饮用水中痕量锰浓度检测方法及用于该方法的波导的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种饮用水中痕量锰浓度检测方法及用于该方法的波导。
【背景技术】
[0002] 猛是人体及动植物所必需的微量元素之一，但摄入过量的猛则会对机体产生不良 作用。锰可通过水和食物进入人体，在肝、肾、脑等器官组织富集，并对人的呼吸、神经和生 殖系统产生不同程度的损害。
[0003] 因此，对水中锰含量的检测，对于保证人体健康具有重要的意义。
[0004] 目前检测水中锰含量的常用方法有以下几种：原子吸收法，可直接用于水中锰的 测定，由于该方法具有抗干扰、灵敏度较高、准确性好等特点，已在环保、沿金医药等行业中 广泛应用，但其测定过程技术要求较高，所用仪器需要有锰的试样溶液的雾化装置，检测成 本较高。甲醛肟法应用较广，在国际上已成为标准的分析方法之一。但是甲醛肟法所用的 试剂不便于保存。高碘酸钾氧化法选择性较好，经常被采用，但灵敏度较低，无法使用于饮 用水中痕量锰浓度的检测。
【发明内容】
[0005] 本发明的发明目的在于提供一种饮用水中痕量锰浓度检测方法及用于该方法的 波导，对饮用水中痕量锰浓度检测效果好，检测成本低，操作方便。
[0006] 本发明基于同一发明构思，具有两个独立技术方案：
[0007] 1、一种饮用水中痕量锰浓度检测方法，其特征在于：
[0008] 利用强氧化剂将饮用水中的锰离子氧化成紫红色的离子离子，作为样品备 用；
[0009] 利用蠕动栗将上述样品输出波导的样品室；
[0010] 用激光照射波导的表面，用C⑶接收反射光，通过C⑶探测黑线中心处的灰度，计 算获得痕量锰浓度。
[0011] 用波长为532nm的激光照射波导的表面，激光的发散角小于0· 3mrad〇
[0012] 利用强氧化剂将饮用水中的锰离子氧化成紫红色的离子离子时，需去除饮 用水中的还原物质及氯离子，利用H3POgI色的掩蔽饮用水中的Fe 3+。
[0013] 强氧化剂为高碘酸钾或过硫酸铵。
[0014] 2、一种上述饮用水中痕量锰浓度检测方法的波导，其特征在于：平板玻璃、玻璃垫 圈、玻璃衬底由上至下组装在一起；平板玻璃的上表面沉积有上层金属膜，玻璃衬底的上表 面沉积有下层金属膜；玻璃垫圈开有样品入口和样品出口，玻璃垫圈内的空间即为样品室。
[0015] 上层金属膜的材料为银，上层金属膜的厚度为35nm。
[0016] 平板玻璃的材料为光学玻璃，其厚度为300 μ m。
[0017] 玻璃垫圈的材料为光学玻璃，其厚度约为500 μ m。
[0018] 下层金属膜的材料为银，其厚度约为200nm。
[0019] 玻璃衬底的材料为光学玻璃，其厚度为1000 μ m。
[0020] 本发明具有的有益效果：
[0021] 本发明利用强氧化剂将饮用水中的锰离子氧化成紫红色的离子作为样品， 利用蠕动栗将上述样品输出波导的样品室；用激光照射波导的表面，用CCD接收反射光，通 过CCD探测黑线中心处的灰度，计算获得痕量锰浓度。本发明用波长为532nm的激光照射 波导的表面，由于超高阶导模的激发，反射光中将出现因衰减全反射（ATR)而出现的吸收 黑线。由于ATR吸收峰的极小值1?_与样品的消光系数κ密切相关，而κ的大小正比于 样品的浓度，因此，可通过CCD探测黑线中心处的灰度（R_)，计算可得痕量锰浓度。本发明 用波导作为样品室和共振腔，具有高功率密度和高品质因子（Q值），检测具有高灵敏度，检 测效果好，且仪器结构简单，检测成本低、便于携带、操作方便、便与推广。
