本实用新型专利技术公开了一种基于LED光源的双荧光信号与浊度水质监测探头，属于在线水质监测技术领域。它包括外壳、内部支座、光学部件和电子电路系统，外壳内设有内部支座、光学部件和电子电路系统，所述光学部件提供光源及将荧光或荧光与散射光信号转换成电信号，所述的电子电路系统对电信号进行处理后输出。本实用新型专利技术的探头通过深紫外LED同时激发、探测蛋白类荧光和腐殖质类荧光并计算两种信号之间比值来反映水体中溶解性有机物的组成种类与浓度变化，还可通过蓝光LED的散射光来反映水体浊度，辅助判断水体污染情况。
A Double Fluorescence Signal and Turbidity Water Quality Monitoring Probe Based on LED Light Source
【技术实现步骤摘要】
一种基于LED光源的双荧光信号与浊度水质监测探头
本技术涉及到环保领域的在线水质监测技术，具体涉及一种基于LED光源的荧光法探测溶解性有机物并辅以散射光探测浊度的水质监测探头。
技术介绍
自然水体中所存在的溶解性有机物(dissolvedorganicmatter,DOM)，主要包括大分子蛋白类、中等分子量的腐殖酸、富里酸以及其他小分子物质。在饮用水处理过程中，DOM可在氯化消毒工艺中生成具有致癌作用的消毒副产物；在末端管网中，DOM可为管道中微生物的生长提供碳源，形成生物膜；在自然水体环境中，DOM是化学需氧量指标(ChemicalOxygenDemand,COD)的主要贡献者，并影响其他污染物的迁移转化。分析检测DOM浓度水平的方法主要包括化学法和光谱法。其中化学法主要包括化学需氧量测试和总有机碳测试，而光谱法主要包括紫外-可见吸光度法和荧光光谱法。化学法虽然在国家或行业标准中广泛采用，但其在线监测设备结构复杂，体积较大，价格高昂，测试周期长，需要化学试剂，存在二次化学污染，运维与废液处理费用高昂；而光谱法具有快速灵敏和无需化学试剂等优点。紫外吸光度法主要探测水中含有苯环等芳香性结构及其衍生物，水中的大分子蛋白类、腐殖酸、富里酸以及一些含有苯环的小分子化合物均可被紫外吸光度法所探测；溶解性有机物的荧光主要包括蛋白类荧光、腐殖质类荧光和叶绿素等色素类荧光。蛋白类荧光的发射波长范围为310-370nm；腐殖质类荧光的发射波长范围为400-500nm；蓝藻死亡所释放的胞内物质包含蛋白类荧光、腐殖质类荧光和叶绿素荧光，叶绿素荧光的峰值波长为685nm左右。蛋白类荧光信号主要是探测水中含有苯酚或苯胺类结构的物质，包括大分子蛋白类、腐殖质、富里酸、色氨酸、酪氨酸以及一些含有苯酚或苯胺结构的小分子化合物；腐殖质类荧光主要探测水中的腐殖酸、富里酸以及萘酚、萘胺、奎宁、蝶呤等含有多环芳香性结构的物质。在一定程度上，紫外吸光度UV254、蛋白类荧光和腐殖质类荧光，可以反映水中溶解性有机物种类及其浓度水平。随着近年来智慧水务的快速发展，水环境监测行业迫切需求体积小、成本低和易维护等水质传感器或监测设备，以实现广泛地布设监测点。在此背景下，光谱法在线监测DOM浓度水平逐渐得到水质行业认可，并在一系列“河长制”水质监测项目中广泛运用。目前，商业化应用的反映DOM浓度水平的光谱法设备主要是基于紫外吸光度法或紫外-可见吸收光谱法。例如，采用低压汞灯作为光源，通过测试254nm波长下的紫外吸光度(UV254)作为化学需氧量的替代性指标；采用脉冲氙灯光源，通过测试200-750nm波段的紫外-可见吸收光度，实现对硝酸盐浓度、DOM浓度和浊度等指标的分析检测。然而，这些基于低压汞灯或脉冲氙灯光源的光谱法水质监测设备或探头，仍存在体积较大，功耗较高的问题。