專利名稱：一種海水重金屬實時檢測系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及海洋環境水質檢測技術領域，特別是涉及一種海水重金屬實時檢測系統。
背景技術：
目前，隨著海洋資源日益備受重視，開展海洋信息共享，建立集海洋經濟、資源、環境、災害、生態等于一體的海洋信息共享網絡服務系統，對于實現我國海洋的綜合管理，提高人們的海洋意識，實施海洋強國和可持續發展戰略具有巨大的科學效益、社會效益和潛在的經濟效益。海水重金屬實現在線檢測分析是一件很困難的事，目前現有的重金屬檢測技術基本全在實驗室完成。而實驗室儀器精度雖高但是不能在現場使用，其原因就是實驗室儀器價格昂貴、功耗大、體積大、結構復雜，且需要較長的分析時間、復雜和多步驟的分析過程， 對使用環境的要求比較高，且無法解決自動取樣及樣品在線前處理的技術難題，不適合現場檢測。因此，不能進行海水重金屬的實時檢測。
發明內容
本發明要解決的技術問題是提供一種海水重金屬實時檢測系統，以克服現有技術不能進行海水重金屬實時檢測的缺陷。為達到上述目的，本發明提供一種海水重金屬實時檢測系統，所述系統包括光源 (1)、第一光纖耦合器(4)、校準樣品池(5)、待測樣品池(6)、第二光纖耦合器(7)、光電探測器(8)和控制及數據處理單元(20)；
所述光源(1)通過濾光片(2)、會聚透鏡(3)連接所述第一光纖耦合器(4)的輸入端； 所述第一光纖耦合器(4)的輸出端分別通過所述校準樣品池(5)和待測樣品池(6)連接所述第二光纖耦合器(7)的輸入端，所述校準樣品池(5)內裝有襯底標準液，所述待測樣品池內裝有待測海水樣品；所述光電探測器(8)接收所述第二光纖耦合器(7)的輸出端光信號，并將所述光信號轉換為電信號送入所述控制及數據處理單元(20);所述控制及數據處理單元(20)根據所述電信號獲取所述待測海水樣品中待測重金屬離子的濃度。其中，所述待測樣品池(6)為上下兩層一體結構，包括石英容器(61)和石英比色皿(62)，海水(9)、緩沖溶液(11)、改性劑(13)和顯色劑(15)分別通過四個蠕動泵送入所述石英容器(61)，所述石英比色皿(62)通過蠕動泵輸出廢液(17)。其中，所述蠕動泵為12V直流固定轉速蠕動泵。其中，所述石英容器(61)容積為1000 mL、上蓋打孔分別供進樣和攪拌器(19)使用；石英比色皿(62)為1 cm、5 mL石英比色皿且帶有出液口。其中，所述光源(1)為高亮度高穩定食人魚嘴形LED。其中，所述濾光片(2)為干涉窄帶濾光片。其中，所述第一光纖耦合器(4)和第二光纖耦合器(7)為石英多模多芯光纖。
其中，所述光電探測器(8)為硅光電池。其中，所述控制及數據處理單元(20)包括接收子單元、存儲子單元和比較子單元；
所述接收子單元，用于接收所述光電探測器(8)發送的電信號，并根據所述電信號獲取待測海水樣品的吸光度；
所述存儲子單元，用于存儲吸光度與重金屬離子的濃度的對應關系； 所述比較子單元，用于將所述接收子單元獲取的待測海水樣品的吸光度與所述存儲子單元存儲的吸光度與重金屬離子的濃度的對應關系進行比較，得出所述待測海水樣品中待測重金屬離子的濃度。其中，所述控制及數據處理單元(20)還包括供電控制子單元、蠕動泵控制子單元和攪拌器控制子單元；
所述供電控制子單元與所述光源(1)連接，用于控制所述光源(1)的穩流供電； 所述蠕動泵控制子單元分別與多路蠕動泵連接，用于控制所述多路蠕動泵的運行； 所述攪拌器控制子單元與所述攪拌器(19)連接，用于控制所述攪拌器(19)的運行。與現有技術相比較，本發明具有以下有益效果
(1)本發明的海水重金屬實時檢測系統易于實現海水金屬離子在線檢測；
(2)本發明的海水重金屬實時檢測系統結構簡潔，可操作性強；
(3)本發明的海水重金屬實時檢測系統光學系統易于集成，光路穩定性好，成本低。