[0022] 本发明波导由平板玻璃、玻璃垫圈、玻璃衬底由上至下组装在一起；平板玻璃的上 表面沉积有上层金属膜，玻璃衬底的上表面沉积有下层金属膜；玻璃垫圈开有样品入口和 样品出口，玻璃垫圈内的空间即为样品室。上层金属膜的材料为银，上层金属膜的厚度为 35nm。平板玻璃的材料为光学玻璃，其厚度为300 μ m。玻璃垫圈的材料为光学玻璃，其厚度 约为500 μ m。下层金属膜的材料为银，其厚度约为200nm。玻璃衬底的材料为光学玻璃，其 厚度为1000 μm。本发明波导结构的设计、参数的选择，能够保证具有最佳的检测效果。
【附图说明】
[0023] 图1为本发明波导的装配示意图；
[0024] 图2为水中痕量锰浓度(XD检测示意图。
【具体实施方式】
[0025] 如图1所示，平板玻璃1、玻璃垫圈2、玻璃衬底3由上至下组装在一起；平板玻璃 1的上表面沉积有上层金属膜，玻璃衬底3的上表面沉积有下层金属膜4 ;玻璃垫圈2开有 样品入口 5和样品出口 6,玻璃垫圈2内的空间即为样品室。上层金属膜的材料为银，上层 金属膜的厚度为35nm。平板玻璃1的材料为光学玻璃，其厚度为300 μ m。玻璃垫圈2的材 料为光学玻璃，其厚度约为500 μ m。下层金属膜4的材料为银，其厚度约为200nm。玻璃衬 底3的材料为光学玻璃，其厚度为1000 μ m。
[0026] 检测时，首先，利用显色盒中的比色皿加入合锰的饮用水，在磷酸溶液（浓度为 2. 3mol/L)中，加入高碘酸钾与锰发生灵敏的显色反应，生成紫红色高锰酸盐，即将饮用水 中的锰离子氧化成紫红色的MnO丨离子，作为样品备用；显色过程中还原性物质及氯离子 会干扰显色，必须事先除去，Fe3+会使溶液呈黄色，利用H #04红色的掩蔽饮用水中的Fe 3+。
[0027] 利用蠕动栗将上述样品输出波导的样品室；
[0028] 用波长为532nm的激光照射波导的表面，激光的发散角小于0· 3mrad。反射光由 CCD探测元件接收，因激光具有纳米量级的线宽和发散角，通过预先设计，在入射角附近能 确保激发一个超高阶导模，由于超高阶导模的激发，反射光中将出现因衰减全反射（ATR) 而出现的吸收黑线。
[0029] ATR吸收峰的极小值1?_由下式给出：
[0030]
[0031] 其中，Ιπι(β ° )表示本征损耗，本征损耗与样品的消光系数κ密切相关， Ιηι(Δ β lO表示福射损耗。β ° = kQnQsin Θ为导模传播常数，而k。= 2 π / λ为空气中的传 播常数，η。为空气折射率，Θ为入射角。当本征损耗等于福射损耗Ιηι(β° ) = Im(A β lO 时，有R_= 〇。R_= 〇也是实验的初始条件（样品为水溶液，锰的浓度为零）。溶液中锰 的浓度增加时，由于消光系数κ的大小正比于样品的浓度，引起本征损耗Ιπι(β° )的增 加，从而使R_变大。因此，可通过C⑶探测黑线中心处的灰度R_，计算可得痕量锰浓度， Rmin变化的标尺可通过标准溶液的测量确定。
