光器为脉冲激光器，所述脉冲激光驱动器用于产生具有一定宽度和强度的脉冲电流信号，控制所述激光器激发稳定光强的激光。

可选地，所述的聚焦镜组使所述激光器产生的发散激光准直并会聚至所述光声池内，其中所述光声池内的光斑直径不超过1mm。

可选地，所述的光声池为长方形玻璃器皿，该光声池的左右两面为透光面，前后两面为非透光面，底面由树脂制成并且密封；光声池的上部开口，用于导入待测试液体。

可选地，所述光声池的透光面的透光率大于95％，底部选用声阻抗值不大于水声阻抗值2倍的环氧树脂制成，且厚度为声波长的1/4倍。

可选地，所述装置还包括抽样管，所述抽样管共有两套，分别用于待测液体和测试用纳米金溶胶的进样；所述抽样管分别与所述盛液池、所述光声池相连，用于加样待测液体和测试用纳米金溶胶；所述纳米金溶胶的工作面高度超过所述光电传感器的高度；

所述电泵共有两套，分别串联于两个所述抽样管之中，用于待测液体和测试用纳米金溶胶的进样控制；每套电泵均与所述控制模块相连，接收来自所述控制模块的控制信号，实现自动控制进样。

可选地，所述声传感器连接放大器的输入端，所述放大器的输出端连接所述数据采集模块，所述声传感器为压电式传感器，将声信号转换为电信号并输出给放大器；所述放大器为电荷放大器，将所述声传感器的输出信号进行放大。

可选地，所述光电传感器为硅光电二极管，检测波段涵盖所述激光器的中心波长，所述光电传感器的响应时间应小于所述激光器的脉冲上升沿时间。

可选地，所述数据采集模块为USB便携式双路高速数据采集卡，分别对所述光电传感器输出的光强强度和所述放大器输出的声信号进行同步采集并传输至控制模块。

可选地，所述声传感器为谐振式压电单晶传感器，其中心频率应为数MHz级；所述声传感器的工作表面由声阻抗值等于光声池底部材料声阻抗与压电单晶声阻抗的几何平均值的环氧树脂制成，且表面树脂的厚度等于声波长的1/4。

可选地，所述光电传感器的响应时间应小于所述激光器的脉宽的1/5。

本发明提出一种结构简单、操作方便、能够实现重金属含量检测的便携式装置，结合纳米金高吸收及光声检测高灵敏度的特点，设计高透声、强透光的特制光声池，设计高透声、高灵敏度的声传感器，提高光声检测系统的灵敏度。利用纳米金的表面可修饰性，将纳米金表面修饰可与被测重金属特异性结合的分子，来弥补传统光学检测特异性的不足。利用本装置可以在复杂环境中快速而准确地测定液体中重金属物质的含量。

本发明的便携式重金属含量快速检测装置的工作原理如下：当适量的待测液体与纳米金溶胶混合时，如果待测液体中存在与纳米金颗粒的表面修饰层分子具有特异性结合的特定的重金属物质，则该特定的重金属物质可以通过表面修饰的分子将多个纳米金颗粒聚集在一起，或者使分子从纳米金颗粒表面脱落、将聚集在一起的纳米金散开，从而使得纳米金溶胶的吸收光谱发生偏移。与此同时，纳米金颗粒团簇时的表面等离子吸收峰的吸收变弱，从而使得混合液体在激光器所发出的激光波长下的吸收变弱。待测液体在吸收投向光声池的激光束的能量后发生光声效应，并将部分吸收能量转换成声信号，而这种过程是非常迅速的。当待测液体中的这种特定的重金属物质的含量改变时，光声池内混合液体对激光的吸收比例也随之改变，并最终影响声信号的强度，从而可以通过测量声信号的强弱实现待测液体中特定的重金属含量的高精度快速测量。

