一种环境水中铁离子的快速检测方法和系统技术方案

本发明专利技术属于分析检测技术领域，具体涉及一种环境水中铁离子的快速检测方法和系统。本发明专利技术的方法包括如下步骤：步骤1，采用化学显色体系处理待检测水样，使化学显色体系发生颜色变化，拍摄化学显色体系的图片；步骤2，从所述图片中分割出感兴趣区域；步骤3，计算所述感兴趣区域中RGB颜色空间和HSI颜色空间的各分量的变化值；步骤4，以步骤3得到的至少两种分量的变化值作为特征，通过多元性回归方程模型分析待检测水样中铁离子的含量。本发明专利技术具有成本低、操作简单、检测效率高、抗干扰能力强等显著优势，适用于自然水体中Fe

【技术实现步骤摘要】
一种环境水中铁离子的快速检测方法和系统


[0001]本专利技术属于分析检测
，具体涉及一种环境水中铁离子的快速检测方法和系统。

技术介绍

[0002]铁(Fe)元素是生态环境中重要的常量元素，也是人体的必需微量元素。自然水体中，Fe是水体氧化能力传递的重要媒介，其价态及含量对维持水环境质量具有重要作用。因此，自然水体中Fe的浓度信息在环境科学、环境毒理学、生命科学、以及食品安全相关等领域中起着重要的作用。
[0003]现有的检测水体中Fe元素的分析方法主要包括光谱法和质谱法，这些方法精度高、灵敏度好，但存在分析设备笨重、价格昂贵、以及对实验环境条件有较高要求等普遍问题，很难适用于现场环境下的Fe元素的检测。因此，研究建立一种分析精度高、成本低、操作简单、测定快速的自然水体中Fe元素的分析方法具有重要意义。
[0004]Fe的化学显色检测是一种成本低、简单、快速测定水中Fe元素的方法(许夏伟等，铁显色检测片测定水体中铁)。其原理是利用盐酸羟胺将水中的三价铁离子还原成二价铁，然后利用二价铁与1,10
‑
菲啰啉的显色反应结果进行铁元素的检测。然而，由于显色反应是以颜色的变化来体现检测的结果，若要对显色结果进行准确、定量的分析，通常还是需要光谱仪等设备。这对化学显色检测Fe元素的方法的成本和应用的便利性产生了很不利的影响。因此，如何用更加简单、快速的方法准确地分析化学显色的结果仍然是本领域亟需解决的问题。

