基于智能终端的比率型光度分析装置及其检测方法与流程

本发明涉及一种基于智能终端的比率型光度分析装置及其检测方法。

背景技术：

光谱分析仪作为一种光分析仪器被广泛的应用于各种分析检测中，但是其价格较为昂贵，抬升了实际应用中的检测成本，而且这些设备大多体积庞大，对运行环境要求高，通常在专业检测机构和实验室使用，不利于户外采样及生产车间等非实验室环境的现场快速便携检测，因此研发一种结构简单，成本低廉，准确度较高，小型化便于携带，可用于现场快速检测的光度分析装置很有必要。

近年来，智能终端例如智能手机技术发展迅速，智能终端的功能日趋强大，现在的智能终端已经配置高性能的中央处理器，高速网络传输系统，大容量的数据存储器，高清像素的摄像头以及各种内置的应用软件。这些配置使智能手机除了其最基本的通信功能外，更像一台掌上计算机。在分析检测领域，使用智能手机在信号采集、处理、传输、控制等方面的应用备受关注。

目前基于智能终端的光学检测装置很多，例如孔继烈和鲍军波提出了《一种光度检测方法和系统》(中国专利，公开号为cn106198418a)，提出采用智能手机扫描待测样品和标准样品的标签，活动待测样品的标准样品的种类，显示对应的光度检测操作方法，用智能手机对经过处理后的待测样品和标准样品进行图像扫描，然后根据采集的头像换算成光谱波长和光强度，通过分析、计算和处理，显示检测结果，并生成检测报告。

但以上述专利为代表的技术，其得到的检测结果与其它基于智能手机作为光学检测器的方法一样，都假定所用的光源足够稳定，而且使用过程中，手机装置的安装位置和拍摄参数能够保持完全一致，这在实际应用中很难实现。因为即使是实验室环境中的商品化光度计，也通常需要对仪器进行预热15～30分钟待稳定后才进行测定。而基于智能手机的光度测量装置，通常都使用简易的光源，如激光棒、高强度led手电，或手机自带照明灯等，采用电池供电，以便于发挥便携的优势。在进行室外现场时，激发光源预热时间不宜过长，否则将延长分析测定时间，也浪费电池容量，且随着电池容量的下降，激发光源的强度也随之降低。

另外，在光学检测装置中，智能手机的手机基本通话功能应当予以保留，虽然固定在测量装置上的手机也可以用于打电话，但毕竟不方便使用，即智能手机应该是装置中可拆卸的部件，在非测定时间仍然是随身携带的通讯工具。

众所周知，光学测量装置的测定结果受位置变化的影响较大，尤其是成像设备。当用智能手机的内置相机作为光学检测器时，首先需保持手机在取下后重新放置的物理位置一致性，这是很有难度的要求，因为智能手机不便采用螺钉类的机械固定方法。

另一方面，为了保持测定过程中手机内置相机的焦距、感光灵敏度、曝光时间等参数的一致性，通常将关闭相机的自动调节功能，而采用手动调节模式。这样在手机重新安防固定后甚至关机后再开机，都难以保证相机对相同的光学信号拍摄出相同的图像，这样势必会造成光度分析的测量误差。

当在室外使用时，环境温度随时间变化明显，势必造成电池电压与功率的变化，光源工作条件的改变将影响其的强度，而温度变化对测量体系本身的影响也是多方面的。

由此可见，如果采用智能手机采集的图像的光强度为分析信号，这种测量模式易受到环境因素的干扰，有可能产生较大的测量误差，影响测定数据的准确性，这是基于智能手机的简易光度测量装置在实际应用中亟待解决的问题。