与现有技术相比，本发明实施例具有如下至少一种有益效果：

本发明便携式重金属含量快速光声检测装置的体积小，方便携带，无需传统重金属检测方法(如电感耦合等离子体原子发射光谱法)的高温原子化器及气体保护环境，可在实验室环境外使用，适用于环境重金属物质的现场检测。同时，本发明采用激光束直接照射光声池，而将光电传感器布置于光声池的后面、接收光声池的透射光，可以有效避免分光镜产生的误差；采用聚焦镜组，将激光器发出的激光束进一步聚焦，从而提升光声效应的强度，这样可以采用小功率激光二极管为光源，实现整个测量系统的小型化、低功耗，进而形成便携式测量仪器。

本发明的便携式重金属含量快速光声检测装置包含可控的进样，可自动控制检测过程，检测时间短，操作人员无需具有极强的专业知识背景，极大地降低设备使用成本。进一步的，本发明采用两套盛液池和电泵，用于加注纳米金溶液和待测溶液，提升了测控过程的自动化程度和效率，实现快速测量。

本发明的便携式重金属含量快速光声检测装置中的光声池具有容积小的优点，大大减少了纳米金及待测液体的损耗量，且光声池透光性强，提高激光能量的透过率。进一步的，光声池底部材料选用特用声阻抗值的树脂，提高声信号的透过率，极大地提高光声检测的灵敏度。

本发明的便携式重金属含量快速光声检测装置可以在具有强散射性的液体环境中对特定物质进行检测，弥补了传统光谱学方法(如吸收光谱法)对强散射性物质检测精度低的不足。

本发明便携式重金属含量快速光声检测装置利用纳米金颗粒的超强吸收特性，极大地提高了声信号的强度，解决了传统光声检测方法在液体环境中检测灵敏度低的不足，使检测精度可达痕量检测级别；利用纳米金表面修饰层的特异性结合能力，极大地提高了光声检测的特异性，可对不同的待测重金属物达到痕量检测水平。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1是本发明一较优实施例的便携式重金属含量快速检测装置的组成示意图；

图2是本发明一较优实施例的便携式重金属含量快速检测装置的聚焦镜组光路示意图；

图3是本发明一较优实施例的便携式重金属含量快速检测装置的光声池示意图；

图4是本发明一较优实施例的便携式重金属含量快速检测装置的声传感器示意图；

图5是本发明一较优实施例的便携式重金属含量快速检测装置所使用的纳米金颗粒与不同浓度重金属物质的光谱曲线变化示意图；

图6是本发明一较优实施例的便携式重金属含量快速检测装置在不同液体浓度下的声信号示意图；

图7是本发明一较优实施例的便携式重金属含量快速检测装置测量不同液体浓度的曲线示意图；

图8是本发明的便携式重金属含量快速检测装置测量不同金属离子浓度的示意图；

图中，1-激光二极管，2-驱动器，3-聚焦镜组，4-光声池，5-声传感器，6-放大器，7-光电传感器，8-数据采集卡，9-计算机，10a,10b-抽样管，11a,11b-电泵，12a,12b-盛液池，13-电源，14-声阻抗匹配层，15-压电单晶，16-绝缘材料，17-不锈钢外壳。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

图1是本发明一较优实施例的便携式重金属含量快速检测装置的组成示意图。

参照图1所示，在该较优实施例中的便携式重金属含量快速检测装置，控制模块采用计算机，数据采集模块采用数据采集卡。具体的，检测装置包括：激光器1、聚焦镜组3、光声池4、声传感器5、放大器6、光电传感器7、数据采集卡8、计算机9、电泵、盛液池。其中：两个盛液池分别盛放纳米金溶胶、待测液体；电泵一端连接盛液池，另一端连接到光声池4，将盛液池中盛放的放纳米金溶胶、待测液体导入到光声池4中；光声池4中盛放电泵导入的纳米金溶胶和待测液体的混合液；激光器向光声池4发出激光束；聚焦镜组3位于激光器1输出端，将激光器1产生的发散激光束准直并会聚至光声池4；投向光声池4的激光束经聚焦镜组3聚焦后直接照射光声池4内部的混合液体，并在混合液体内激发产生声信号；声传感器5位于光声池4的底部，用于获取混合液体内激发的声信号，并将声信号转换成电信号，经放大器6放大后输出到数据采集卡8；光电传感器7用于检测透过光声池4的光强强度输出到数据采集卡8；数据采集卡获取声传感器5的输出的声信号以及光电传感器7的光强强度，并输出给计算机；计算机9对声信号进行处理，得到声信号的强度值，并显示待测重金属含量值，另外，计算机9还控制电泵导入光声池4的混合液的量。