圖1是本發明實施例的一種海水重金屬實時檢測系統的原理圖。圖2是本發明所用光源輸出的光譜圖。圖3是本發明鋅離子濃度與吸光度關系曲線圖。其中，1 光源；2 濾光片；3 會聚透鏡；4 第一光纖耦合器；5 校準樣品池；6 待測樣品池；7 第二光纖耦合器；8 光電探測器；9 海水；10 第一蠕動泵；11 緩沖溶液； 12 第二蠕動泵；13 改性劑；14 第三蠕動泵；15 顯色劑；16 第四蠕動泵；17 廢液；18 第五蠕動泵；19 攪拌器；20 控制及數據處理單元；61 石英容器；62 石英比色皿。
具體實施例方式
下面結合附圖和實施例，對本發明的具體實施方式
作進一步詳細描述。以下實施例用于說明本發明，但不用來限制本發明的范圍。在海洋特殊環境條件下，只要能夠很好地解決自動取樣及進樣機構、智能分析及傳感網絡等問題就能夠實現對海洋環境進行在線、實時、自動檢測。只要檢測的操作、控制方便易行，對環境不產生污染，穩定性及靈敏度能夠達到檢測要求，這樣將會節約大量人力資源，使檢測數據更具有實效性，更加準確、有效的指導海洋環境重金屬污染的防治和治
理工作。實施例1
本發明實施例的一種海水重金屬實時檢測系統的原理圖如圖1所示，所述系統包括光源1、第一光纖耦合器4、校準樣品池5、待測樣品池6、第二光纖耦合器7、光電探測器8和控制及數據處理單元20。所述光源1通過濾光片2、會聚透鏡3連接所述第一光纖耦合器4的輸入端。本實
4施例中，所述光源1為高亮度高穩定食人魚嘴形LED，所述濾光片2為干涉窄帶濾光片。所述第一光纖耦合器4的輸出端分別通過所述校準樣品池5和待測樣品池6連接所述第二光纖耦合器7的輸入端，所述校準樣品池5內裝有襯底標準液，所述待測樣品池6 內裝有待測海水樣品。本實施例中，所述第一光纖耦合器4和第二光纖耦合器7為石英多模多芯光纖。所述校準樣品池5為1 cm、5 mL可密封石英比色皿。所述待測樣品池6為上下兩層一體結構，包括石英容器61和石英比色皿62，海水9、緩沖溶液11、改性劑13和顯色劑15分別通過四個蠕動泵送入所述石英容器61，所述石英比色皿62通過蠕動泵輸出廢液17。本實施例中，所述蠕動泵為12V直流固定轉速蠕動泵；所述石英容器61容積為1000 mL、上蓋打孔分別供進樣和攪拌器19使用；石英比色皿62為1 cm、5 mL石英比色皿且帶有出液口。所述光電探測器8接收所述第二光纖耦合器7的輸出端光信號，并將所述光信號轉換為電信號送入所述控制及數據處理單元20。本實施例中，所述光電探測器6為硅光電池。所述控制及數據處理單元20根據所述電信號獲取所述待測海水樣品中待測重金屬離子的濃度。所述控制及數據處理單元20包括接收子單元、存儲子單元、比較子單元、供電控制子單元、蠕動泵控制子單元和攪拌器控制子單元。所述接收子單元用于接收所述光電探測器8發送的電信號，并根據所述電信號獲取待測海水樣品的吸光度；所述存儲子單元用于存儲吸光度與重金屬離子的濃度的對應關系；所述比較子單元用于將所述接收子單元獲取的待測海水樣品的吸光度與所述存儲子單元存儲的吸光度與重金屬離子的濃度的對應關系進行比較，得出所述待測海水樣品中待測重金屬離子的濃度；所述供電控制子單元與所述光源1連接，用于控制所述光源1的穩流供電；所述蠕動泵控制子單元分別與多路蠕動泵連接，用于控制所述多路蠕動泵的運行；所述攪拌器控制子單元與所述攪拌器19連接，用于控制所述攪拌器19的運行。本實施例的海水重金屬實時檢測系統采用高亮度高穩定LED光源，經干涉窄帶濾波片濾波后，將光束會聚耦合進光纖耦合器，此光纖耦合器的輸出端分別連接裝有襯底標準液的校準樣品池和裝有待測海水樣品的待測樣品池；光纖中傳導的光強信號出射后，經此兩種樣品池溶液的吸收，透射光再經另一個光纖耦合器將光信號送至探測器。此時，校準樣品池所在支路為校準光路，待測樣品池所在光路為海水樣品檢測光路。兩條光路經通斷器兩次分時工作，依據朗伯-比爾定律，通過對光電探測器檢測到的信號(強度信號)的分析，就可得到海水樣品中待測重金屬離子的濃度。實施例2
