一种土壤或水体中重金属铅污染的快速检测装置及方法
一种土壤或水体中重金属铅污染的快速检测装置及方法
【专利摘要】本发明公开了重金属检测【技术领域】的一种土壤或水体中重金属铅污染的快速检测装置及方法。该装置具体包括黑盒模块、微机模块、电源模块和显示模块，其中，黑盒模块、显示模块、电源模块分别与微机模块相连接；所述黑盒模块包括黑盒、固定黑盒凹槽、光源、滤光片、滤光片架、比色皿、凹槽和光电检测芯片，所述比色皿放置于黑盒中部，所述光源、滤光片放置于黑盒左侧，所述光电检测芯片相应于光源位置放置于黑盒右侧；利用待测的比色溶液的可见光和近红外透射光谱反演土壤或水环境中重金属铅的含量。本发明有效实现了土壤或水环境中重金属铅污染的快速准确测量，为土壤或水环境检测提供充分依据。
【专利说明】一种土壤或水体中重金属铅污染的快速检测装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及重金属检测【技术领域】，特别涉及一种土壤或水体中重金属铅污染的快速检测装置及方法。
【背景技术】
[0002]重金属是指比重在5以上的金属，如铜、铅、锌、镍、镉、铬、汞、铋、锡、锑、铌、钥等。重金属在一般情况下达不到有害的程度，但随着社会进步，工业化程度的加深，进入土壤、大气和水的有毒有害重金属如铅、镉、汞、铬日益增长，超过正常范围则会引起重金属对环境污染，重金属随食品进入人体后，经食物链放大引起机体的慢性损伤，进入人体的重金属会经过长时间的积累，不易被发现，而后引发中毒性病症，危害人体健康。
[0003]土壤是从事农业生产的本源所在，也是人类生态、环境的重要组成部分。随着我国工业的快速发展，有毒有害重金属进入土壤，导致土壤环境恶化。河流、湖泊等的水质日益恶化，也致使重金属污染问题日益严重，在世界范围内已经是一个较为普遍问题。在重金属污染问题中铅污染是一种较为常见的污染。铅是一种具有神经毒性的重金属，在体内有蓄积作用，可损伤脑组织、造血器官和肾脏，主要中毒症状有胃肠炎、口腔金属味及齿龈金属线、头晕、失眠、贫血、便秘及腹痛，严重时可造成共济失调和瘫痪，还可导致胚胎发育迟缓和畸形。特别值得关注的是，铅可严重影响婴幼儿和少年儿童的生长发育和智力。目前铅中毒和铅污染已成为人们普遍关注的社会问题。
[0004]通过对土壤样品或水样品进行检测，可以直接反映土壤或水环境中重金属状况。基于现有技术中检测土壤或水环境中重金属的检测方法有光谱法、电化学分析法及其他新型方法等。
[0005]I光谱法
[0006]作为传统的重金属定量检测方法，光谱法主要有紫外可见分光光度法、原子吸收光谱法、原子荧光法、X射线荧光光谱法、质谱法等。光谱法虽然能以较高灵敏度对各种样品中的重金属离子含量进行有效分析，但大多分析方法成本高，需要大型仪器设备，且仪器较为昂贵。样品前处理过程中需要经过消解等操作专业，分析时间长，难用于土壤或水体重金属的现场快速检测。
[0007]2电化学分析法
[0008]电化学分析法是基于物质在溶液中和电极上的电化学性质建立起来的分析方法，主要有极谱法、电位分析法、电导分析法、伏安法等。电化学分析的测量信号是电量、电位、电流、电导等电信号，不需信号转化就能直接记录。其仪器装置与光谱分析仪器装置相比较，体型简单，体积较小，易于实现自动化，便于连续分析。在化学成分分析中，电化学分析方法是公认的准确、快速、灵敏的微量和痕量分析方法，但是该方法存在条件苛刻、易受离子干扰、测量结果重现性差等问题。
[0009]3其他新型方法
[0010]近年来，一些结合生物学的检测方法也被应用于重金属的检测研究中，主要有生物传感器法、酶抑制法、免疫分析法等。但目前技术还不成熟，特异性抗体的制备比较困难等问题，制约着该方法的应用。
[0011]现有的检测手段和方法有待于进一步研究、改进和提高，新的重金属检测手段值得探索。因此，目前本领域技术人员迫切需要发展出一种现场高效快速检测土壤或水环境中重金属铅并能够为土壤或水质检测断提供依据的便携式仪器。
【发明内容】
[0012]本发明的目的在于，提出一种土壤或水体中重金属铅污染的快速检测装置及方法，用以解决目前重金属检测【技术领域】研究中存在的问题。
[0013]为实现上述目的，本发明提出的技术方案是，一种土壤或水体中重金属铅污染的快速检测装置，其特征是所述快速检测装置包括:微机模块、黑盒模块、显示模块和电源模块；
[0014]其中，所述黑盒模块、显示模块、电源模块分别与所述微机模块相连接。
[0015]所述黑盒模块包括黑盒、固定黑盒凹槽(5)、光源、滤光片(2)、滤光片架(3)、比色皿(4)和光电检测芯片(6);所述黑盒固定于所述固定黑盒凹槽(5)中；所述黑盒左侧固定有波长一定的所述光源，相应于所述光源位置放置峰值为对应波长的所述滤光片(2)，所述滤光片放置于所述滤光片架(3)上，所述滤光片架(3)固定在所述黑盒左侧；所述黑盒右侧包括所述光电检测芯片(6)，所述光电检测芯片(6)相应于所述光源位置固定于所述黑盒右侧；所述比色皿(4)相应于所述滤光片(2)和光电检测芯片(6)位置，放置于所述黑盒中部。
[0016]所述微机模块包括微控制器、光源驱动单元、操作单元、信号放大调解单元、串口通讯单元；所述光源驱动单元、操作单元、信号放大调解单元、串口通讯单元分别与所述微控制器相连接；所述光源驱动单元连接于所述光源并由所述微控制器控制。
[0017]所述光源为固定特征波段的发光二极管(I)。
[0018]所述滤光片(2)的带宽10nm。
[0019]所述显示模块为液晶显示器(8)。
[0020]所述操作单元为键盘(9)。
[0021]一种土壤或水体中重金属铅污染的快速检测方法，其特征是所述方法包括下列步骤:
[0022]步骤1:预备实验中，采用化学方法配置多组不同浓度梯度的含铅溶液；
[0023]步骤2:采用双硫腙作为比色原料，在碱性条件下，在柠檬酸铵-盐酸羟胺的还原性介质中，铅和双硫腙生成可被氯仿萃取的红色双硫腙铅络合物，即待测比色溶液；
[0024]步骤3:采用紫外-可见光分光光度计采集待测比色溶液的光谱数据，筛选出铅元素的特征敏感波段，即选择发光二级管的波峰值范围，并选择土壤或水体中重金属铅的快速检测模型；
[0025]步骤4:采集步骤2中萃取的待测比色溶液的光谱数据，其中，采集光谱数据具体包括:
[0026]步骤41:将步骤2得到的待测比色溶液放置于比色皿中；
[0027]步骤42:通过光源驱动单元驱动发光二极管，光源通过滤光片得到固定波长的光谱；
[0028]步骤43:用步骤42得到的光谱照射比色皿中的待测比色溶液，并投射在光电检测芯片上;
[0029]步骤44:通过光电检测芯片采集光谱数据；
[0030]步骤5:根据步骤3中确定的最优模型构建一元线性回归检测模型y = Ax+B，其中X为采集得到的光谱数据，A、B为系数常量，y为土壤或水体中的铅含量；
