一种基于数字图像比色分析的水质氟化物检测方法技术

本发明专利技术公开了一种基于数字图像比色分析的水质氟化物检测方法。本发明专利技术用二甲酚橙锆体系代替国标法中的氟试剂，具有使用试剂少、成本低、显色快速、灵敏度高、稳定性好等优点；本发明专利技术对基于CCD工业相机采集的数字图像进行MSRCR图像增强，可有效减少图像亮度低的影响；本发明专利技术利用多维颜色特征提取，并利用Lab颜色一阶矩可兼顾颜色空间分布和像素，更能反映图像信息，且所建立的多元线性回归定量分析模型鲁棒性更强。该方法具有检测范围宽、操作便捷、准确度和精确度较高，同时图像采集设备简单、易携带，便于现场测定。便于现场测定。便于现场测定。

【技术实现步骤摘要】
一种基于数字图像比色分析的水质氟化物检测方法


[0001]本专利技术涉及水质中氟化物检测
，具体涉及一种基于数字图像比色分析的水质氟化物检测方法。

技术介绍

[0002]氟是一种普遍存在于环境中的非金属化学元素，广泛存在于自然界的土壤、岩石和水中。作为人体必需的l4种微量元素之一，是构成骨骼和牙齿不可缺少的重要组成部分。日常生活中，人们通过饮水和食物获取氟，其中人体所含氟的65％通过饮水获得。人体对氟吸收不足是导致龋齿的因素之一，但吸收过量即氟中毒将给人体产生极大的伤害，典型症状是氟斑牙和氟骨病。因此，对自然水体中氟化物的检测具有重要现实意义。
[0003]目前，水中氟化物的常用测定方法主要有氟试剂分光光度法、离子选择电极法、茜素磺酸锆目视比色法和离子色谱法等。其中氟试剂分光光度法检测准确度和精确度高、重现性好、检测限低、稳定性好，普遍应用于地下水、工业和地表水中氟化物的测定，但主要存在显色时间长、使用化学试剂多和设备可移植性差等问题；电极法检测快速、重现性好，但易受水样pH和杂质的影响，并在电极选择和判断电极老化程度上有一定难度；目视比色法依靠主观判断，准确度不高，且无法满足水质氟化物的在线检测等要求；离子色谱法虽然准确度和精确度最高，但仪器成本高，运行和维护成本高昂，不利于推广使用。
[0004]数字图像比色法是一种随着扫描仪、数码相机、智能手机等摄像设备的发展而兴起的新型比色分析方法，具有成本低、耗时少、操作简单等优点，已被广泛应用于生命科学、生物学、化学分析、生物医疗等领域，但在水质检测领域应用甚少。主要原因在于数字图像比色法需以显色反应为基础，其显色剂的选用及显色的明显程度对检测方法的灵敏度有很大的影响。同时，通过摄像设备采集图像并进行颜色识别虽取代了目视比色法，消除了主观误差，但图像采集质量(清晰度、对比度、层次、信噪比等)的优劣、图像处理(图像增强、ROI区域提取、颜色特征参数提取等)的好坏、定量分析模型的优劣直接关系到检测的准确度与精确度。