技术实现要素：

本发明为了解决上述问题，提出了一种基于智能终端的比率型光度分析装置及其检测方法，本发明利用智能终端同时拍摄特意设计的连排双光度测量池(带反射膜增强信号)中样品溶液和参比溶液所在区域的光学图像，通过app软件测定其中的红、绿、蓝(rgb)三原色的平均亮度，计算样品溶液区与参比溶液去的亮度比，根据溶液光谱在rgb对应光区的分布，以其中某个原色的亮度比，或总亮度比、rgb的不同组合的亮度比，作为分析信号进行分析测定，当出现光源强度波动、环境温度变化、手机位置与相机拍摄参数改变时，它们对样品溶液和参比溶液的光学图像强度的影响是相同的，因此可以大幅度抑制乃至消除这些因素改变对拍摄图像强度的影响，提高简易智能终端测定装置测定结果的准确度。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于智能终端的比率型光度分析装置，包括智能终端和光学辅助装置，所述光学辅助装置包括避光暗盒，避光暗盒内设置有特制的带反射膜增强光信号的连排双光度测量池，置于所述连排双光度测量池中的样品溶液和参比溶液同时接收光源发出的光，两个采光区所产生的光学图像信号依次经过滤光机构、聚光机构后被智能终端采集，测定所得样品、参比溶液图像中的红、绿和蓝三原色的平均亮度，计算某单一原色亮度比，或总亮度比、或rgb的不同组合的亮度比，作为分析信号进行分析测定，实现光度分析，消除光源强度、环境温度、手机位置、相机拍摄参数变化所造成的影响，提高简易智能终端测定装置测定结果的准确度。

进一步的，所述智能终端包括但不限于手机、平板或笔记本等带有摄像头的智能设备。

进一步的，所述连排双光度测量池通过固定架固定于避光暗盒内。

进一步的，所述连排双光度测量池包括两个独立且尺寸相同的检测池，且两个检测池均设计为三面透光，一面带反射膜以增强光信号强度，且两检测池之间设置有光学透明隔板。

进一步的，所述光源为激光光源。可以利用激光棒或365nm紫外手电筒。

进一步的，双检测池测光区中心、聚光镜头中心和移动终端的摄像头中心三者准直。

进一步的，激发光源发射光束垂直照射连排双光度测量池的中心，与测量池之间具有间距。

进一步的，将样品池、参比池溶液的荧光图像聚焦在智能终端所配置的相机焦面上。

进一步的，针对不同的分析测定体系，根据测定需要设置不同类型的激发光源与滤光机构。

进一步的，所述智能终端配置有图像处理软件。

基于上述分析装置的工作方法，具体步骤如下：

(1)将待测样品溶液和参比溶液分别加入到连排双光度测量池左右检测池中，关闭避光暗盒；

(2)打开光源，使样品溶液和参比溶液出现荧光、或共振光散射，或浊度、或颜色四种之一光度信号，在垂直光束的侧面聚光成像；

(3)开启摄像头，调节拍摄参数、曝光时间、感光元件iso值和固定拍摄焦距对检测图像进行采集，存储于智能终端的内置存储中；

(4)导入所保存的图像，用参比采样框、试样采样框锁定图像中的参比、试样的光学图像，分别计算所选定取样框内参比、试样两个通道中红、绿和蓝三原色的平均亮度，以及它们的比值；或不同比例组合亮度的比值；

(5)更换样品池中的待测溶液，重复步骤(1)-步骤(4)检测操作；

(6)根据三标准校正法，采用rgb三原色中的单个分量或组合分量的比值，拟合出校准方程，计算出亮度比为设定值时所对应的样品溶液待测物的准确浓度，并显示到应用界面上。

所述步骤(5)中，所测溶液的顺序依次为标准曲线溶液、待测未知样品溶液。

所述步骤(6)中，设定值为理论值或考虑串联池的光强损耗时的修正值。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明通过简易的光学辅助装置和智能终端就能完成集光谱图像采集、图像分析、数据处理以及结果显示于一体，将检测模块集成化，操作简单，准确度较高，且利于户外采样及生产车间等非实验室环境的现场快速便携检测，具有很高的灵活性；

本发明光度分析装置使用特制的连排双光度测量池作为检测池，以样品和参比检测池两个采光区的光学图像的平均亮度(或r、g、b及不同比例组合亮度)比值为测量信号，大大降低了因激发光源强度、环境温度、曝光条件、溶液条件等因素变化所带来的测量误差，提高了简易光度测量装置的测量准确度和可靠性。

本发明光度分析装置使用避光暗盒和遮光板调节光路，提供黑暗环境，避免了外界环境光对图片成像时的干扰，提高了检测可靠性。

本发明光度分析装置使用激光光源或紫外光束为激发光源，能够提供强激发能量，增强检测信号，使用滤光片过滤杂散光干扰，聚光镜头聚集发射光能够提高检测灵敏度。

整个设备装置小巧便携、成本低廉、能耗低，不需要依靠市电独立供电，适用于野外和现场快速检测。

本发明光度分析装置及检测方法应用广泛，除可进行荧光分析外，还可用于浊度、共振光散射、以及可视化比色的定量分析等。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1是本发明的原理结构框图。