[0031]步骤6:通过步骤I的铅含量和步骤4采集到的光谱数据，反演得到系数常量A，B的值，确定检测模型I = Ax+B ；
[0032]步骤7:采集被重金属铅污染的土样或水样，执行步骤2和步骤4采集得到光谱数据，将其代入检测模型I = Ax+B，得到铅含量y，并通过显示模块显示土壤或水体中的铅含量。
[0033]所述步骤3中筛选铅元素的特征敏感波段，并确定快速检测模型，具体包括:
[0034]步骤31:采用紫外-可见光分光光度计采集步骤2所获的待测比色溶液的光谱数据，其中光谱采集范围为全波段300-900nm，采样间隔lnm，采集点数600，通过数据处理软件对光谱数据进行处理，由相关系数法筛选出铅元素的特征敏感波段500-530nm，S卩，发光二极管的波峰值的范围为500-530nm ；
[0035]步骤32:采用数据平滑处理和基线校正的预处理方法处理步骤31所获的光谱数据，去除噪声干扰；
[0036]步骤33:在特征波段范围内，分别采用一元线性回归、多元线性回归、偏最小二乘法、主成分回归的建模方法对紫外-可见光波段的数据进行了处理，综合比较之后，选取其中的最优模型一元线性回归模型为土壤或水体中重金属铅的快速检测模型。
[0037]本发明实现了一种土壤或水体中重金属铅污染的快速检测装置及方法，其有益效果如下:
[0038]I本发明通过确定波长的发光二极管发光，检测光源照射比色溶液的透过光强，计算此波段的透过率比值。因为土壤或水环境中重金属铅的含量与其比色后溶液在某一特定波段的透过率间的关系可以根据检测方法中所确定模型得到，故通过对比色溶液的直接测量，获取土壤或水中重金属铅的含量。
[0039]2本发明不仅可以同时快速准确测量土壤或水环境中重金属铅的含量，为土壤或水环境检测提供充分依据；还可以进行参数下载和数据上传，有利于后期数据分析应用。
【专利附图】
【附图说明】
[0040]图1是快速检测装置黑盒模块的结构示意图。
[0041]图2是快速检测装置的滤光片架的结构示意图。
[0042]图3是快速检测装置的俯视图。
[0043]图4是快速检测装置微机模块的结构示意图。
[0044]图5是微机模块的驱动单元的电路结构图。
[0045]图6是微机模块的串口通讯单元的的电路结构示意图。
[0046]图7是快速检测装置的光电转换芯片的电路结构示意图。
[0047]图8是微机模块的操作单元的电路结构示意图。[0048]图9是快速检测装置的电源单元电路结构示意图。图9(a)通过型号为SPX1117M3-5.0的低压差线性稳压器U201将9V电池电压降到5V ；图9(b)通过型号SPX1117M3-3.3的低压差线性稳压器U202将5V电压降到3.3V。
[0049]图10是快速检测装置的显示单元的接口电路结构示意图。
[0050]图11是快速检测方法的检测流程图。
[0051 ] 其中:1-发光二极管；2_滤光片；3_滤光片架；4_比色皿；5_固定黑盒凹槽；6_光电检测芯片；7-光纤臂；8_液晶显不器；9-键盘；10-串口 ； 11-试剂瓶凹槽。
【具体实施方式】
[0052]下面结合附图，对优选实施例作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。
[0053]本发明解决问题的思路在于，利用待测的比色溶液的可见光和近红外透射光谱反演土壤或水环境中重金属铅的含量，即，使用对应波长的发光二极管灯泡，光源发出的光首先经过对应的滤光片(该滤光片的带宽为IOnm)，然后经过经比色反应后的待测溶液(简称比色溶液)到达光电检测芯片，计算透过率的值，进而反演得到被测土壤或水环境中重金属铅的含量。
[0054]下面结合【专利附图】
【附图说明】本发明的具体实现方式。一种土壤或水体中重金属铅污染的快速检测装置。
[0055]图1是快速检测装置黑盒模块的结构示意图。
[0056]图2是快速检测装置的滤光片架的结构示意图。
[0057]图3是快速检测装置的俯视图。
[0058]图中包括:发光二极管I ;滤光片2 ;滤光片架3 ;比色皿4 ;固定黑盒凹槽5 ;光电检测芯片6 ;光纤臂7 ;液晶显不器8 ;键盘9 ;串口 10 ;试剂瓶凹槽11。
[0059]如图1、图2和图3所示，本发明一种土壤或水体中重金属铅污染的快速检测装置由微机模块、黑盒模块、显示模块和电源模块构成；
[0060]其中，所述黑盒模块、显示模块、电源模块分别与所述微机模块相连接。
[0061]如图1所示，该快速检测装置的黑盒模块包括黑盒、固定黑盒凹槽5、光源、滤光片
2、滤光片架3、比色皿4和光电检测芯片6。所述黑盒固定于所述固定黑盒凹槽5中。所述黑盒左侧固定有波长一定的所述光源，该光源为发光二极管1，该发光二极管I的中心波长一定；其带宽为10nm。相应于所述光源位置放置峰值为对应波长的所述滤光片2，滤光片的带宽10nm，所述滤光片放置于所述滤光片架3上，所述滤光片架3固定在所述黑盒左侧。所述黑盒右侧包括所述光电检测芯片6，所述光电检测芯片6相应于所述光源位置固定于所述黑盒右侧。所述比色皿4相应于所述滤光片2和光电检测芯片6位置，放置于所述黑盒中部。
[0062]进行测量时，所述光源的光透过滤光片2后，再透过待测比色溶液到达光电检测芯片6，对于发光二极管I光强进行检测，通过光电检测芯片6采集数据。
[0063]光电检测芯片6和微机模块相连接，用于采集光谱数据，将光信号转换为电信号，并将数据传输至微机模块进行进一步处理。
[0064]图4为本发明的快速检测装置的微机模块的结构示意图。[0065]如图4所示，微机模块包括微控制器、光源驱动单元、操作单元、信号放大调解单元、串口通讯单元；
[0066]其中，光源驱动单元输入接微控制器，输出接发光二极管光源I ;
[0067]操作单元为键盘9，输出接微控制器；
[0068]信号放大调解单元输入接光电检测芯片6，输出接微控制器；
[0069]串口通讯单元输入接微控制器，输出通过串口 10接上位计算机。
[0070]显示模块为液晶显示器8，与微机模块中的微控制器相连接。
[0071]图5为本发明的微机模块的驱动单元的电路结构图；即发光二极管恒流驱动电路，达林顿管阵列集成芯片ULN2003输入接微控制器型号为MSP430的单片机(图中未示出)相对应的P4.0、P4.1、P4.2、P4.3引脚，以提高微控制器引脚电流驱动能力。由微控制器MSP430单片机的引脚控制发光二极管I的亮灭，当输出高时，发光二极管I导通，发光二极管I亮；当输出低时，发光二极管I截止。本实施例中，一共四路驱动电路，并且，每一路的驱动过程和连接关系都相同或相应的，故在本实施例中以一种驱动电路为例进行说明。型号LM324运算放大器Ul和三极管组成反馈电路达到恒流效果，图6中的可调电阻用于调节恒流源电流大小；另外，可以看出的是型号为LM336的基准电压U3为运算放大器Ul提供
