一种基于SPR传感器的水质重金属检测设备和方法技术

一种基于SPR传感器的水质重金属检测设备，包括重金属检测端和数据分析端，数据分析端与重金属检测端连接；重金属检测端包括拍摄组件、供光组件、玻片和硫代蒙脱石修饰的光纤，拍摄组件连接有第一光纤探头，供光组件连接有第二光纤探头，光纤的一端与第一光纤探头连接，光纤的另一端与第二光纤探头连接；光纤包括沉积有涂覆材料的第三光纤段，第三光纤段固定于玻片上，第三光纤段的表面涂覆有金膜和硫代蒙脱石，硫代蒙脱石位于金膜的外侧。一种基于SPR传感器的水质重金属检测方法，采用上述设备。本发明专利技术可以克服低浓度重金属水样折射率与纯水相差小的困难，实现痕量重金属水样的检测，属于水质重金属检测领域。属于水质重金属检测领域。属于水质重金属检测领域。

【技术实现步骤摘要】
一种基于SPR传感器的水质重金属检测设备和方法


[0001]本专利技术涉及水质重金属检测领域，具体涉及一种基于SPR传感器的水质重金属检测设备和方法。

技术介绍

[0002]汞主要以元素汞、有机汞、无机汞三种基本形式存在于水、大气、土壤、食物等环境中，是一种全球性环境污染物，广泛应用于医疗、工业等领域中。汞对动物和人类具有各种毒害作用，可以蓄积在肾脏细胞、皮肤、心脏、生殖系统等组织器官中，还能透过血脑屏障进入中枢神经系统造成伤害，已被世界卫生组织列为优先控制污染物。在国标《地表水环境质量标准》中一类区和五类区的汞浓度限值分别为0.00005mg/L和0.001mg/L。
[0003]目前，常用的检测水中汞离子的方法有气相色谱法、冷原子分光光度法、原子荧光法等。然而，这些方法都有仪器设备庞大、昂贵，预处理过程繁琐，需要专业人员操作，检测时间长等缺点。如中国专利申请(公开号为CN109959635A、名称为“一种基于电场耦合的光纤SPR传感器”)公开了一种光纤SPR传感器，如中国专利申请(公开号为CN112255199A、名称为“Pb
2+
浓度检测传感器、装置、制备方法及使用方法”公开了Pb
2+
浓度检测传感器，如中国专利(公开号为CN212379356U、名称为“一种基于3D打印技术便于携带的重金属检测仪”)公开了一种重金属检测仪，但上述技术多适用于生物传感，而非重金属检测，且存在需要对样品进行预处理、检测时间长、难以现场快速检测、检测精度低、受环境干扰因素影响大等问题。r/>
技术实现思路