图2是本发明的硬件原理结构图。

图3是本发明的手机图像分析软件的运行框图。

图4是本发明实例中cu²⁺标准曲线及相应检测图像(负片)。

图5(a)-(d)是本发明实例中激发光源强度、溶液温度、曝光时间、ccd感光灵敏度变化对荧光亮度及亮度比的影响。

其中：1、智能手机，2、外设光学检测模块，3、图像处理分析模块；

2-1、避光暗盒，2-2、遮光板，2-3连排双光度测量池及其固定架，2-4、滤光片，2-5聚光镜头及其固定夹具，2-6、激发光源，2-7、移动电源。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

在本发明中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本发明各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本发明中任一部件或元件，不能理解为对本发明的限制。

本发明中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本发明中的具体含义，不能理解为对本发明的限制。

以智能手机为例，进行详细说明。

分析测量装置主要由智能手机(1)，外设光学检测模块(2)及安装在智能手机上的图像处理分析模块(3)组成。外设光学检测模块(2)集成在避光暗盒(2-1)中，包括减少杂散光的遮光板(2-2)，带反射膜的连排双光度测量池及其固定架(2-3)，滤光片(2-4)，聚光镜头及其固定夹具(2-5)，简易激发光源(2-6)，移动电源(2-7)。外设光学检测模块中以激光棒或365nm紫外手电筒作为激发光源，连排双光度测量池由石英或玻璃制成，分为左右两个相同的检测池，全池尺寸为12×12×4.5mm，中间有厚度为1mm光学透明隔板，单池的光程为4.5mm，背对摄像头的池壁外围镀有或粘贴反射膜以增强光信号，容积为2ml。激发光源发射光束垂直照射连排双光度测量池的中心，与测量池之间相距10mm。测量池外靠手机一侧在测光区安置遮光片去除测量池壁的图像,对面外贴反光膜以增强光信号。双池测光区中心，聚光镜头中心，摄像头中心三者准直，将样品池、参比池溶液的荧光图像聚焦在智能手机所配置的相机焦面上。比色池与相机镜头之间的距离为10mm。针对不同的分析测定体系，可根据测定需要更换或者选装不同类型的激发光源与滤光镜。

当然，在其他实施例中，可以更改上述提供的参数。

使用本发明的装置进行分析检测的具体步骤如下：

(1)将待测样品溶液和参比溶液分别加入到连排双光度测量池左右检测池中，然后将该比色皿放置在测试架上，关闭避光暗盒。

(2)打开光源，使样品溶液和参比溶液出现荧光、或共振光散射，或浊度、或颜色四种之一光度信号，在垂直光束的侧面聚光成像。

(3)打开智能手机摄像头，调节拍摄参数，曝光时间，感光元件iso值，固定拍摄焦距对检测图像进行采集，存储于智能手机的内置存储中。

(4)打开智能手机里的图像处理软件，导入所保存的图像，用参比采样框、试样采样框锁定图像中的参比、试样的光学图像，分别计算所选定取样框内参比、试样两个通道中红、绿、蓝(rgb)三原色的平均亮度，以及它们的比值，或不同比例组合的比值，即

式中，和r分别代表所选取样框内的平均亮度及样品和参比溶液的亮度比，下标r,g,b分别代表红、绿、蓝三原色，下标s,0分别代表试样和参比，rt为组合强度比，α，β，γ为比例系数，取决于待测物溶液的光谱在rgb光区中的分布以及分析测量要求。将计算所得的10个参数数值保存在指定文件中。

(5)更换样品池中的待测溶液，重复上述检测操作。所测溶液的顺序依次为，标准曲线溶液，待测未知样品溶液。

(6)智能手机图像处理软件会根据三标准校正法，采用rgb三原色中的单个分量或组合分量的比值，拟合出校准方程，计算出亮度比为1(理论值)或某个特定值(考虑串联池的光强损耗进行修正)时所对应的样品溶液待测物的准确浓度，并显示到应用界面上。