2.5V基准电压。
[0072]图6为本发明的微机的串口通讯单元的的电路结构示意图；即串口通讯单元电路图；串口的2、3引脚接型号为SP3223串口电平转换芯片U401的16、17引脚。U401的13、15引脚接微控制器型号为MSP430的单片机UlOl的P3.4、P3.5引脚。且所述串口电平转换芯片U401为智能串口芯片可以具有自动掉电和唤醒功能，实现三态/场效应管的电平转换，即可以完成TTL/C0MS到RS232的电平转换。发光二极管的连接端连接到U401的11引脚，用于显示当前是否正在进行通讯的状态显示。
[0073]图7为本发明的快速检测装置使用的光电转换芯片的电路结构示意图；当使用多个光源/发光二极管交替发光时，需要进行光源切换，本实施例中使用三个光源，进而需要对发光的光源进行切换；其中，型号为0PT101的光电转换芯片JP701的引脚中的3脚和8脚之间连接可调电阻器，用于调整芯片光电转换放大倍数。8脚同时接到微控制器，微控制器型号为MSP430单片机UlOl的P6.0脚，进行Α/D转换。
[0074]图8为本发明的微机模块的操作单元的电路结构示意图；或为本专利使用的键盘电路图。五个按键组成2X3矩阵，连接至Ij I2C接口芯片U301的6、7、9、10、11引脚，U301的
13、14、15引脚连接到单片机UlOl的Ρ1.4、Ρ3.1、Ρ3.3引脚。当有按键按下时，PCF8574就会产生中断信号，同时微控制器响应中断，调用中断子程序，扫描键盘，并返回键值。
[0075]图9为本发明快速检测装置使用的电源单元电路结构示意图；图9(幻通过型号为SPX1117M3-5.0的低压差线性稳压器U201将9V电池电压降到5V，图9(b)通过型号SPX1117M3-3.3的低压差线性稳压器U202将5V电压降到3.3V。由5V和3.3V为本实施例中的测定仪提供电压。
[0076]图10为本发明一种快速检测装置使用的显示单元的接口电路结构示意图；型号为CSME-12864的液晶控制单元JlOl的3、5、8、17、18脚分别接单片机UlOl的Pl.0、Ρ5.7、Ρ5.6、Ρ5.3、Ρ5.1脚。3脚为液晶复位控制，5脚是液晶片选信号，8脚是命令和存储器选择控制位，17、18脚是时钟和数据线。[0077]下面结合【专利附图】
【附图说明】本发明一种土壤或水体中重金属铅污染的快速检测方法的具体实现方式。
[0078]检测方法，以铅为研究对象，探讨结合试剂比色与光谱分析的重金属铅的检测方法，找出适用于土壤或水体中重金属铅且经济环保的比色剂，并在紫外可见波段采集其比色反应后的数据，再对数据进行预处理，筛选出敏感波段，并建立数学模型，选取最优检测模型。
[0079]双硫腙，英文名:Diphenylthiocarbazone,分子式:C13H12N4S,分子量:256.32。蓝黑色结晶性粉末，易被空气氧化，可加入二氧化硫水溶液保护；易溶于四氯化碳和氯仿，其溶液不稳定，微溶于乙醇，不溶于水。是铅的灵敏试剂，并用作测定钴、铜、汞、锌和银等。
[0080]相关试剂比色的研究文献表明，在ph为8.5?9.5的碱性条件下，在柠檬酸铵-盐酸羟胺的还原性介质中，铅和双硫腙生成可被氯仿萃取的红色双硫腙铅络合物。铅络合物在紫外-可见光谱区内有比较丰富的特征吸收峰，因此，通过对络合物在紫外-可见光谱区特征吸收峰的峰值变化，可以更快地达到检测重金属铅含量的目的。
[0081]在显色反应时，影响因素还有反应温度、显色剂用量、反应时间、溶剂的选择等。反应温度方面，本研究采用的显色试剂为双硫腙，需要在室温下进行反应。显色剂用量方面，为使显色反应进行完全，需要加入过量的显色剂。但显色剂不是越多越好。有些显色反应，显色剂加入太多，反而会引起副反应，对测定不利。不同反应的显色剂对吸光度的影响也不同，但总体来说当显色剂量足够后，会在一定范围内使吸光度相对稳定。综合紫外分光光度计的比色皿容量，实验选择lmg/1的显色剂用量为5ml测定吸光度。反应时间方面，由于不同显色反应的速度不同，有的显色反应瞬时完成，且形成的吸光度稳定的物质；有的显色反应很快完成，但形成的吸光物质不稳定；有的显色反应较慢。固定其他实验条件，测量吸光度随时间的变化曲线，根据实验结果选择合适的反应时间为Imin左右。溶剂选择方面，根据比色反应原理采用四氯化碳作为萃取溶剂。
[0082]图11是快速检测方法的检测流程图。本发明一种土壤或水体中重金属铅污染的快速检测方法，该方法包括下列步骤:
[0083]步骤1:预备实验中，采用化学方法配置多组不同浓度梯度的含铅溶液。
[0084]步骤2:采用双硫腙作为比色原料，在碱性条件下，在柠檬酸铵-盐酸羟胺的还原性介质中，铅和双硫腙生成可被氯仿萃取的红色双硫腙铅络合物，即待测比色溶液。
[0085]其中步骤2获取待测比色溶液具体包括:
[0086]步骤21:样品制备。采用化学方法配置多组不同浓度梯度的含铅溶液，配制20%柠檬酸铵溶液、20%盐酸羟胺溶液、1:1氨水、10%酒石酸钾钠溶液、溶解于四氯化碳的双硫腙使用液等。
[0087]步骤22:实验反应。取多组不同浓度的含铅溶液1ml，分别加入20%柠檬酸铵溶液Iml和20%盐酸羟胺溶液Iml ;用1:1氨水调至pH为9.0,使反应环境达到碱性条件；再加10%酒石酸钾钠溶液2ml，混匀；加5ml双硫腙使用液，剧烈振摇lmin，静置分层。萃取得到红色双硫腙铅络合物，即待测比色溶液。
[0088]步骤3:采用紫外-可见光分光光度计采集待测比色溶液的光谱数据，筛选出铅元素的特征敏感波段，即选择发光二级管的波峰值范围，并选择土壤或水体中重金属铅的快速检测模型。[0089]步骤3中筛选铅元素的特征敏感波段，并确定快速检测模型，具体包括:
[0090]步骤31:采用紫外-可见光分光光度计采集步骤2所获的待测比色溶液的光谱数据，其中光谱采集范围为全波段300-900nm，采样间隔lnm，采集点数600，通过数据处理软件对光谱数据进行处理，由相关系数法筛选出铅元素的特征敏感波段500-530nm，即，发光二极管的波峰值的范围为500-530nm。
[0091]步骤32:采用数据平滑处理和基线校正的预处理方法处理步骤31所获的光谱数据，去除噪声干扰。
[0092]步骤33:在特征波段范围内，分别采用一元线性回归、多元线性回归、偏最小二乘法、主成分回归的建模方法对紫外-可见光波段的数据进行了处理，综合比较之后，选取其中的最优模型一元线性回归模型为土壤或水体中重金属铅的快速检测模型。
[0093]步骤32中提到的紫外-可见光分光光度计为一种检测光谱特征敏感波段的精密仪器，本发明先用该仪器确定重金属铅的特征敏感波段，即确定本发明装置的发光二极管的波峰范围，再通过该仪器的到的光谱数据，选择最优检测模型。这样，可以直接使用本发明装置采集数据，确定模型系数，以便于测量被重金属铅污染的土样或水样中的铅含量。