上述实施例中，纳米金溶胶为测试用液体，将纳米金表面修饰能与被测重金属特异性结合的分子，在这个表面修饰层的作用下可与待测重金属结合并发生团簇，团簇时的纳米金的表面等离子体共振吸收峰与激光器1发出的激光波长应该接近，二者的频率偏差应尽可能小，以保证检测的高灵敏度。表面修饰层应该是与待测液体的特定物质能够特异性结合的分子，当待测液体中存在这种特定物质时，该特定物质可以通过表面修饰的分子将多个纳米金颗粒聚集在一起，或者使分子从纳米金颗粒表面脱落、将聚集在一起的纳米金散开。

本发明上述实施例通过计算机9控制电泵将适量的纳米金从盛液池中取入光声池4内，然后通过计算机9控制电泵将适量的待测液体从盛液池中取入光声池4内，投向光声池的激光束照射光声池内部的混合液体，并在混合液体内激发产生声信号；该声信号由声传感器获取，并转换成电信号，经过放大器之后送入数据采集卡进行数据采集，由计算机进行数据处理，显示待测重金属含量值。本发明公开的光声检测装置方便携带，操作可自动控制，可以实现液体重金属含量的高精度快速检测。

在一优选实施例中，激光器1为脉冲式激光器，可以产生具有一定脉宽和强度的脉冲激光，脉冲宽度尽可能小，一般不超过ns；脉冲能量尽可能高且稳定，一般峰值功率不低于0W，以便有效地提高光声转换效率、获得大强度的声信号，同时体积尽可能小，有效地减少检测装置体积。例如，采用铟镓砷/砷化铟激光二极管波长为785nm±nm，峰值功率为200W，脉冲宽度为150ns，激光二极管直径为9mm，重复频率Hz，最大驱动电流35mA。

在一优选实施例中，为了获得稳定光强的激光，激光器1还连接有驱动器2。驱动器2为脉冲激光驱动器，为激光器提供能量，保障激光器1可以产生具有一定宽度和强度的脉冲电流信号。驱动器2的输出电流应尽稳定，电流稳定度应不低于5％，控制激光器1输出激发稳定光强的激光，以便提高检测稳定性及纳米金颗粒吸收特性的校正准确性；脉冲的重复频率应远低于液体声信号的频率，以便获得完成的声信号。另外，驱动器2的参数是可调的，以便适应不同场合的参数调节。例如，在一具体实施例中，脉冲宽度为30～150ns可调节，驱动电流为0～40A可调节，重复频率为～00Hz可调节。

在一优选实施例中，聚焦镜组3可以使激光器1产生的发散激光准直并会聚至光声池4内，保障光声池4内的光斑尽可能小，一般光斑直径不超过1mm，以便有效地提高光声转换效率、获得高强度的声信号。例如，在一具体实施例中，如图2所示，聚焦镜组3可以包括两组非球面凸透镜，由于激光器1(此处为激光二极管)具有长轴和短轴发散角，需要一片凸透镜将光束准直为平行光束，另一组凸透镜将光束聚焦在光声池中间位置，表面设计为非球面，用于减弱光斑像差，聚焦镜组3的后聚焦为mm，焦点处光斑直径小于0.5mm，聚焦镜组由K9光学玻璃制成。当然，在其他实施例中也可以是其他结构的聚焦镜组。