[0032] 假设入射激光的波长λ = 532nm，上层金属膜的介电系数ε丨=-10. 5+iO. 8,厚度 Ii1= 35nm，平板玻璃的折射率n 2= L 50,厚度为h 2= 300 μ m，玻璃垫圈和样品室的厚度h 4=113= 500 4111，下层金属膜的介电系数￡5=￡1=-10.5+;[0.8，厚度115= 200111]1。初始样 品的折射率H3= 1. 3342,在不合锰情况下，样品折射率的虚部为0,是无色透明的液体。若 激光在波导表面的中心入射角定为θιη= 4.56°，则由计算可得如图2所示的衰减全反射 (ATR)曲线，ATR峰底的反射率R_~0。若是实验，则在反射光中显现一灰度最大的黑线。 随着锰浓度的增大，由于与显色剂的作用，颜色由浅变深，表明样品折射率的虚部（消光系 数O由0逐渐变大，C⑶探测到的黑线的灰度也由大变小〇?_由小变大）。若以1 %的反 射率变化作为CCD探测器的分辨率，则可探测到消光系数变化△ κ = 10 6。在实际的探测 中，已实现0. 1 μ g/L的检测分辨率。
【主权项】
1. 一种饮用水中痕量锰浓度检测方法，其特征在于： 利用强氧化剂将饮用水中的锰离子氧化成紫红色的离子，作为样品备用； 利用蠕动栗将上述样品输出波导的样品室； 用激光照射波导的表面，用CCD接收反射光，通过CCD探测黑线中心处的灰度，计算获 得痕量锰浓度。2. 根据权利要求1所述的饮用水中痕量锰浓度检测方法，其特征在于：用波长为532nm 的激光照射波导的表面，激光的发散角小于0. 3mrad。3. 根据权利要求2所述的饮用水中痕量锰浓度检测方法，其特征在于：利用强氧化剂 将饮用水中的锰离子氧化成紫红色的离子离子时，需去除饮用水中的还原物质及氯 离子，利用H3pOjI色的掩蔽饮用水中的Fe3+。4. 根据权利要求1-3任何一项所述的饮用水中痕量锰浓度检测方法，其特征在于：强 氧化剂为高碘酸钾或过硫酸铵。5. -种用于权利要求1所述方法的波导，其特征在于：平板玻璃、玻璃垫圈、玻璃衬底 由上至下组装在一起；平板玻璃的上表面沉积有上层金属膜，玻璃衬底的上表面沉积有下 层金属膜；玻璃垫圈开有样品入口和样品出口，玻璃垫圈内的空间即为样品室。6. 根据权利要求5所述的波导，其特征在于：上层金属膜的材料为银，上层金属膜的厚 度为35nm。7. 根据权利要求7所述的波导，其特征在于：玻璃垫圈的材料为光学玻璃，其厚度约为 500um〇8. 根据权利要求6所述的波导，其特征在于：玻璃垫圈的材料为光学玻璃，其厚度约为 500um〇9. 根据权利要求7所述的波导，其特征在于：下层金属膜的材料为银，其厚度约为 200nm〇10. 根据权利要求8所述的波导，其特征在于：玻璃衬底的材料为光学玻璃，其厚度为 1000Um〇
【专利摘要】本发明涉及一种饮用水中痕量锰浓度检测方法及用于该方法的波导，利用强氧化剂将饮用水中的锰离子氧化成紫红色的离子，作为样品备用；利用蠕动泵将上述样品输出波导的样品室；用激光照射波导的表面，用CCD接收反射光，通过CCD探测黑线中心处的灰度，计算获得痕量锰浓度；平板玻璃、玻璃垫圈、玻璃衬底由上至下组装在一起构成波导；平板玻璃的上表面沉积有上层金属膜，玻璃衬底的上表面沉积有下层金属膜；玻璃垫圈开有样品入口和样品出口，玻璃垫圈内的空间即为样品室。<pb pnum="1" />
【IPC分类】G01N21/552, G01N21/03
【公开号】CN105044042
【申请号】CN201510235554
【发明人】冉茂武, 曹庄琪, 宋谋胜, 樊丽娟, 张 杰
【申请人】铜仁学院
【公开日】2015年11月11日
【申请日】2015年5月8日