[0094]步骤32中确定的发光二极管的波峰值范围为500_530nm，试验中分别取发光二极管波峰值为505nm、510nm、515nm，试验可得发光二极管波峰值为510nm时，采集到的光谱数据最优。
[0095]步骤4:采集萃取后的待测比色溶液的光谱数据。其中步骤4采集光谱数据具体包括:
[0096]步骤41:将步骤2得到的待测比色溶液放置于比色皿中，并将比色皿放置于凹槽中；
[0097]步骤42:通过光源驱动单元驱动发光二极管，光源通过滤光片得到固定波长的光谱；
[0098]步骤43:用步骤42得到的光谱照射比色皿中的待测比色溶液，并投射在光电检测芯片上;
[0099]步骤44:通过光电检测芯片采集光谱数据。
[0100]步骤5:根据步骤3确定的最优检测模型构建一元线性回归检测模型I = Ax+B,其中X为采集得到的光谱数据，A、B为系数常量，y为土壤或水体中的铅含量。
[0101]步骤6:通过步骤I的铅含量和步骤4采集到的光谱数据，反演得到系数常量A，B的值，确定线性回归检测模型I = Ax+B ；
[0102]步骤7:取被重金属铅污染的土样或水样，执行步骤2和步骤4采集得到光谱数据，将其代入检测模型I = Ax+B，得到铅含量y，并通过显示模块显示土壤或水体中的铅含量。
[0103]需要进行说明的是，本发明的测量原理是通过一定波长的光源发光二极管发光，检测待测比色溶液被照射后的透过光强，计算透过率值，得到待测比色溶液所含重金属铅的含量。
[0104]在实际测量中，直接测量被重金属铅污染的土样或水样，由于待测比色溶液透射光谱连续变化，因此模型波长点和它附近的波长点的透射率差别很小，考虑到现有技术的元器件供应和生产实际状况，本实施例选用发光二极管和滤光片组合作为光源，本发明不对此进行限定和进行特殊要求，其波长能够满足测量的需要即可。本实施例的优点是可以较快速准确测量土壤或水环境中重金属铅的含量，为土壤或水质监测提供充分依据；并且还可以进行参数下载和上传测量数据。
[0105]以上所述，仅为本发明较佳的【具体实施方式】，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本【技术领域】的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
【权利要求】
1.一种土壤或水体中重金属铅污染的快速检测装置，其特征是所述快速检测装置包括:微机模块、黑盒模块、显示模块和电源模块； 其中，所述黑盒模块、显示模块、电源模块分别与所述微机模块相连接。
2.根据权利要求1所述的一种土壤或水体中重金属铅污染的快速检测装置，其特征是所述黑盒模块包括黑盒、固定黑盒凹槽(5)、光源、滤光片(2)、滤光片架(3)、比色皿(4)和光电检测芯片(6);所述黑盒固定于所述固定黑盒凹槽(5)中；所述黑盒左侧固定有波长一定的所述光源，相应于所述光源位置放置峰值为对应波长的所述滤光片(2)，所述滤光片放置于所述滤光片架(3)上，所述滤光片架(3)固定在所述黑盒左侧；所述黑盒右侧包括所述光电检测芯片(6)，所述光电检测芯片(6)相应于所述光源位置固定于所述黑盒右侧；所述比色皿(4)相应于所述滤光片(2)和光电检测芯片(6)位置，放置于所述黑盒中部。
3.根据权利要求1所述的一种土壤或水体中重金属铅污染的快速检测装置，其特征是所述微机模块包括微控制器、光源驱动单元、操作单元、信号放大调解单元、串口通讯单元；所述光源驱动单元、操作单元、信号放大调解单元、串口通讯单元分别与所述微控制器相连接；所述光源驱动单元连接于所述光源并由所述微控制器控制。
4.根据权利要求2所述的一种土壤或水体中重金属铅污染的快速检测装置，其特征是所述光源为固定特征波段的发光二极管(I)。
5.根据权利 要求2所述的一种土壤或水体中重金属铅污染的快速检测装置，其特征是所述滤光片(2)的带宽10nm。
6.根据权利要求1所述的一种土壤或水体中重金属铅污染的快速检测装置，其特征是所述显示模块为液晶显示器(8)。
7.根据权利要求3所述的一种土壤或水体中重金属铅污染的快速检测装置，其特征是所述操作单元为键盘(9)。
8.一种土壤或水体中重金属铅污染的快速检测方法，其特征是所述方法包括下列步骤: 步骤1:预备实验中，采用化学方法配置多组不同浓度梯度的含铅溶液； 步骤2:采用双硫腙作为比色原料，在碱性条件下，在柠檬酸铵-盐酸羟胺的还原性介质中，铅和双硫fe生成可被氣仿卒取的红色双硫fe铅络合物，即待测比色溶液； 步骤3:采用紫外-可见光分光光度计采集待测比色溶液的光谱数据，筛选出铅元素的特征敏感波段，即选择发光二级管的波峰值范围，并选择土壤或水体中重金属铅的快速检测模型； 步骤4:采集步骤2中萃取的待测比色溶液的光谱数据，其中，采集光谱数据具体包括: 步骤41:将步骤2得到的待测比色溶液放置于比色皿中； 步骤42:通过光源驱动单元驱动发光二极管，光源通过滤光片得到固定波长的光谱； 步骤43:用步骤42得到的光谱照射比色皿中的待测比色溶液，并投射在光电检测芯片上； 步骤44:通过光电检测芯片采集光谱数据； 步骤5:根据步骤3中确定的最优模型构建一元线性回归检测模型I = Ax+B，其中X为采集得到的光谱数据，A、B为系数常量，y为土壤或水体中的铅含量；步骤6:通过步骤I的铅含量和步骤4采集到的光谱数据，反演得到系数常量A，B的值，确定检测模型I = Ax+B ； 步骤7:采集被重金属铅污染的土样或水样，执行步骤2和步骤4采集得到光谱数据，将其代入检测模型I = Ax+B，得到铅含量y，并通过显示模块显示土壤或水体中的铅含量。
9.根据权利要求8所述的一种土壤或水体中重金属铅污染的快速检测方法，其特征是所述步骤3中筛选铅元素的特征敏感波段，并确定快速检测模型，具体包括: 步骤31:采用紫外-可见光分光光度计采集步骤2所获的待测比色溶液的光谱数据，其中光谱采集范围为全波段300-900nm，采样间隔lnm，采集点数600，通过数据处理软件对光谱数据进行处理，由相关系数法筛选出铅元素的特征敏感波段500-530nm，即，发光二极管的波峰值的范围为500-530nm ； 步骤32:采用数据平滑处理和基线校正的预处理方法处理步骤31所获的光谱数据，去除噪声干扰； 步骤33:在特征波段范围内，分别采用一元线性回归、多元线性回归、偏最小二乘法、主成分回归的建模方法对紫外-可见光波段的数据进行了处理，综合比较之后，选取其中的最优模型一元线性回归模型为土壤或 水体中重金属铅的快速检测模型。
【文档编号】G01N21/31GK103983589SQ201410228122
【公开日】2014年8月13日 申请日期:2014年5月27日 优先权日:2014年5月27日
【发明者】孙明, 张迪, 朱晓青, 李道亮, 位耀光, 刘春红, 王聪, 马华 申请人:中国农业大学