技术实现思路

[0005]本专利技术提供了一种基于数字图像比色分析的水质氟化物检测方法，以氟化物在酸性二甲酚橙锆体系中进行显色反应为基础，采用基于CCD工业相机的图像采集装置采集数字图像，并融合图像增强、多维颜色特征提取等图像处理技术提出基于多元线性回归模型的水质氟化物浓度测定方法，同时结合二甲酚橙锆比色法灵敏度高、成本低、显色快速、稳定性好等优点，可解决现有技术存在的问题与不足。
[0006]一种基于数字图像比色分析的水质氟化物检测方法包括以下步骤：
[0007](1)显色反应：将锆标准溶液和二甲酚橙溶液加到氟化物溶液中进行显色反应；
[0008](2)图像采集与处理：通过CCD工业相机采集不同浓度的氟化物标准溶液显色后的彩色样品图像，再经过图像处理模块OpenCV处理后得到图像扣除空白后的Lab颜色一阶矩，
即L*，a*，b*。
[0009](3)建立多元线性回归模型：通过步骤(1)(2)得到已知氟溶液各浓度的Lab颜色一阶矩，以已知氟溶液的浓度为横坐标，各浓度对应的L*，a*，b*值为纵坐标进行多元线性拟合，得到L*，a*，b*与氟标准溶液浓度的多元线性回归模型，模型表达式为y＝
‑
0.2012
‑
0.0080x1+0.0154x2+0.0319x3，相关系数达到0.9989，且在0.0
‑
1.5mg/L浓度范围内的精确度和示值误差分别为1.29％和2.00％，具有优良的检测性能。
[0010](4)待测水样的氟浓度测定：按照步骤(1)、(2)对待测水样进行操作，得到待测水样图像的L*，a*，b*值，将L*，a*，b*值带入步骤(3)的多元线性回归模型，即可得到待测水样中氟化物的浓度。
[0011]步骤(1)具体过程如下：
[0012](a)称取氯氧化锆于盐酸中进行溶解，再用盐酸稀释，配置成锆标准贮备溶液，再移取锆标准贮备溶液盐酸稀释，配置成锆标准溶液；
[0013]步骤(a)中，所述的锆标准贮备溶液中含锆1mg/ml。所述的锆标准溶液中含锆20μg/ml。
[0014](b)称取烘干的纯氟化钠于去离子水中进行溶解，再用去离子水稀释，配置成氟标准贮备溶液，再移取氟标准贮备溶液用去离子水稀释，配置成氟标准溶液；
[0015]步骤(b)中，所述的氟标准贮备溶液中含氟0.1mg/ml。所述的氟标准溶液含氟5μg/ml。
[0016](c)配制一系列不同浓度的氟化物溶液，依次加入氟标准溶液、锆标准溶液和二甲酚橙溶液，用去离子水标定至刻度并摇匀，静置显色，每组试验做三次平行测定；
[0017]步骤(c)中，依次加入0.0
‑
15.0ml氟标准溶液、5ml的锆标准溶液和0.4ml的0.1％二甲酚橙溶液，
[0018](d)基于氟化物在二甲酚橙锆体系中进行的显色反应，提出二甲酚橙锆分光光度法：将步骤(c)得到的显色溶液在波长为551nm下测定吸光度，以去离子水为空白，得到三次平行测定的吸光度平均值A，以氟化物溶液中的氟浓度(以F
‑
计)为横坐标，以各氟浓度对应的吸光度平均值A为纵坐标绘制标准工作曲线。
[0019]更进一步，步骤(1)中，具体步骤如下：
[0020](a)称取3.5328g氯氧化锆(ZrOCl2·
8H2O)于少量的1：2盐酸中进行溶解，再用1：2盐酸稀释至1000ml，配置成锆标准贮备溶液(含锆1mg/ml)，再移取20ml锆标准贮备溶液用1：2盐酸稀释至1000ml，配置成锆标准溶液(含锆20μg/ml)；
[0021](b)称取0.2210g已于105℃下烘干2小时的优级纯氟化钠(NaF)于少量去离子水中进行溶解，再用去离子水稀释至1000ml，配置成氟标准贮备溶液(含氟0.1mg/ml)，再移取50ml氟标准贮备溶液用去离子水稀释至1000ml，配置成氟标准溶液(含氟5μg/ml)；
[0022](c)配制一系列不同浓度的氟化物溶液，在25ml容量瓶中依次加入0.0
‑
15.0ml氟标准溶液、5ml的锆标准溶液和0.4ml的0.1％二甲酚橙溶液，用去离子水标定至刻度并摇匀，在室温下静置显色5分钟，每组试验做三次平行测定；
[0023](d)基于氟化物在二甲酚橙锆体系中进行的显色反应，提出二甲酚橙锆分光光度法：将步骤(c)得到的显色溶液在波长为551nm下测定吸光度，以去离子水为空白，得到三次平行测定的吸光度平均值A。以氟化物溶液中的氟浓度(以F
‑
计)为横坐标，以各氟浓度对应
的吸光度平均值A为纵坐标绘制标准工作曲线。得到在氟浓度范围为0.0
‑
1.0mg/L内，氟浓度x与各浓度对应的吸光度y具有良好的线性关系，线性拟合方程为y＝
‑
0.6286x+0.9214(R2＝0.9991)。
[0024]所述的二甲酚橙锆分光本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于数字图像比色分析的水质氟化物检测方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)显色反应：将锆标准溶液和二甲酚橙溶液加到氟化物溶液中进行显色反应；(2)图像采集与处理：通过CCD工业相机采集不同浓度的氟化物标准溶液显色后的彩色样品图像，再经过图像处理模块OpenCV处理后得到图像扣除空白后的Lab颜色一阶矩，即L*，a*，b*；(3)建立多元线性回归模型：通过步骤(1)(2)得到已知氟溶液各浓度的Lab颜色一阶矩，以已知氟溶液的浓度为横坐标，各浓度对应的L*，a*，b*值为纵坐标进行多元线性拟合，得到L*，a*，b*与氟标准溶液浓度的多元线性回归模型；(4)待测水样的氟浓度测定：按照步骤(1)、(2)对待测水样进行操作，得到待测水样图像的L*，a*，b*值，将L*，a*，b*值带入步骤(3)的多元线性回归模型，即可得到待测水样中氟化物的浓度。2.根据权利要求1所述的基于数字图像比色分析的水质氟化物检测方法，其特征在于，步骤(1)具体过程如下：(a)称取氯氧化锆于盐酸中进行溶解，再用盐酸稀释，配置成锆标准贮备溶液，再移取锆标准贮备溶液盐酸稀释，配置成锆标准溶液；(b)称取烘干的纯氟化钠于去离子水中进行溶解，再用去离子水稀释，配置成氟标准贮备溶液，再移取氟标准贮备溶液用去离子水稀释，配置成氟标准溶液；(c)配制一系列不同浓度的氟化物溶液，在容量瓶中依次加入氟标准溶液、锆标准溶液和二甲酚橙溶液，用去离子水标定至刻度并摇匀，静置显色，每组试验做三次平行测定；(d)基于氟化物在二甲酚橙锆体系中进行的显色反应，提出二甲酚橙锆分光光度法：将步骤(c)得到的显色溶液在波长为551nm下测定吸光度，以去离子水为空白，得到三次平行测定的吸光度平均值A，以氟化物溶液中的氟浓度为横坐标，以各氟浓度对应的吸光度平均值A为纵坐标绘制标准工作曲线。3.根据权利要求2所述的基于数字图像比色分析的水质氟化物检测方法，其特征在于，步骤(1)的(a)中，锆标准贮备溶液中含锆1mg/ml，锆标准溶液中含锆20μg/ml。4.根据权利要求2所述的...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙小方，郭石磊，陈京奥，赵芷琪，赵博成，陈慧轩，季福康，胡晓春，
申请(专利权)人：浙江工业大学，
类型：发明
国别省市：