本實施例中，以測定鋅離子濃度為例，當采用實施例1所述的海水重金屬實時檢測系統時，具體操作方法如下
本實施例中，控制及數據處理單元20的核心芯片采用stm32ARM處理器；濾波片采用 535 nm窄帶濾光片，光源通過535 nm窄帶濾光片后輸出光譜特性如圖2所示。一、配制標準使用液
(1)雙硫腙-四氯化碳使用溶液(透過率/=50%)
稱取100 mg高純雙硫腙(C6H5N :NCSNHNHC6H5)，將其溶于250mL四氯化碳溶液中，充分攪拌，再經塞有脫脂棉的分液漏斗將有機相濾入棕色試劑瓶中(棄去初流液5 mL)；加入鹽酸羥胺的硫酸溶液(10 mL鹽酸羥胺溶液和10 mL硫酸溶液的混合液)，覆于有機相液面上， 置于冰箱中保存備用。取雙硫腙貯備液20 mL,并加入四氯化碳溶液稀釋至一定體積，通常為200 mL ；以四氯化碳溶液為參比液調零點，在1 cm測定池中采用535 nm波長測定其吸光度(透光率約為 r=50%)o(2)乙酸-乙酸鈉緩沖溶液
稱取136 g乙酸鈉(CH3O)2NadH2O)放入500 mL燒杯中，用400 mL水溶解，加入60 mL 冰乙酸(CH3CO2H,密度P =1.05 g/mL)，混勻，移入500 mL錐形分液漏斗中；反復用10 mL雙硫腙-四氯化碳使用溶液(透光率r=50%)萃取，直至四氯化碳層保持綠色為止；加入20 mL 四氯化碳溶液洗除水溶液中殘留的雙硫腙，棄去有機相，加水稀釋至500 mL，貯存于聚乙烯瓶中。(3)硫代硫酸鈉溶液(濃度為50 g/L)
稱取25 g硫代硫酸鈉(Na2S2O3 · 5H20，優級純)于500 mL燒杯中，加水溶解并稀釋至 500 mL，貯存于試劑瓶中。二、測繪標準曲線
第一步取6支250 mL錐形分液漏斗，各加入100 mL去離子水； 第二步分別移入0、1. 00,2. 00,3. 00,4. 00,5. 00 mL鋅標準溶液，混勻； 第三步分別移入5. 0 mL乙酸-乙酸鈉緩沖溶液，混勻； 第四步分別移入0. 5 mL硫代硫酸鈉溶液，混勻；
第五步分別移入10.0 mL雙硫腙-四氯化碳使用溶液，強烈振蕩4分鐘，靜置分層； 第六步用濾紙(先經1+1硝酸溶液浸泡約10小時，再用去離子水洗凈并晾干)吸干分液漏斗管頸內壁水分，并塞入濾紙卷，將有機相放入1 cm校準樣品池中，在535 nm波長處測定吸光度^ (標準空白)和為，可得到鋅離子標準濃度反應體系在535 nm的吸光度。以吸光度^為縱坐標，相應的鋅離子濃度數為橫坐標，繪制標準曲線，得到吸光度與重金屬離子濃度的對應關系。三、將測試的標準曲線數據寫入核心芯片stm32ARM處理器的只讀內存ROM。四、現場測試
(1)測試襯底校準溶液(雙硫腙-四氯化碳使用溶液)的吸光度；
(2)海水樣品測試
通過蠕動泵在系統樣品池中精確泵取液量100 mL去離子水、IOOmL海水水樣，分別移入250 mL比色皿連接容器中，分別泵入5 mL乙酸-乙酸鈉緩沖溶液、0. 5 mL硫代硫酸鈉溶液和10. 0 mL雙硫腙-四氯化碳使用溶液，強烈攪拌4分鐘，使溶液有機相分層，進入石英比色皿中。測定水樣吸光度紀。(3)數據處理
將測得的樣品吸光度紀數據值，通過系統的控制及數據處理單元集成的標準曲線或線性回歸方程計算模塊求得海水中的鋅離子濃度數值。具體計算方法如下 (a)雙光纖光路光強校正
雙光纖光路分光光度系統，不可能做到參比光路與待測樣品光路空白光強完全相同。 因此，如果需要得到待測物質的吸光度，就必須對雙光纖光路的光強信號進行校正，也就是在光源穩定情況下，尋找兩光路之間光強比例關系，進而計算樣品池入射光強的大小表征。 本實施例中，每間隔30秒重復記錄10次兩光纖光路電壓信號的數據如表1所示。
表 權利要求