【专利摘要】本发明公开了重金属检测【技术领域】的一种土壤或水体中重金属铅污染的快速检测装置及方法。该装置具体包括黑盒模块、微机模块、电源模块和显示模块，其中，黑盒模块、显示模块、电源模块分别与微机模块相连接；所述黑盒模块包括黑盒、固定黑盒凹槽、光源、滤光片、滤光片架、比色皿、凹槽和光电检测芯片，所述比色皿放置于黑盒中部，所述光源、滤光片放置于黑盒左侧，所述光电检测芯片相应于光源位置放置于黑盒右侧；利用待测的比色溶液的可见光和近红外透射光谱反演土壤或水环境中重金属铅的含量。本发明有效实现了土壤或水环境中重金属铅污染的快速准确测量，为土壤或水环境检测提供充分依据。
【专利说明】一种土壤或水体中重金属铅污染的快速检测装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及重金属检测【技术领域】，特别涉及一种土壤或水体中重金属铅污染的快速检测装置及方法。
【背景技术】
[0002]重金属是指比重在5以上的金属，如铜、铅、锌、镍、镉、铬、汞、铋、锡、锑、铌、钥等。重金属在一般情况下达不到有害的程度，但随着社会进步，工业化程度的加深，进入土壤、大气和水的有毒有害重金属如铅、镉、汞、铬日益增长，超过正常范围则会引起重金属对环境污染，重金属随食品进入人体后，经食物链放大引起机体的慢性损伤，进入人体的重金属会经过长时间的积累，不易被发现，而后引发中毒性病症，危害人体健康。
[0003]土壤是从事农业生产的本源所在，也是人类生态、环境的重要组成部分。随着我国工业的快速发展，有毒有害重金属进入土壤，导致土壤环境恶化。河流、湖泊等的水质日益恶化，也致使重金属污染问题日益严重，在世界范围内已经是一个较为普遍问题。在重金属污染问题中铅污染是一种较为常见的污染。铅是一种具有神经毒性的重金属，在体内有蓄积作用，可损伤脑组织、造血器官和肾脏，主要中毒症状有胃肠炎、口腔金属味及齿龈金属线、头晕、失眠、贫血、便秘及腹痛，严重时可造成共济失调和瘫痪，还可导致胚胎发育迟缓和畸形。特别值得关注的是，铅可严重影响婴幼儿和少年儿童的生长发育和智力。目前铅中毒和铅污染已成为人们普遍关注的社会问题。
[0004]通过对土壤样品或水样品进行检测，可以直接反映土壤或水环境中重金属状况。基于现有技术中检测土壤或水环境中重金属的检测方法有光谱法、电化学分析法及其他新型方法等。
[0005]I光谱法
[0006]作为传统的重金属定量检测方法，光谱法主要有紫外可见分光光度法、原子吸收光谱法、原子荧光法、X射线荧光光谱法、质谱法等。光谱法虽然能以较高灵敏度对各种样品中的重金属离子含量进行有效分析，但大多分析方法成本高，需要大型仪器设备，且仪器较为昂贵。样品前处理过程中需要经过消解等操作专业，分析时间长，难用于土壤或水体重金属的现场快速检测。
[0007]2电化学分析法
[0008]电化学分析法是基于物质在溶液中和电极上的电化学性质建立起来的分析方法，主要有极谱法、电位分析法、电导分析法、伏安法等。电化学分析的测量信号是电量、电位、电流、电导等电信号，不需信号转化就能直接记录。其仪器装置与光谱分析仪器装置相比较，体型简单，体积较小，易于实现自动化，便于连续分析。在化学成分分析中，电化学分析方法是公认的准确、快速、灵敏的微量和痕量分析方法，但是该方法存在条件苛刻、易受离子干扰、测量结果重现性差等问题。
[0009]3其他新型方法
[0010]近年来，一些结合生物学的检测方法也被应用于重金属的检测研究中，主要有生物传感器法、酶抑制法、免疫分析法等。但目前技术还不成熟，特异性抗体的制备比较困难等问题，制约着该方法的应用。
[0011]现有的检测手段和方法有待于进一步研究、改进和提高，新的重金属检测手段值得探索。因此，目前本领域技术人员迫切需要发展出一种现场高效快速检测土壤或水环境中重金属铅并能够为土壤或水质检测断提供依据的便携式仪器。
【发明内容】
[0012]本发明的目的在于，提出一种土壤或水体中重金属铅污染的快速检测装置及方法，用以解决目前重金属检测【技术领域】研究中存在的问题。
[0013]为实现上述目的，本发明提出的技术方案是，一种土壤或水体中重金属铅污染的快速检测装置，其特征是所述快速检测装置包括:微机模块、黑盒模块、显示模块和电源模块；
[0014]其中，所述黑盒模块、显示模块、电源模块分别与所述微机模块相连接。
[0015]所述黑盒模块包括黑盒、固定黑盒凹槽(5)、光源、滤光片(2)、滤光片架(3)、比色皿(4)和光电检测芯片(6);所述黑盒固定于所述固定黑盒凹槽(5)中；所述黑盒左侧固定有波长一定的所述光源，相应于所述光源位置放置峰值为对应波长的所述滤光片(2)，所述滤光片放置于所述滤光片架(3)上，所述滤光片架(3)固定在所述黑盒左侧；所述黑盒右侧包括所述光电检测芯片(6)，所述光电检测芯片(6)相应于所述光源位置固定于所述黑盒右侧；所述比色皿(4)相应于所述滤光片(2)和光电检测芯片(6)位置，放置于所述黑盒中部。
[0016]所述微机模块包括微控制器、光源驱动单元、操作单元、信号放大调解单元、串口通讯单元；所述光源驱动单元、操作单元、信号放大调解单元、串口通讯单元分别与所述微控制器相连接；所述光源驱动单元连接于所述光源并由所述微控制器控制。
[0017]所述光源为固定特征波段的发光二极管(I)。
[0018]所述滤光片(2)的带宽10nm。
[0019]所述显示模块为液晶显示器(8)。
[0020]所述操作单元为键盘(9)。
[0021]一种土壤或水体中重金属铅污染的快速检测方法，其特征是所述方法包括下列步骤:
[0022]步骤1:预备实验中，采用化学方法配置多组不同浓度梯度的含铅溶液；
[0023]步骤2:采用双硫腙作为比色原料，在碱性条件下，在柠檬酸铵-盐酸羟胺的还原性介质中，铅和双硫腙生成可被氯仿萃取的红色双硫腙铅络合物，即待测比色溶液；
[0024]步骤3:采用紫外-可见光分光光度计采集待测比色溶液的光谱数据，筛选出铅元素的特征敏感波段，即选择发光二级管的波峰值范围，并选择土壤或水体中重金属铅的快速检测模型；
[0025]步骤4:采集步骤2中萃取的待测比色溶液的光谱数据，其中，采集光谱数据具体包括:
[0026]步骤41:将步骤2得到的待测比色溶液放置于比色皿中；
[0027]步骤42:通过光源驱动单元驱动发光二极管，光源通过滤光片得到固定波长的光谱；
[0028]步骤43:用步骤42得到的光谱照射比色皿中的待测比色溶液，并投射在光电检测芯片上;
[0029]步骤44:通过光电检测芯片采集光谱数据；
[0030]步骤5:根据步骤3中确定的最优模型构建一元线性回归检测模型y = Ax+B，其中X为采集得到的光谱数据，A、B为系数常量，y为土壤或水体中的铅含量；
[0031]步骤6:通过步骤I的铅含量和步骤4采集到的光谱数据，反演得到系数常量A，B的值，确定检测模型I = Ax+B ；