技术实现思路

[0005]针对现有技术的问题，本专利技术提供一种环境水中铁离子的快速检测方法和系统，目的在于利用多元性回归方程模型对化学显色体系的图片进行分析，实现高精度、低成本、简单、快速的铁元素含量检测。
[0006]一种环境水中铁离子的快速检测方法，包括如下步骤：
[0007]步骤1，采用化学显色体系处理待检测水样，使化学显色体系发生颜色变化，拍摄化学显色体系的图片；
[0008]步骤2，从所述图片中分割出感兴趣区域；
[0009]步骤3，计算所述感兴趣区域中RGB颜色空间和HSI颜色空间的各分量的变化值；
[0010]步骤4，以步骤3得到的至少两种分量的变化值作为特征，通过多元性回归方程模型分析待检测水样中铁离子的含量。
[0011]优选的，步骤1中，所述化学显色体系包括盐酸羟胺和1,10
‑
菲啰啉。
[0012]优选的，步骤1中，所述化学显色体系附着在微流控纸芯片上，所述盐酸羟胺的附着量为0.622
‑
1.243mg/cm2，所述1,10
‑
菲啰啉的附着量为0.100
‑
0.199mg/cm2，显色时间为15
‑
25min。
[0013]优选的，步骤2中，采用边缘分割法分割出感兴趣区域。
[0014]优选的，步骤2中，对所述图片进行中值滤波后分割出感兴趣区域。
[0015]优选的，步骤3中，所述分量的变化值按照如下公式计算：
[0016][0017]其中，M代表RGB颜色空间或HSI颜色空间的分量，可以是R、G、B、H、I或S中的一种；M
i
为n个平行实验组中第i组的M的值；M
n+1
为加入空白水样的化学显色体系M的空白对照值。
[0018]优选的，步骤4中，选择作为特征的分量的变化值为和其中为R的变化值，为B的变化值，为S的变化值。
[0019]优选的，步骤4中，所述多元性回归方程模型为：
[0020][0021]本专利技术还提供一种环境水中铁离子的快速检测系统，包括：
[0022]相机模块，用于拍摄化学显色体系的图片；
[0023]分割模块，用于从所述化学显色体系的图片中分割出感兴趣区域；
[0024]计算模块，用于计算所述感兴趣区域中RGB颜色空间和HSI颜色空间的各分量的变化值；并将至少两种分量的变化值作为特征，通过多元性回归方程模型分析待检测水样中铁离子的含量。
[0025]本专利技术还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有用于实现上述环境水中铁离子的快速检测方法的计算机程序。
[0026]本专利技术将待检测水样与化学显色体系反应后，通过工业相机拍摄化学显色体系的图片，然后利用多元性回归方程模型对图片中颜色的变化进行分析，进而实现了对待检测水样中铁元素含量的分析。在优选的方案中，本专利技术优化了化学显色体系中还原剂和显色剂的用量、分割感兴趣区域的方法和多元性回归方程模型，进一步提高了分析结果的准确性。本专利技术较佳的实施例中，检测结果的决定系数R2为0.9932，均方误差MSE为5.6491，均方根误差RMSE为2.3768，检出限为2.53μM，检测范围为5
‑
100μM，10次平行测定的相对标准偏差RSD小于3.0％，加标回收率达到94％，单次检测成本约0.7元。此外，本专利技术的方法和系统检测操作简单、效率高，只需要将待测水样进行显色反应，拍摄图片并将图片输入计算机即可得到检测结果，检测周期约为18min，操作简便、获取结果快捷。可见，本专利技术具有成本低、操作简单、检测效率高、抗干扰能力强等显著优势，适用于自然水体中Fe
2+
和Fe
3+
浓度的快速检测，具有很好的应用前景。
[0027]显然，根据本专利技术的上述内容，按照本领域的普通技术知识和惯用手段，在不脱离本专利技术上述基本技术思想前提下，还可以s做出其它多种形式的修改、替换或变更。
[0028]以下通过实施例形式的具体实施方式，对本专利技术的上述内容再作进一步的详细说明。但不应将此理解为本专利技术上述主题的范围仅限于以下的实例。凡基于本专利技术上述内容所实现的技术均属于本专利技术的范围。
附图说明
[0029]图1为μPADs设计图。
[0030]图2为添加噪声前后的μPADs图像与滤波处理效果图，样品中Fe
3+
浓度为100μM。(a)添加噪声前的原图；(b)添加噪声后的图像；(c)添加噪声的图像经均值滤波后的图像；(d)添加噪声的图像经中值滤波后的图像。
[0031]图3为添加噪声前后的μPADs图像与滤波处理效果图的直方图。(a)添加噪声前的直方图；(b)添加噪声后的直方图；(c)均值滤波后的直方图；(d)中值滤波后的直方图。
[0032]图4为μPADs检测区域灰度原图以及不同分割法的效果，样品中Fe
3+
浓度为100μM。(a)μPADs检测区域灰度原图；(b)阈值分割法处理效果；(c)边缘分割效果；(d)区域生长法效果。
[0033]图5为盐酸羟胺浓度与色差d的关系图。
[0034]图6为1,10
‑
菲啰啉浓度与色差d的关系图。
[0035]图7为不同浓度Fe
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样品溶液的μPADs图像(经分割后)。
[0036]图8为单一特征值与Fe
3+
溶液浓度之间的关系本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种环境水中铁离子的快速检测方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1，采用化学显色体系处理待检测水样，使化学显色体系发生颜色变化，拍摄化学显色体系的图片；步骤2，从所述图片中分割出感兴趣区域；步骤3，计算所述感兴趣区域中RGB颜色空间和HSI颜色空间的各分量的变化值；步骤4，以步骤3得到的至少两种分量的变化值作为特征，通过多元性回归方程模型分析待检测水样中铁离子的含量。2.按照权利要求1所述的检测方法，其特征在于：步骤1中，所述化学显色体系包括盐酸羟胺和1,10
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菲啰啉。3.按照权利要求2所述的检测方法，其特征在于：步骤1中，所述化学显色体系附着在微流控纸芯片上，所述盐酸羟胺的附着量为0.622
‑
1.243mg/cm2，所述1,10
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菲啰啉的附着量为0.100
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0.199mg/cm2，显色时间为15
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25min。4.按照权利要求1所述的检测方法，其特征在于：步骤2中，采用边缘分割法分割出感兴趣区域。5.按照权利要求1所述的检测方法，其特征在于：步骤2中，对所述图片进行中值滤波后分割出感...

【专利技术属性】
技术研发人员：冷庚，金朝凤，罗本彬，黄靖云，张泽源，许文波，贾海涛，罗欣，陈奋，常乐，张力，
申请(专利权)人：电子科技大学长三角研究院湖州电子科技大学天府协同创新中心，
类型：发明
国别省市：