中国专利技术专利201410502662.9，公开日为2014年12月10日的申请案公开了一种以LED发光二极管为光源的紫外荧光双信号水质监测装置及其应用方法，中国专利申请号201510738667.6，公开日为2015年12月23日的申请案公开了一种以单个UV-LED为光源的紫外荧光三信号水质传感器及应用，上述两个申请案均采用了以紫外LED为光源，采用处于光路相对位置的光电二极管探测紫外吸光度值，并采用与紫外LED光路垂直位置的带通滤光片和光电二极管探测蛋白类或腐殖质类两种荧光信号。然而上述专利技术仍存在如下问题需要克服：1)自然光对荧光信号探测有干扰，若在探头上添加遮光罩，则影响水的流通，需要进一步优化电子电路设计，消除自然光干扰，提高信噪比；2)U型探头或流通池设计，石英光窗受到生物膜等污染后清洗较为困难；3)一些自然水体，受纳周边山地土壤冲刷下来的腐殖酸而表现出较高的紫外吸光度或者化学需氧量值，但该类水体中有机物的可生物获得性较低，并不是黑臭水体或受污染水体；4)在降雨事件影响下，土壤颗粒和土壤中的腐殖质类物质被冲刷人河流中，造成浊度升高和化学需氧量较高，由于腐殖质可生物利用性低，且对水体环境无害，因此不能够将降雨事件所造成的紫外吸光度或腐殖质类荧光信号的绝对值升高归类为水体污染事件，需要在探测荧光信号的同时进行浊度的探测。研究表明，受城市污水排放影响的水体，由于微生物丰富，其蛋白类荧光与腐殖质类荧光信号的比值要显著高于未受污染的水体；此外，组成蛋白的酪氨酸和色氨酸，其关键的荧光结构为苯酚和苯胺的衍生物，一些化学品污染事件中往往含有苯酚或苯胺及其衍生物，因此会造成蛋白类荧光信号偏高。中国专利申请号201521042180.6，公开日为2016年6月1日的申请案公开了一种浸没式水中油监测探头，其申请公开了包括封闭结构的壳体和置于壳体内部的紫外光源、荧光滤光片、光电探测器、主板和驱动电路板，壳体的前端开口并且在开口处嵌入式连接玻璃窗；在玻璃窗的内侧对应设有光电探测器和紫外光源，光电探测器和紫外光源连接到驱动电路板上，驱动电路板与主板连接；在壳体上设有防水接头，其优点是(1)采用了高频调制光源，抗环境光干扰能力更强；(2)采用大孔径光路设计，光通量更大，抗水样中悬浮物干扰能力更强；(3)光路更简单，成本更低，适合于广泛应用推广。但是，该专利技术特征在于采用多个LED光源环状分布于一个光电二极管的周围，一个探头只能测一种波长范围的荧光信号。根据荧光原理，对于一个荧光物质，其荧光的发射波长是固定的，取决于其第一激发态和基态之间的能差，即不论何种波长激发光源，使电子跃迁到第一激发态或者更高激发态，更高激发态的电子通过分子驰豫过程回落到第一激发态，这一过程不产生荧光，只有从第一激发态再回落到基态的过程发出荧光。因此采用多种波长紫外光源用于激发荧光是没有必要的；该探头设计只能一种荧光信号，不能够同时测量蛋白类荧光与腐殖质类荧光两种荧光信号，进而不能够获取两种荧光信号的比值。此外，该专利技术所述的探头无法分析水中浊度，从而无法判定水中荧光信号的变化是否受到了浊度的影响。中国专利申请号201510166525.7，公开日为2015年6月24日的申请案公开了一种一体化探头式光电水质多参数在线测量系统，其申请公开了包括控制与数据采集单元和光学系统单元；所述控制与数据采集单元包括上位机、控制与数据采集单元、采集器件；所述光学系统单元包括光源和光路，其光源包括左光源和右光源，左光源为一组多个不同波长的LED光源组成的LED阵列；紫外LED光源和近红外LED光源组成右光源；上位机通过控制与数据采集单元控制光源发出所需的不同波长光照射待测水体，激发待测水体物质发出荧光及散射光信号；本技术的优点是：不需要任何化学试剂直接测量，检测数据快，避免了繁琐的步骤；同时完成对水质中多种藻类的分类及浓度检测、烃类的含量以及浊度的在线检测；可进行单独精确检测，满足不同环境监测的需要。