[0032]步骤7:采集被重金属铅污染的土样或水样，执行步骤2和步骤4采集得到光谱数据，将其代入检测模型I = Ax+B，得到铅含量y，并通过显示模块显示土壤或水体中的铅含量。
[0033]所述步骤3中筛选铅元素的特征敏感波段，并确定快速检测模型，具体包括:
[0034]步骤31:采用紫外-可见光分光光度计采集步骤2所获的待测比色溶液的光谱数据，其中光谱采集范围为全波段300-900nm，采样间隔lnm，采集点数600，通过数据处理软件对光谱数据进行处理，由相关系数法筛选出铅元素的特征敏感波段500-530nm，S卩，发光二极管的波峰值的范围为500-530nm ；
[0035]步骤32:采用数据平滑处理和基线校正的预处理方法处理步骤31所获的光谱数据，去除噪声干扰；
[0036]步骤33:在特征波段范围内，分别采用一元线性回归、多元线性回归、偏最小二乘法、主成分回归的建模方法对紫外-可见光波段的数据进行了处理，综合比较之后，选取其中的最优模型一元线性回归模型为土壤或水体中重金属铅的快速检测模型。
[0037]本发明实现了一种土壤或水体中重金属铅污染的快速检测装置及方法，其有益效果如下:
[0038]I本发明通过确定波长的发光二极管发光，检测光源照射比色溶液的透过光强，计算此波段的透过率比值。因为土壤或水环境中重金属铅的含量与其比色后溶液在某一特定波段的透过率间的关系可以根据检测方法中所确定模型得到，故通过对比色溶液的直接测量，获取土壤或水中重金属铅的含量。
[0039]2本发明不仅可以同时快速准确测量土壤或水环境中重金属铅的含量，为土壤或水环境检测提供充分依据；还可以进行参数下载和数据上传，有利于后期数据分析应用。
【专利附图】
【附图说明】
[0040]图1是快速检测装置黑盒模块的结构示意图。
[0041]图2是快速检测装置的滤光片架的结构示意图。
[0042]图3是快速检测装置的俯视图。
[0043]图4是快速检测装置微机模块的结构示意图。
[0044]图5是微机模块的驱动单元的电路结构图。
[0045]图6是微机模块的串口通讯单元的的电路结构示意图。
[0046]图7是快速检测装置的光电转换芯片的电路结构示意图。
[0047]图8是微机模块的操作单元的电路结构示意图。[0048]图9是快速检测装置的电源单元电路结构示意图。图9(a)通过型号为SPX1117M3-5.0的低压差线性稳压器U201将9V电池电压降到5V ；图9(b)通过型号SPX1117M3-3.3的低压差线性稳压器U202将5V电压降到3.3V。
[0049]图10是快速检测装置的显示单元的接口电路结构示意图。
[0050]图11是快速检测方法的检测流程图。
[0051 ] 其中:1-发光二极管；2_滤光片；3_滤光片架；4_比色皿；5_固定黑盒凹槽；6_光电检测芯片；7-光纤臂；8_液晶显不器；9-键盘；10-串口 ； 11-试剂瓶凹槽。
【具体实施方式】
[0052]下面结合附图，对优选实施例作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。
[0053]本发明解决问题的思路在于，利用待测的比色溶液的可见光和近红外透射光谱反演土壤或水环境中重金属铅的含量，即，使用对应波长的发光二极管灯泡，光源发出的光首先经过对应的滤光片(该滤光片的带宽为IOnm)，然后经过经比色反应后的待测溶液(简称比色溶液)到达光电检测芯片，计算透过率的值，进而反演得到被测土壤或水环境中重金属铅的含量。
[0054]下面结合【专利附图】
【附图说明】本发明的具体实现方式。一种土壤或水体中重金属铅污染的快速检测装置。
[0055]图1是快速检测装置黑盒模块的结构示意图。
[0056]图2是快速检测装置的滤光片架的结构示意图。
[0057]图3是快速检测装置的俯视图。
[0058]图中包括:发光二极管I ;滤光片2 ;滤光片架3 ;比色皿4 ;固定黑盒凹槽5 ;光电检测芯片6 ;光纤臂7 ;液晶显不器8 ;键盘9 ;串口 10 ;试剂瓶凹槽11。
[0059]如图1、图2和图3所示，本发明一种土壤或水体中重金属铅污染的快速检测装置由微机模块、黑盒模块、显示模块和电源模块构成；
[0060]其中，所述黑盒模块、显示模块、电源模块分别与所述微机模块相连接。
[0061]如图1所示，该快速检测装置的黑盒模块包括黑盒、固定黑盒凹槽5、光源、滤光片
2、滤光片架3、比色皿4和光电检测芯片6。所述黑盒固定于所述固定黑盒凹槽5中。所述黑盒左侧固定有波长一定的所述光源，该光源为发光二极管1，该发光二极管I的中心波长一定；其带宽为10nm。相应于所述光源位置放置峰值为对应波长的所述滤光片2，滤光片的带宽10nm，所述滤光片放置于所述滤光片架3上，所述滤光片架3固定在所述黑盒左侧。所述黑盒右侧包括所述光电检测芯片6，所述光电检测芯片6相应于所述光源位置固定于所述黑盒右侧。所述比色皿4相应于所述滤光片2和光电检测芯片6位置，放置于所述黑盒中部。
[0062]进行测量时，所述光源的光透过滤光片2后，再透过待测比色溶液到达光电检测芯片6，对于发光二极管I光强进行检测，通过光电检测芯片6采集数据。
[0063]光电检测芯片6和微机模块相连接，用于采集光谱数据，将光信号转换为电信号，并将数据传输至微机模块进行进一步处理。
[0064]图4为本发明的快速检测装置的微机模块的结构示意图。[0065]如图4所示，微机模块包括微控制器、光源驱动单元、操作单元、信号放大调解单元、串口通讯单元；
[0066]其中，光源驱动单元输入接微控制器，输出接发光二极管光源I ;
[0067]操作单元为键盘9，输出接微控制器；
[0068]信号放大调解单元输入接光电检测芯片6，输出接微控制器；
[0069]串口通讯单元输入接微控制器，输出通过串口 10接上位计算机。
[0070]显示模块为液晶显示器8，与微机模块中的微控制器相连接。
[0071]图5为本发明的微机模块的驱动单元的电路结构图；即发光二极管恒流驱动电路，达林顿管阵列集成芯片ULN2003输入接微控制器型号为MSP430的单片机(图中未示出)相对应的P4.0、P4.1、P4.2、P4.3引脚，以提高微控制器引脚电流驱动能力。由微控制器MSP430单片机的引脚控制发光二极管I的亮灭，当输出高时，发光二极管I导通，发光二极管I亮；当输出低时，发光二极管I截止。本实施例中，一共四路驱动电路，并且，每一路的驱动过程和连接关系都相同或相应的，故在本实施例中以一种驱动电路为例进行说明。型号LM324运算放大器Ul和三极管组成反馈电路达到恒流效果，图6中的可调电阻用于调节恒流源电流大小；另外，可以看出的是型号为LM336的基准电压U3为运算放大器Ul提供
2.5V基准电压。
