一种基于光度检测的湿化学微型原位传感器及其测定方法技术

本发明专利技术公开了一种基于光度检测的湿化学微型原位传感器,包括反应池，参比池，光源，检测元件和分光镜，可包括两个反应池拼装串联构成反应池组，获得水体中涉及两个参数的吸光值。结合相应的吸光值数据处理方法实现表层水体中两个水质参数的湿化学法原位测定。该传感器还搭配有试剂添加装置，用于向水样中添加显色剂。传感器整体体积小，重量轻，可以搭载于小型无人移动观测平台使用。型无人移动观测平台使用。型无人移动观测平台使用。

【技术实现步骤摘要】
一种基于光度检测的湿化学微型原位传感器及其测定方法


[0001]本申请属于环境监测
，具体的涉及一种基于光度检测的湿化学微型原位传感器。

技术介绍

[0002]人类社会发展带来的水污染问题日益引起关注，及时掌控水体污染状况具有重要意义。营养盐是重要的水质指标，主要采用国家标准方法和现场/原位仪器进行测定。标准方法需将现场采集水样带回实验室，添加化学试剂后用仪器进行分析(湿化学法)，属于常规检测和仲裁检验手段，准确度高但时效性差，且在采样及运输等过程中样品可能遭受污染。原位检测可避免采样、样品运输储存及预处理等环节中可能引入的污染，具有实时、原位获取数据等优点。目前，市面上已有不少基于湿化学显色反应的商品化营养盐原位检测仪，亦有一些研究型原位仪器。这些仪器大多基于流动分析技术，测定结果准确、运行可靠。但其主要用于长期定点连续监测，涉及的金属泵、阀、检测器等器件的重量大，仪器的体积也较大，便携性差。在某些环境监测场合，如污染筛查、应急监测、高危水域监测等，对测定结果的准确度要求不一定很高，但需要快速得到定性或半定量结果。此时小型无人移动观测平台如无人船或无人机往往是监测的主力军，其反应快速，规避环境毒害的能力强，应用时受岸边地形条件的影响小。但目前的无人移动观测平台尤其是无人机，仅能对水质的物理参数如温度盐度或不需要添加化学试剂的物化参数如pH等进行检测；常规的化学参数检测仪器因体积和重量问题，难以搭载其上，使得大量化学指标数据缺失。