但是，该专利技术主要是通过测试叶绿素或其他色素的形式来区分水中藻的种类并反映藻类浓度，所用的光源是370nm以上的可见光LED组合光源，而370nm以上的可见光由于其能量较低，无法用于激发水中的蛋白类物质和腐殖质类物质产生荧光，需要注意的是该专利技术实施例中所述的滤光片B502可选用360nm滤光片，用于烃类测试，这是违背荧光原理的，由于电子本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于LED光源的双荧光信号与浊度水质监测探头，由外壳、内部支座(4)、光学部件和电子电路系统(8)组成，其特征在于：所述的外壳一端设有石英片(103)作为出光口，外壳内设有内部支座(4)、光学部件和电子电路系统(8)，所述的内部支座(4)用于承载光学部件和电子电路系统(8)，其中，所述的光学部件包括LED光源(7)和两组探测组件，探测组件将两种荧光或两种荧光和蓝光散射光信号转换成电信号；所述的电子电路系统(8)对接收的电信号进行处理后输出。
【技术特征摘要】
1.一种基于LED光源的双荧光信号与浊度水质监测探头，由外壳、内部支座(4)、光学部件和电子电路系统(8)组成，其特征在于：所述的外壳一端设有石英片(103)作为出光口，外壳内设有内部支座(4)、光学部件和电子电路系统(8)，所述的内部支座(4)用于承载光学部件和电子电路系统(8)，其中，所述的光学部件包括LED光源(7)和两组探测组件，探测组件将两种荧光或两种荧光和蓝光散射光信号转换成电信号；所述的电子电路系统(8)对接收的电信号进行处理后输出。2.根据权利要求1所述的一种基于LED光源的双荧光信号与浊度水质监测探头，其特征在于：所述的LED光源(7)采用由中心波长为280±10nm的深紫外LED芯片和中心波长为465±10nm的蓝光LED芯片复合封装于同一基座上形成，芯片基座上方封装石英透镜，使得LED光源(7)的发光角小于30°，所述的深紫外LED芯片和蓝光LED芯片采用各自独立引脚或共用阳极或共用阴极引脚，分别连接各自的驱动电路(810)，实现独立开关控制，并采用分时复用的方式控制LED光源(7)输出蓝光或深紫外光。3.根据权利要求1所述的一种基于LED光源的双荧光信号与浊度水质监测探头，其特征在于：所述的LED光源(7)采用中心波长为280±10nm的深紫外LED芯片，LED芯片上方封装石英透镜，使得LED光源(7)的发光角小于30°。4.根据权利要求1所述的一种基于LED光源的双荧光信号与浊度水质监测探头，其特征在于：所述的两套探测组件为探测组件一(5)和探测组件二(6)，其中，探测组件一(5)由带通滤光片A(501)与光电二极管A(502)封装组成，探测组件二(6)由带通滤光片B(601)与光电二极管B(602)封装组成。5.根据权利要求4所述的一种基于LED光源的双荧光信号与浊度水质监测探头，其特征在于：所述的带通滤光片A(501)的波长范围为330～370nm，带通滤光片B(601)的波长范围为400～500nm，所述的带通滤光片A(501)和带通滤光片B(601)对带通波长范围外光强的截止率为99.9％以上，所述的光电二极管A(502)和光电二极管B(602)是对300～500nm范围中的紫外-可见光具有较高线性响应...
【专利技术属性】
技术研发人员：李文涛，左延婷，吴亚萍，李爱民，张光延，李雨轩，李燕，庄建军，李想，朱曦，季闻翔，
申请(专利权)人：南京大学，江苏南大五维电子科技有限公司，
类型：新型
国别省市：江苏,32
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。