[0072]图6为本发明的微机的串口通讯单元的的电路结构示意图；即串口通讯单元电路图；串口的2、3引脚接型号为SP3223串口电平转换芯片U401的16、17引脚。U401的13、15引脚接微控制器型号为MSP430的单片机UlOl的P3.4、P3.5引脚。且所述串口电平转换芯片U401为智能串口芯片可以具有自动掉电和唤醒功能，实现三态/场效应管的电平转换，即可以完成TTL/C0MS到RS232的电平转换。发光二极管的连接端连接到U401的11引脚，用于显示当前是否正在进行通讯的状态显示。
[0073]图7为本发明的快速检测装置使用的光电转换芯片的电路结构示意图；当使用多个光源/发光二极管交替发光时，需要进行光源切换，本实施例中使用三个光源，进而需要对发光的光源进行切换；其中，型号为0PT101的光电转换芯片JP701的引脚中的3脚和8脚之间连接可调电阻器，用于调整芯片光电转换放大倍数。8脚同时接到微控制器，微控制器型号为MSP430单片机UlOl的P6.0脚，进行Α/D转换。
[0074]图8为本发明的微机模块的操作单元的电路结构示意图；或为本专利使用的键盘电路图。五个按键组成2X3矩阵，连接至Ij I2C接口芯片U301的6、7、9、10、11引脚，U301的
13、14、15引脚连接到单片机UlOl的Ρ1.4、Ρ3.1、Ρ3.3引脚。当有按键按下时，PCF8574就会产生中断信号，同时微控制器响应中断，调用中断子程序，扫描键盘，并返回键值。
[0075]图9为本发明快速检测装置使用的电源单元电路结构示意图；图9(幻通过型号为SPX1117M3-5.0的低压差线性稳压器U201将9V电池电压降到5V，图9(b)通过型号SPX1117M3-3.3的低压差线性稳压器U202将5V电压降到3.3V。由5V和3.3V为本实施例中的测定仪提供电压。
[0076]图10为本发明一种快速检测装置使用的显示单元的接口电路结构示意图；型号为CSME-12864的液晶控制单元JlOl的3、5、8、17、18脚分别接单片机UlOl的Pl.0、Ρ5.7、Ρ5.6、Ρ5.3、Ρ5.1脚。3脚为液晶复位控制，5脚是液晶片选信号，8脚是命令和存储器选择控制位，17、18脚是时钟和数据线。[0077]下面结合【专利附图】
【附图说明】本发明一种土壤或水体中重金属铅污染的快速检测方法的具体实现方式。
[0078]检测方法，以铅为研究对象，探讨结合试剂比色与光谱分析的重金属铅的检测方法，找出适用于土壤或水体中重金属铅且经济环保的比色剂，并在紫外可见波段采集其比色反应后的数据，再对数据进行预处理，筛选出敏感波段，并建立数学模型，选取最优检测模型。
[0079]双硫腙，英文名:Diphenylthiocarbazone,分子式:C13H12N4S,分子量:256.32。蓝黑色结晶性粉末，易被空气氧化，可加入二氧化硫水溶液保护；易溶于四氯化碳和氯仿，其溶液不稳定，微溶于乙醇，不溶于水。是铅的灵敏试剂，并用作测定钴、铜、汞、锌和银等。
[0080]相关试剂比色的研究文献表明，在ph为8.5?9.5的碱性条件下，在柠檬酸铵-盐酸羟胺的还原性介质中，铅和双硫腙生成可被氯仿萃取的红色双硫腙铅络合物。铅络合物在紫外-可见光谱区内有比较丰富的特征吸收峰，因此，通过对络合物在紫外-可见光谱区特征吸收峰的峰值变化，可以更快地达到检测重金属铅含量的目的。
[0081]在显色反应时，影响因素还有反应温度、显色剂用量、反应时间、溶剂的选择等。反应温度方面，本研究采用的显色试剂为双硫腙，需要在室温下进行反应。显色剂用量方面，为使显色反应进行完全，需要加入过量的显色剂。但显色剂不是越多越好。有些显色反应，显色剂加入太多，反而会引起副反应，对测定不利。不同反应的显色剂对吸光度的影响也不同，但总体来说当显色剂量足够后，会在一定范围内使吸光度相对稳定。综合紫外分光光度计的比色皿容量，实验选择lmg/1的显色剂用量为5ml测定吸光度。反应时间方面，由于不同显色反应的速度不同，有的显色反应瞬时完成，且形成的吸光度稳定的物质；有的显色反应很快完成，但形成的吸光物质不稳定；有的显色反应较慢。固定其他实验条件，测量吸光度随时间的变化曲线，根据实验结果选择合适的反应时间为Imin左右。溶剂选择方面，根据比色反应原理采用四氯化碳作为萃取溶剂。
[0082]图11是快速检测方法的检测流程图。本发明一种土壤或水体中重金属铅污染的快速检测方法，该方法包括下列步骤:
[0083]步骤1:预备实验中，采用化学方法配置多组不同浓度梯度的含铅溶液。
[0084]步骤2:采用双硫腙作为比色原料，在碱性条件下，在柠檬酸铵-盐酸羟胺的还原性介质中，铅和双硫腙生成可被氯仿萃取的红色双硫腙铅络合物，即待测比色溶液。
[0085]其中步骤2获取待测比色溶液具体包括:
[0086]步骤21:样品制备。采用化学方法配置多组不同浓度梯度的含铅溶液，配制20%柠檬酸铵溶液、20%盐酸羟胺溶液、1:1氨水、10%酒石酸钾钠溶液、溶解于四氯化碳的双硫腙使用液等。
[0087]步骤22:实验反应。取多组不同浓度的含铅溶液1ml，分别加入20%柠檬酸铵溶液Iml和20%盐酸羟胺溶液Iml ;用1:1氨水调至pH为9.0,使反应环境达到碱性条件；再加10%酒石酸钾钠溶液2ml，混匀；加5ml双硫腙使用液，剧烈振摇lmin，静置分层。萃取得到红色双硫腙铅络合物，即待测比色溶液。
[0088]步骤3:采用紫外-可见光分光光度计采集待测比色溶液的光谱数据，筛选出铅元素的特征敏感波段，即选择发光二级管的波峰值范围，并选择土壤或水体中重金属铅的快速检测模型。[0089]步骤3中筛选铅元素的特征敏感波段，并确定快速检测模型，具体包括:
[0090]步骤31:采用紫外-可见光分光光度计采集步骤2所获的待测比色溶液的光谱数据，其中光谱采集范围为全波段300-900nm，采样间隔lnm，采集点数600，通过数据处理软件对光谱数据进行处理，由相关系数法筛选出铅元素的特征敏感波段500-530nm，即，发光二极管的波峰值的范围为500-530nm。
[0091]步骤32:采用数据平滑处理和基线校正的预处理方法处理步骤31所获的光谱数据，去除噪声干扰。
[0092]步骤33:在特征波段范围内，分别采用一元线性回归、多元线性回归、偏最小二乘法、主成分回归的建模方法对紫外-可见光波段的数据进行了处理，综合比较之后，选取其中的最优模型一元线性回归模型为土壤或水体中重金属铅的快速检测模型。
[0093]步骤32中提到的紫外-可见光分光光度计为一种检测光谱特征敏感波段的精密仪器，本发明先用该仪器确定重金属铅的特征敏感波段，即确定本发明装置的发光二极管的波峰范围，再通过该仪器的到的光谱数据，选择最优检测模型。这样，可以直接使用本发明装置采集数据，确定模型系数，以便于测量被重金属铅污染的土样或水样中的铅含量。
[0094]步骤32中确定的发光二极管的波峰值范围为500_530nm，试验中分别取发光二极管波峰值为505nm、510nm、515nm，试验可得发光二极管波峰值为510nm时，采集到的光谱数据最优。