技术实现思路

[0003]针对现有技术中的原位检测设备不够轻便的问题，本申请提出了一种基于光度检测的湿化学微型原位超轻型传感器。
[0004]该传感器包括检测器、试剂添加装置和振动马达。检测器包括反应池，参比池，分光镜，光源和检测元件。参比池与反应池垂直，二者呈L型排布，分光镜位于L型的直角端点，光源包括设置于反应池长度方向并且位于分光镜之前的第一光源和设置于参比池长度方向并且位于分光镜之前的第二光源，检测元件包括设置于反应池长度方向的第一检测元件和设置于参比池长度方向的第二检测元件。两对光源和检测元件分别位于分光镜和反应池/参比池的两端。试剂添加装置设置于反应池外壁，并与反应池连通，其能够向反应池中添加反应试剂。振动马达设置于反应池外侧，其能够使反应试剂均匀混合。
[0005]优选地，两个反应池可拼装地串联置于同一轴线上构成反应池组。
[0006]优选地，光源发出的光束经所光镜分成两束后，分别沿反应池和参比池的长度方向，穿过反应池/参比池并被所述检测元件接收。
[0007]优选地，分光镜为半透半反分光棱镜。
[0008]基于上述结构，针对任意两个基于光度法测定的水质参数，只要选择合适的光源波长，采用相应试剂，即可进行测定，最大程度地减少了两参数检测的光学元件，使传感器
更加小型化和轻型化，使其可搭载于无人机等小型移动观测平台，进而满足特定水体中水质化学参数原位快速检测的重要需求。
[0009]优选地，检测器的反应池包括反应池体，透明光窗，活动池盖，橡皮筋和池盖勾，反应池体由遮光材料制作，侧面装有透明光窗使光束穿过池体。活动池盖和反应池体一侧通过一铰链连接，另一侧通过橡皮筋连接。池盖勾与反应池体通过另一铰链连接。将池盖勾勾住活动池盖尾部凸起，此时活动池盖保持敞开，橡皮筋呈张紧状态。按压池盖勾的另一端使其沿铰链转动，释放活动池盖，橡皮筋收缩，带动活动池盖关闭。
[0010]该反应池的结构和关盖方式，在使用极少机械组件和外部能源的情况下，实现无气泡采样。
[0011]优选地，检测器的参比池包括参比池体和透明光窗，参比池体由遮光材料制作，侧面装有透明光窗使光束穿过池体。参比池体上下为重叠但不封闭的双层结构。
[0012]该参比池使用上下通透的设计，原位水样能够顺畅地流入流出，充满参比池的同时将气泡带出，并且池体结构能够充分遮挡环境光。
[0013]优选地，反应池外壁连接的试剂添加装置包括试剂泡、挤压棒、橡皮筋和释放机关。试剂泡外壳由略带弹性的化学惰性材料制成，用于存储试剂。释放机关在被释放后带动挤压棒挤破试剂泡，进而将试剂添加至反应池内。
[0014]通过上述试剂添加装置，能够以简便的方式向反应池采集的水样中添加试剂；对于需要添加显色剂进行光度检测的组分，该传感器能够实现原位检测。以一次性试剂泡储存反应试剂，每个试剂泡提供一个水样测定所需的一种试剂，试剂储存时互不污染，使用时简单便捷；以挤压棒挤压试剂泡，无需阀、泵等试剂输送器件，简单快捷，降低了传感器的体积和重量，减少了对电源动力的需求。
[0015]上述反应池
‑
参比池组结构和试剂添加方式，共同构成几乎不需外部动力的采样装置和化学反应装置，最大程度地避免了阀、泵等液体输送器件和相应的控制装置的使用，进一步降低了传感器总的体积、重量和能耗。
[0016]优选地，应用上述原位传感器进行物质浓度的测定，具体是，反应池和参比池自动采集水样，反应池的活动池盖闭合，利用反应池的试剂添加装置向反应池中释放显色试剂，通过马达振动令水样和试剂混合反应，点亮光源，两个检测元件分别检测获得含有x和y两组分的样品在两个光源的波长处的吸光值组分的样品在两个光源的波长处的吸光值根据联立的光吸收定律方程解析两个被测物质x、y的含量c
x
和c
y
；其中，A为测得的吸光值；b为光程长度，为已知的设定值；x和y分别代表组分x和组分y；ε为其在波长λ1和λ2处的各个摩尔吸光系数。
[0017]与湿化学微型原位传感器配套的两参数吸光值数据处理方法，使两个水质参数的同时测定更为便捷。
附图说明
[0018]附图被并入本说明书中以提供对实施例的进一步理解，并构成本说明书的一部
分。附图的元件不一定是相互按照比例的。为了便于描述，附图中仅示出了与有关专利技术相关的部分。
[0019]图1为一实施例中的传感器结构示意图；
[0020]图2为一实施例中的反应池结构示意图；
[0021]图3为一实施例中的参比池结构示意图；
[0022]图4为一实施例中的试剂添加装置结构示意图；
[0023]图5为一实施例中的试剂泡实物图；
[0024]图6为一实施例中携带传感器的水上无人机实物图；
[0025]图7为一实施例中携带传感器的水上无人机于水库中原位测定表层水中的营养盐的实景图。
具体实施方式
[0026]下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于解释相关专利技术，而非对该专利技术的限定。
[0027]在一具体实施例中，图1为根据本实施例中的传感器结构示意图。反应池201和反应池202拼装串联构成反应池组，反应池组和参比池3安装于相应的槽位上，二者形成L形的90度夹角，一个半透半反分光棱镜1位于该L形90度夹角的顶端。每个反应池的长度可以根据水体中待测组分x和组分y的估计浓度c
x
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于光度检测的湿化学微型原位传感器，其特征在于，包括检测器、试剂添加装置和振动马达。所述检测器包括反应池，参比池，分光镜，光源和检测元件，所述参比池垂直于反应池呈L型排布，所述分光镜位于L型的直角端点，所述光源包括设置于反应池长度方向并且位于分光镜之前的第一光源和设置于参比池长度方向并且位于分光镜之前的第二光源，所述检测元件包括设置于反应池长度方向的第一检测元件和设置于参比池长度方向的第二检测元件；所述试剂添加装置设置于反应池外壁并与反应池连通；所述振动马达设置于反应池外侧。2.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述检测器包括两个反应池，所述两个反应池串联置于同一轴线上构成反应池组。3.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述光源发出的光束经所述分光镜分成两束后分别沿所述反应池和所述参比池的长度方向穿过所述反应池和所述参比池并分别被所述检测元件接收。4.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述分光镜为半透半反分光棱镜。5.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述反应池包括反应池体，活动池盖，橡皮筋和池盖勾，所述池体由遮光材料制作，所述池盖勾控制活动池盖保持敞开，所述橡皮筋在所...

【专利技术属性】
技术研发人员：林北辰，许金，尤延铖，庞金玲，郭唯嘉，廖梦爽，
申请(专利权)人：厦门大学，
类型：发明
国别省市：