[0004]针对现有技术中存在的技术问题，本专利技术的目的是：提供一种体积小、易于携带且精度高的一种基于SPR传感器的水质重金属检测设备和方法。
[0005]为了达到上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种基于SPR传感器的水质重金属检测设备，包括重金属检测端和数据分析端，数据分析端与重金属检测端连接；重金属检测端包括拍摄组件、供光组件、玻片和硫代蒙脱石修饰的光纤，拍摄组件连接有第一光纤探头，供光组件连接有第二光纤探头，光纤的一端与第一光纤探头连接，光纤的另一端与第二光纤探头连接；光纤包括连接第一光纤探头的第一光纤段、连接第二光纤探头的第二光纤段和沉积有涂覆材料的第三光纤段，第三光纤段固定于玻片上，第三光纤段的表面涂覆有金膜和硫代蒙脱石，硫代蒙脱石位于金膜的外侧；拍摄组件和供光组件之间连接有多模光纤。采用这种结构后，金膜具有化学稳定性好、不易氧化的优良性质。硫代蒙脱石层间含有大量巯基，能够在金属薄膜上进行自组装，经其修饰的光纤可以特异性吸附汞离子，使传感层介质的折射率改变，从而使共振角偏移，这样可以克服低浓度重金属水样折射率与纯水相差小的困难，使痕量重金属水样的检测得以实现。
[0006]作为一种优选，供光构件包括LED灯、透镜和滤光片，透镜和滤光片依次位于LED灯的前方，第二光纤探头位于滤光片的前方，光纤的另一端与第二光纤探头连接；拍摄组件包
括摄像头，第一光纤探头位于摄像头的前方，光纤的一端与第二光纤探头连接。采用这种结构后，供光构件可为检测提供合适的光源，拍摄构件用以读取通过光纤传导至此处的光电信号。
[0007]作为一种优选，重金属检测端还包括测试盒，玻片位于测试盒的底部。采用这种结构后，测试盒位于测定区域中，测试时将水样滴在玻片上浸没第三光纤段即可，操作方便。
[0008]作为一种优选，测试盒上开有两个相对的通孔，通孔的孔径大于光纤的外径，光纤穿过两个通孔，第三光纤段位于两个通孔之间的区域。
[0009]作为一种优选，测试盒具有开口，重金属检测端还包括可盖于开口上的顶盖，顶盖与测试盒铰接。采用这种结构后，顶盖可90
°
旋转，不用时可将顶盖闭合，避免测定区域受到外界环境的污染。
[0010]作为一种优选，还包括设备外壳，设备外壳的材料包括铝镁合金或钛合金，拍摄组件和供光组件均位于设备外壳的内部并通过隔板固定，测试盒固定于设备外壳的外表面。采用这种结构后，把拍摄构件、供光构件、测定区域以及两个传感构件集中于一个设备中，具有体积小、方便携带的特点，设备具有抗变形、抗断裂、耐高温、耐腐蚀，抵御撞击的能力。
[0011]作为一种优选，光纤的修饰方法包括如下步骤：
[0012]A、清洗：将光纤放入丙酮中浸泡10～20分钟，然后用去离子水清洗3～5次；
[0013]B、镀膜：在光纤的表面镀上一层金膜；
[0014]C、修饰：将硫代蒙脱石粉末加入乙醇和水的混合溶液中，乙醇和水的体积比为1：1，获得浓度为0.02～0.05mg/mL的硫代蒙脱石分散液，再将光纤放入硫代蒙脱石分散液中浸润，浸润完成后，将光纤取出并用无水乙醇和去离子水分别冲洗3～5次，然后用N2吹干。
[0015]一种基于SPR传感器的水质重金属检测方法，采用上述基于SPR传感器的水质重金属检测方法，包括如下步骤：
[0016]S1，利用重金属检测端对水样进行检测，获得检测信息，然后通过数据分析端对检测信息进行分析；
[0017]S2，对重金属检测端进行清洗。
[0018]采用上述方法，数据分析端可利用人工智能算法，结合现有的图像识别分析技术：图像采集
→
图像预处理
→
特征提取
→
图像识别，进行前端SPR传感器光学反馈的数据线性分析，并结合水质重金属检测预处理技术及环境干扰因素算法，可以提高水质重金属浓度检测精度。另外，通过重金属检测端的清洗干燥过程，可实现重复利用的目的。
[0019]由于相机特性(例如未知的内置自动颜色控制机制)导致的各种因素会导致测量的颜色发生变化，因此，需要进行颜色校准。
[0020]使用一种基SPR传感器的水质重金属检测设备进行检测前，执行校准步骤，校准步骤如下：
[0021]首先，将参考区域的颜色信息标记为C
PRij
，标定目标区域的颜色标记为C
PTk
，(u
s
,v
s
)和(u
d
,v
d
)分别表示C
PRij
和C
PTk
区域的颜色信息，采用式(1)和式(2)中的四阶多项式模型进行颜色适应，
[0022][0023][0024]基于式(1)和式(2)，所有参考颜色索引的颜色信息均以单个矩阵形式表示为y＝Xa，最优解a表示为式(3)，
[0025][0026]通过迭代加权最小二乘法，得到解a，如式(4)所示，
[0027]a
(t+1)
＝(X
T
W
(t)
X)
‑1X
T
W
(t)
y
ꢀꢀꢀ
(4)
[0028]其中，
[0029]W
i(0)
＝1
ꢀꢀꢀ
(5)
[0030][0031]为本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于SPR传感器的水质重金属检测设备，其特征在于：包括重金属检测端和数据分析端，数据分析端与重金属检测端连接；重金属检测端包括拍摄组件、供光组件、玻片和硫代蒙脱石修饰的光纤，拍摄组件连接有第一光纤探头，供光组件连接有第二光纤探头，光纤的一端与第一光纤探头连接，光纤的另一端与第二光纤探头连接；光纤包括连接第一光纤探头的第一光纤段、连接第二光纤探头的第二光纤段和沉积有涂覆材料的第三光纤段，第三光纤段固定于玻片上，第三光纤段的表面涂覆有金膜和硫代蒙脱石，硫代蒙脱石位于金膜的外侧；拍摄组件和供光组件之间连接有多模光纤。2.按照权利要求1所述的一种基于SPR传感器的水质重金属检测设备，其特征在于：供光构件包括LED灯、透镜和滤光片，透镜和滤光片依次位于LED灯的前方，第二光纤探头位于滤光片的前方，光纤的另一端与第二光纤探头连接；拍摄组件包括摄像头，第一光纤探头位于摄像头的前方，光纤的一端与第二光纤探头连接。3.按照权利要求1所述的一种基于SPR传感器的水质重金属检测设备，其特征在于：重金属检测端还包括测试盒，玻片位于测试盒的底部。4.按照权利要求3所述的一种基于SPR传感器的水质重金属检测设备，其特征在于：测试盒上开有两个相对的通孔，通孔的孔径大于光纤的外径，光纤穿过两个通孔，第三光纤段位于两个通孔之间的区域。5.按照权利要求3所述的一种基于SPR传感器的水质重金属检测设备，其特征在于：测试盒具有开口，重金属检测端还包括可盖于开口上的顶盖，顶盖与测试盒铰接。6.按照权利要求3所述的一种基于SPR传感器的水质重金属检测设备，其特征在于：还包括设备外壳，设备外壳的材料包括铝镁合金或钛合金，拍摄组件和供光组件均位于设备外壳的内部并通过隔板固定，测试盒固定于设备外壳的外表面。7.按照权利要求1所述的一种基于SPR传感器的水质重金属检测设备，其特征在于：光纤的修饰方法包括如下步骤：A、清洗：将光纤放入丙酮中浸泡10～20分钟，然后用去离子水清洗3～5次；B、镀膜：在光纤的表面镀上一层金膜；C、修饰：将硫代蒙脱石粉末加入乙醇和水的混合溶液中，乙醇和水的体积比为1：1，获得浓度为0.02～0.05mg/mL的硫代蒙脱石分散液，再将光纤放入硫代蒙脱石分散液中浸润...

【专利技术属性】
技术研发人员：陆钢，宋华英，王威，曾力希，沙漠，岑汶禧，陆轶能，李亚太，秦军芳，任刚，
申请(专利权)人：暨南大学，
类型：发明
国别省市：