[0095]步骤4:采集萃取后的待测比色溶液的光谱数据。其中步骤4采集光谱数据具体包括:
[0096]步骤41:将步骤2得到的待测比色溶液放置于比色皿中，并将比色皿放置于凹槽中；
[0097]步骤42:通过光源驱动单元驱动发光二极管，光源通过滤光片得到固定波长的光谱；
[0098]步骤43:用步骤42得到的光谱照射比色皿中的待测比色溶液，并投射在光电检测芯片上;
[0099]步骤44:通过光电检测芯片采集光谱数据。
[0100]步骤5:根据步骤3确定的最优检测模型构建一元线性回归检测模型I = Ax+B,其中X为采集得到的光谱数据，A、B为系数常量，y为土壤或水体中的铅含量。
[0101]步骤6:通过步骤I的铅含量和步骤4采集到的光谱数据，反演得到系数常量A，B的值，确定线性回归检测模型I = Ax+B ；
[0102]步骤7:取被重金属铅污染的土样或水样，执行步骤2和步骤4采集得到光谱数据，将其代入检测模型I = Ax+B，得到铅含量y，并通过显示模块显示土壤或水体中的铅含量。
[0103]需要进行说明的是，本发明的测量原理是通过一定波长的光源发光二极管发光，检测待测比色溶液被照射后的透过光强，计算透过率值，得到待测比色溶液所含重金属铅的含量。
[0104]在实际测量中，直接测量被重金属铅污染的土样或水样，由于待测比色溶液透射光谱连续变化，因此模型波长点和它附近的波长点的透射率差别很小，考虑到现有技术的元器件供应和生产实际状况，本实施例选用发光二极管和滤光片组合作为光源，本发明不对此进行限定和进行特殊要求，其波长能够满足测量的需要即可。本实施例的优点是可以较快速准确测量土壤或水环境中重金属铅的含量，为土壤或水质监测提供充分依据；并且还可以进行参数下载和上传测量数据。
[0105]以上所述，仅为本发明较佳的【具体实施方式】，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本【技术领域】的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
【权利要求】
1.一种土壤或水体中重金属铅污染的快速检测装置，其特征是所述快速检测装置包括:微机模块、黑盒模块、显示模块和电源模块； 其中，所述黑盒模块、显示模块、电源模块分别与所述微机模块相连接。
2.根据权利要求1所述的一种土壤或水体中重金属铅污染的快速检测装置，其特征是所述黑盒模块包括黑盒、固定黑盒凹槽(5)、光源、滤光片(2)、滤光片架(3)、比色皿(4)和光电检测芯片(6);所述黑盒固定于所述固定黑盒凹槽(5)中；所述黑盒左侧固定有波长一定的所述光源，相应于所述光源位置放置峰值为对应波长的所述滤光片(2)，所述滤光片放置于所述滤光片架(3)上，所述滤光片架(3)固定在所述黑盒左侧；所述黑盒右侧包括所述光电检测芯片(6)，所述光电检测芯片(6)相应于所述光源位置固定于所述黑盒右侧；所述比色皿(4)相应于所述滤光片(2)和光电检测芯片(6)位置，放置于所述黑盒中部。
3.根据权利要求1所述的一种土壤或水体中重金属铅污染的快速检测装置，其特征是所述微机模块包括微控制器、光源驱动单元、操作单元、信号放大调解单元、串口通讯单元；所述光源驱动单元、操作单元、信号放大调解单元、串口通讯单元分别与所述微控制器相连接；所述光源驱动单元连接于所述光源并由所述微控制器控制。
4.根据权利要求2所述的一种土壤或水体中重金属铅污染的快速检测装置，其特征是所述光源为固定特征波段的发光二极管(I)。
5.根据权利 要求2所述的一种土壤或水体中重金属铅污染的快速检测装置，其特征是所述滤光片(2)的带宽10nm。
6.根据权利要求1所述的一种土壤或水体中重金属铅污染的快速检测装置，其特征是所述显示模块为液晶显示器(8)。
7.根据权利要求3所述的一种土壤或水体中重金属铅污染的快速检测装置，其特征是所述操作单元为键盘(9)。
8.一种土壤或水体中重金属铅污染的快速检测方法，其特征是所述方法包括下列步骤: 步骤1:预备实验中，采用化学方法配置多组不同浓度梯度的含铅溶液； 步骤2:采用双硫腙作为比色原料，在碱性条件下，在柠檬酸铵-盐酸羟胺的还原性介质中，铅和双硫fe生成可被氣仿卒取的红色双硫fe铅络合物，即待测比色溶液； 步骤3:采用紫外-可见光分光光度计采集待测比色溶液的光谱数据，筛选出铅元素的特征敏感波段，即选择发光二级管的波峰值范围，并选择土壤或水体中重金属铅的快速检测模型； 步骤4:采集步骤2中萃取的待测比色溶液的光谱数据，其中，采集光谱数据具体包括: 步骤41:将步骤2得到的待测比色溶液放置于比色皿中； 步骤42:通过光源驱动单元驱动发光二极管，光源通过滤光片得到固定波长的光谱； 步骤43:用步骤42得到的光谱照射比色皿中的待测比色溶液，并投射在光电检测芯片上； 步骤44:通过光电检测芯片采集光谱数据； 步骤5:根据步骤3中确定的最优模型构建一元线性回归检测模型I = Ax+B，其中X为采集得到的光谱数据，A、B为系数常量，y为土壤或水体中的铅含量；步骤6:通过步骤I的铅含量和步骤4采集到的光谱数据，反演得到系数常量A，B的值，确定检测模型I = Ax+B ； 步骤7:采集被重金属铅污染的土样或水样，执行步骤2和步骤4采集得到光谱数据，将其代入检测模型I = Ax+B，得到铅含量y，并通过显示模块显示土壤或水体中的铅含量。
9.根据权利要求8所述的一种土壤或水体中重金属铅污染的快速检测方法，其特征是所述步骤3中筛选铅元素的特征敏感波段，并确定快速检测模型，具体包括: 步骤31:采用紫外-可见光分光光度计采集步骤2所获的待测比色溶液的光谱数据，其中光谱采集范围为全波段300-900nm，采样间隔lnm，采集点数600，通过数据处理软件对光谱数据进行处理，由相关系数法筛选出铅元素的特征敏感波段500-530nm，即，发光二极管的波峰值的范围为500-530nm ； 步骤32:采用数据平滑处理和基线校正的预处理方法处理步骤31所获的光谱数据，去除噪声干扰； 步骤33:在特征波段范围内，分别采用一元线性回归、多元线性回归、偏最小二乘法、主成分回归的建模方法对紫外-可见光波段的数据进行了处理，综合比较之后，选取其中的最优模型一元线性回归模型为土壤或 水体中重金属铅的快速检测模型。
【文档编号】G01N21/31GK103983589SQ201410228122
【公开日】2014年8月13日 申请日期:2014年5月27日 优先权日:2014年5月27日
【发明者】孙明, 张迪, 朱晓青, 李道亮, 位耀光, 刘春红, 王聪, 马华 申请人:中国农业大学
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