在一优选实施例中，如图3所示，光声池4外形为长方形玻璃器皿，光声池4的左右两面为透光面，由光学玻璃制成，以降低激光能量损失及减少光在光声池内的反射对声信号的影响。光声池4的前后两面为非透光面，由普通玻璃制成。光声池4的底面由具有设定声阻抗值的树脂制成并且密封，以便最大限度地提高声透过率；光声池4的上部开口，用于加注待测试液体。例如，在一具体实施例中，光声池4的外形尺寸为.5mm×.5mm×30mm，内腔下部尺寸为3mm×mm×25mm，上部开口角度为45°，方便滴加液体，光声池4的左右两面由K9光学玻璃制成，透光率大于95％。光声池4的前后两面由普通玻璃制成。光声池4的底面由声阻抗值为0.32×⁶g·cm^-2s^-1的环氧树脂制成，其声阻抗与水的声阻抗(0.15×⁶g·cm^-2s^-1)相近，厚度为0.68mm，且厚度满足声阻抗匹配条件。当然，在其他实施例中也可以是其他结构的光声池4，并不局限于此处的优选结构和参数。

在一优选实施例中，如图4所示，声传感器5采用压电式传感器，可以将声信号转换为电信号，并输出给放大器6。进一步的，声传感器5可以是谐振式压电传感器，其中心频率应为数MHz级(例如0.5MHz～5.0MHz)，在此范围内可以检测到液体的声信号并加以放大。例如，在一具体实施例中，声传感器5的压电材料由极化后的PMN-33％PT材料制成，表面镀金电极，其中心频率为1MHz。声传感器5的工作表面应由设定声阻抗值的树脂制成，最大限度地提高声透过率。具体的，声传感器5包括声阻抗匹配层14，压电单晶15，绝缘材料16，不锈钢外壳17等组成。声传感器5的表面树脂的声阻抗满足声阻抗匹配层条件，即等于光声池底部材料声阻抗与压电单晶声阻抗的几何平均值，且表面树脂的厚度等于声波长的1/4。例如，在一具体实施例中，声传感器5的工作表面由环氧树脂添加PZT粉末制成，其声阻抗为

g·cm^-2s^-1，厚度为1.16mm。

在一优选实施例中，放大器6为电荷放大器，可以将声传感器5的输出信号进行放大和阻抗匹配，提高信噪比、提高测量精度和灵敏度。例如，放大器6的电荷放大率为V/pC。

在一优选实施例中，光电传感器7为高速光电传感器，其可检测波段应该涵盖激光器1的中心波长，可对光声池4透射光强进行检测，为纳米金的吸收稳定性的标定提供数据；光电传感器7的响应时间应小于激光器1发出的激光脉冲上升沿时间。例如，光电传感器7可以采用硅光电传感器，其探测波段为340～00nm，探测面积为mm×mm，响应时间为2ns。

在一优选实施例中，数据采集卡8为USB便携式双路高速数据采集卡，分别对光电传感器7输出的光信号和放大器6输出的声信号进行同步采集并传输至计算机9，以进行数据分析；数据采集卡8的采样频率应为声信号中心频率的5倍以上为宜，以保证完整采样声信号。例如，数据采集卡8的采样频率为MHz，采样范围为±0.5V。

在一优选实施例中，计算机9为已安装检数据分析程序的计算机，对数据采集卡8采集的数据进行处理分析并显示结果，例如，计算机9为工业级加固式笔记本电脑。数据分析程序可以采用现有技术实现。

参照图1所示，在上述实施例的基础上，作为另一优选实施例，便携式重金属含量快速检测装置还可以包括抽样管，抽样管共有两套，分别为10a和10b，分别用于待测液体和测试用纳米金溶胶的进样。抽样管10a和10b与盛液池2a和12b、光声池4相连，用于加样待测液体和测试用纳米金溶胶。抽样管10a和10b的尺寸尽可能窄，且便于替换。纳米金溶胶的进样应该保证工作面高度超过光电传感器7的高度，以便采集液体的透光特性；纳米金溶胶的进样量应尽可能少，以减少纳米材料的损耗。