1.一種海水重金屬實時檢測系統，其特征在于，所述系統包括光源(1)、第一光纖耦合器(4)、校準樣品池(5)、待測樣品池(6)、第二光纖耦合器(7)、光電探測器(8)和控制及數據處理單元(20)；所述光源(1)通過濾光片(2)、會聚透鏡(3)連接所述第一光纖耦合器(4)的輸入端； 所述第一光纖耦合器(4)的輸出端分別通過所述校準樣品池(5)和待測樣品池(6)連接所述第二光纖耦合器(7)的輸入端，所述校準樣品池(5)內裝有襯底標準液，所述待測樣品池 (6)內裝有待測海水樣品；所述光電探測器(8)接收所述第二光纖耦合器(7)的輸出端光信號，并將所述光信號轉換為電信號送入所述控制及數據處理單元(20)；所述控制及數據處理單元(20)根據所述電信號獲取所述待測海水樣品中待測重金屬離子的濃度。
2.根據權利要求1所述的海水重金屬實時檢測系統，其特征在于，所述待測樣品池(6) 為上下兩層一體結構，包括石英容器(61)和石英比色皿(62)，海水(9)、緩沖溶液(11)、改性劑(13)和顯色劑(15)分別通過四個蠕動泵送入所述石英容器(61)，所述石英比色皿 (62)通過蠕動泵輸出廢液(17)。
3.根據權利要求2所述的海水重金屬實時檢測系統，其特征在于，所述蠕動泵為12V 直流固定轉速蠕動泵。
4.根據權利要求2所述的海水重金屬實時檢測系統，其特征在于，所述石英容器(61) 容積為1000 mL、上蓋打孔分別供進樣和攪拌器(19)使用；石英比色皿(62)為1 cm、5 mL 石英比色皿且帶有出液口。
5.根據權利要求1所述的海水重金屬實時檢測系統，其特征在于，所述光源(1)為高亮度高穩定食人魚嘴形LED。
6.根據權利要求1所述的海水重金屬實時檢測系統，其特征在于，所述濾光片(2)為干涉窄帶濾光片。
7.根據權利要求1所述的海水重金屬實時檢測系統，其特征在于，所述第一光纖耦合器(4)和第二光纖耦合器(7)為石英多模多芯光纖。
8.根據權利要求1所述的海水重金屬實時檢測系統，其特征在于，所述光電探測器(8) 為硅光電池。
9.根據權利要求2至8任一項所述的海水重金屬實時檢測系統，其特征在于，所述控制及數據處理單元(20)包括接收子單元、存儲子單元和比較子單元；所述接收子單元，用于接收所述光電探測器(8)發送的電信號，并根據所述電信號獲取待測海水樣品的吸光度；所述存儲子單元，用于存儲吸光度與重金屬離子的濃度的對應關系；所述比較子單元，用于將所述接收子單元獲取的待測海水樣品的吸光度與所述存儲子單元存儲的吸光度與重金屬離子的濃度的對應關系進行比較，得出所述待測海水樣品中待測重金屬離子的濃度。
10.根據權利要求9所述的海水重金屬實時檢測系統，其特征在于，所述控制及數據處理單元(20)還包括供電控制子單元、蠕動泵控制子單元和攪拌器控制子單元；所述供電控制子單元與所述光源(1)連接，用于控制所述光源(1)的穩流供電；所述蠕動泵控制子單元分別與多路蠕動泵連接，用于控制所述多路蠕動泵的運行；所述攪拌器控制子單元與所述攪拌器(19 )連接，用于控制所述攪拌器(19 )的運行。
全文摘要
本發明公開了一種海水重金屬實時檢測系統，包括光源、第一光纖耦合器、校準樣品池、待測樣品池、第二光纖耦合器、光電探測器和控制及數據處理單元；所述光源通過濾光片、會聚透鏡連接所述第一光纖耦合器的輸入端；所述第一光纖耦合器的輸出端分別通過所述校準樣品池和待測樣品池連接所述第二光纖耦合器的輸入端；所述光電探測器接收所述第二光纖耦合器的輸出端光信號，并將所述光信號轉換為電信號；所述控制及數據處理單元根據所述電信號獲取所述待測海水樣品中待測重金屬離子的濃度。本發明結構簡潔，可操作性強，光學系統易于集成，光路穩定性好，成本低，可有效的實現海水重金屬在線檢測，及時把握海洋水體重金屬含量狀況。
文檔編號G01N21/31GK102539358SQ20111045493
公開日2012年7月4日 申請日期2011年12月31日 優先權日2011年12月31日
發明者付興虎, 付廣偉, 畢衛紅, 王鎖明 申請人:燕山大學