作为一种典型的实施方式，具体工作过程包括：

(1)本实例中外设光学检测模块中避光暗盒的尺寸为120×80×60mm，其材料为黑色塑料。激发光源发射波长为365nm。连排双光度测量池所用材料为石英，也可以使用玻璃材质，尺寸为5×12.5×4.5mm，背对镜头的池壁外镀有或粘贴反射膜以增强光信号，单池光程4.5mm，溶液体积为2ml。本实例所使用的智能手机型号为华为荣耀六，后置摄像头为1300万像素。使用时先将激发光源打开，进行装置初检，观察光源是否工作正常，外部光学检测设施是否漏光。

(2)铜标准曲线的制作：碳量子点由柠檬酸铵在150℃热分解而成，并超声分散于ph＝6.0的磷酸盐缓冲溶液中，获得浓度为0.07mg/ml的碳量子点溶液，在紫外光的激发下，其发射波长为450nm的蓝色荧光，铜离子对该碳量子点的荧光有猝灭作用，因此可根据碳量子点的荧光强度下降值测定铜离子的浓度。测定时先用浓度为1μmol/l铜标准溶液为母液配制0～200nmol/l浓度系列的铜离子标准液，在塑料离心管中加入上述碳量子点溶液1ml，然后加入等体积的铜标准溶液1ml,混合均匀后，将待测溶液置于样品池中，参比池中加入荧光强度居中的碳量子点+铜离子标准溶液，在固定曝光时间和ccd感光灵敏度(iso)的条件下，拍摄荧光图像，用app软件计算样品与参比溶液所对应荧光图像区域的平均亮度，以及其比值，结果如图4所示。

(3)环境水中铜离子的检测：在选定的采样点，通过智能手机的定位功能，确定取样点的位置，并通过手机传感器记录其气温，根据分析目的，按照采样规范采集水样。取部分待测水样，用滤膜过滤去除悬浮物备用。测定时，取浓度为0.07mg/ml的碳量子点溶液1ml于塑料离心管中，与等体积的待测水样混合均匀后，加入到测量池中，先测定该溶液的荧光强度，根据存储在手机中的荧光亮度与铜离子之间的关系曲线，确定该试液中铜离子的大致浓度cx，然后配制浓度为c1≈0.9cx，c2≈cx，c3≈1.1cx三个铜离子标准溶液，各取1ml并与等体积0.07mg/ml的碳量子点溶液混合均匀，分别加入到参比池中，调整曝光时间或iso使试样荧光图像的蓝光分量的平均值在140～160之间，然后在固定曝光时间和iso的条件下，拍摄cx→c1，cx→c2，cx→c3的三组荧光图像，用app软件计算样品与参比溶液所对应荧光图像区域的平均亮度，以及其比值r1，r2和r3，以r1，r2和r3对c1，c2，c3做线性回归分析，根据回归方程，计算出r＝1(或修正值)所对应的浓度，即为待测水样中铜离子的准确浓度。

(4)更换采样地点，进行另外的水样分析。根据需要，可及时用手机上传测定结果，并取样回实验室进行其它分析测定。

(5)本发明所提出的分析装置和测定方法，旨在消除环境因素以及激发光源强度变化对测定结果的不利影响。在实际样品分析中，采用三标准法进行定量分析，使用与待测样品中待测物浓度相近的三个标准溶液，使亮度比大约在0.9～1.1之间变化，在很窄的范围内保证了回归曲线的良好线性关系，提高测定准确度。另外，样品与参比溶液的荧光强度相近，外界因素影响程度相近，从而相互抵消。当样品与参比溶液的荧光强度相等时，虽然人为地改变激光光源的供电电压(图5a)、溶液的温度(图5b)、采集图像的曝光时间(图5c)和iso值(图5d),样品溶液图像的蓝光分量的平均值有明显的变化，但其与参比溶液图像的强度比值rb基本不变并接近1，即这些参数的变化对参比和样品溶液的影响是相同的，因此可以用本发明所用的比率测定方法加以抑制乃至消除，大幅度地提高测定结果的准确度以及光度分析装置的可靠性。本发明通过简易的光学辅助装置和智能终端就能完成集光谱图像采集、图像分析、数据处理以及结果显示于一体，将检测模块集成化，操作简单，准确度较高，且利于户外采样及生产车间等非实验室环境的现场快速便携检测。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。