相应的，电泵有两套，分别为11a和11b，分别串联于两个抽样管10a和10b之中，用于待测液体和测试用纳米金溶胶的进样控制。每套电泵11a和11b均与计算机9相连，接收来自计算机9的控制信号，实现自动控制进样。盛液池也有两个，分别为12a和12b，均为一次性使用容器，用于分别纳米金溶胶和被测试样。盛液池12a和12b的口径大于两个抽样管10a和10b；盛液池2a和12b不可重复使用，以避免溶液挂壁引起的测量误差。

纳米金溶胶为测试用液体，将纳米金表面修饰可与被测重金属特异性结合的分子，在表面修饰层的作用下可与待测物质结合并发生团簇，团簇时的纳米金的表面等离子体共振吸收峰与激光器发出的激光波长应该接近，二者的频率偏差应尽可能小，以保证检测的高灵敏度；例如，激光器1的中心波长为785nm±10nm，纳米金溶胶在团簇时的波长为770nm，如图5所示。表面修饰层应该是与待测液体的特定物质能够特异性结合的分子，当待测液体中存在这种特定物质时，该特定物质可以通过表面修饰的分子将多个纳米金颗粒聚集在一起，或者使分子从纳米金颗粒表面脱落、将聚集在一起的纳米金散开。例如，以测量液体的Hg2+离子浓度为例，表面修饰分子为4-巯基苯硼酸。4-巯基苯硼酸与纳米金颗粒的表面连接，4-巯基苯硼酸分子中的双羟基结构不稳定，容易发生自脱水效应而形成苯环，纳米金颗粒也随之聚集，纳米金颗粒的表面等离子体共振吸收峰随之产生蓝移，如附图5所示。当有汞离子存在时，4-巯基苯硼酸的巯基优先与汞离子结合，使得纳米金颗粒重新分散。

为了能更好工作，上述实施例的装置连接电源13，电源13为包含多个电源模块的电源组，每个电源模块分别与激光器、驱动器、放大器、光电传感器、计算机所需电源相配，并提供工作电压和电流。

上述优选实施例中的便携式重金属含量快速光声检测装置，具体使用中的工作过程如下：首先打开电源13，通过计算机9控制电泵11a、11b将适量的纳米金从盛液池12a、12b中通过取样管10a、10b导入光声池4内，由光电传感器7检测透过光声池4的光强强度，用于检测光强，可以修正因为光强波动带来的测量误差；然后通过计算机9控制电泵11a、11b将适量的待测液体通过取样管10a、10b从盛液池12a、12b中导入光声池4内，投向光声池4的激光束经聚焦镜组3聚焦后直接照射光声池4内部的混合液体，并在混合液体内激发产生声信号；该声信号由光声池4底部的声传感器7直接获取，并转换成电信号，经过放大器6之后送入数据采集卡8进行数据采集，最终由计算机9进行数据处理，可以得到声信号的强度值，并显示待测重金属含量值。声信号的强度值与被测溶液的浓度线性相关，为了克服光强波动的影响，本实施例采用声信号的强度值与光强信号相除的比值，来计算浓度。

在同一检测日内可以多次、多地检测中，检测装置可持续使用，盛液池需更换并回收。不同检测日内，需更换光声池4、抽样管，并对激光器1激发的激光光强进行标定。

本发明上述实施例提供的纳米金颗粒增强的便携式重金属含量快速光声检测装置具有很强的灵敏度和特异性，分别如图7和图8所示。图7为声信号值随汞离子浓度的变化规律，汞离子浓度越高，声信号随之变强。图8为向纳米金中加入不同重金属离子后的光声检测结果，由图可知此方法对汞离子的亲和性远强于铬、铅、铜等重金属离子。因此，本发明实施例可以适用于检测环境复杂的情况下多种不同金属离子浓度的检测。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (9)

1.一种便携式重金属含量快速检测装置，其特征在于，包括：

盛液池，两个盛液池用于分别盛放纳米金溶胶、待测液体；

电泵，其一端连接盛液池，另一端连接到光声池，将盛液池所述盛液池中盛放的纳米金溶胶、待测液体导入到光声池中混合；

光声池，用于盛放所述电泵导入的纳米金溶胶和待测液体的混合液；

激光器，用于向所述光声池发出激光束；

聚焦镜组，位于所述激光器输出端，将所述激光器产生的发散激光束准直并会聚至光声池；投向所述光声池的激光束经所述聚焦镜组聚焦后直接照射所述光声池内部的混合液体，并在混合液体内激发产生声信号；

声传感器，位于所述光声池的底部，用于获取混合液体内激发的所述声信号，并将所述声信号转换成电信号，经放大后输出；

光电传感器，用于检测透过光声池的光强强度；

数据采集模块，获取所述声传感器的输出的所述声信号以及所述光电传感器的光强强度，并输出给控制模块；

控制模块，对所述声信号、所述光强强度进行处理，得到所述声信号的强度值，并显示待测重金属含量值，所述控制模块还控制所述电泵导入所述光声池的混合液的量；

所述纳米金溶胶为测试用液体，将纳米金表面修饰能与被测重金属特异性结合的分子，在这个表面修饰层的作用下可与待测重金属结合并发生团簇，团簇时的纳米金的表面等离子体共振吸收峰与所述激光器发出的激光波长应该接近，二者的频率偏差应尽可能小，以保证检测的高灵敏度。

2.根据权利要求1所述的便携式重金属含量快速检测装置，其特征在于，还包括脉冲激光驱动器，所述激光器为脉冲激光器，所述脉冲激光驱动器用于产生具有一定宽度和强度的脉冲电流信号，控制所述激光器激发稳定光强的激光。

3.根据权利要求1所述的便携式重金属含量快速检测装置，其特征在于，所述的聚焦镜组使所述激光器产生的发散激光准直并会聚至所述光声池内，其中所述光声池内的光斑直径不超过1mm。

4.根据权利要求1所述的便携式重金属含量快速检测装置，其特征在于，所述的光声池为长方形玻璃器皿，该光声池的左右两面为透光面，前后两面为非透光面，底面由树脂制成并且密封；光声池的上部开口，用于导入待测试液体。

5.根据权利要求4所述的便携式重金属含量快速检测装置，其特征在于，所述光声池的透光面的透光率大于95％，底部选用声阻抗值不大于水声阻抗值2倍的环氧树脂制成，且厚度为声波长的1/4倍。

6.根据权利要求1所述的便携式重金属含量快速检测装置，其特征在于，还包括抽样管，所述抽样管共有两套，分别用于待测液体和测试用纳米金溶胶的进样；

所述抽样管分别与所述盛液池、所述光声池相连，用于加样待测液体和测试用纳米金溶胶；所述纳米金溶胶的工作面高度超过所述光电传感器的高度；

所述电泵共有两套，分别串联于两个所述抽样管之中，用于待测液体和测试用纳米金溶胶的进样控制；每套电泵均与所述控制模块相连，接收来自所述控制模块的控制信号，实现自动控制进样。

7.根据权利要求1所述的便携式重金属含量快速检测装置，其特征在于，具有如下任一种或多种选择：

-所述声传感器连接放大器的输入端，所述放大器的输出端连接所述数据采集模块，所述声传感器为压电式传感器，将声信号转换为电信号并输出给放大器；所述放大器为电荷放大器，将所述声传感器的输出信号进行放大；

-所述光电传感器为硅光电二极管，检测波段涵盖所述激光器的中心波长，所述光电传感器的响应时间应小于所述激光器的脉冲上升沿时间；

-所述数据采集模块为USB便携式双路高速数据采集卡，分别对所述光电传感器输出的光强强度和所述放大器输出的声信号进行同步采集并传输至控制模块。

8.根据权利要求1-7任一项所述的便携式重金属含量快速检测装置，其特征在于，所述声传感器为谐振式压电单晶传感器，其中心频率应为数MHz级；所述声传感器的工作表面由声阻抗值等于光声池底部材料声阻抗与压电单晶声阻抗的几何平均值的环氧树脂制成，且表面树脂的厚度等于声波长的1/4。

9.根据权利要求1-7任一项所述的便携式重金属含量快速检测装置，其特征在于，所述光电传感器的响应时间应小于所述激光器的脉宽的1/5。

Images