本发明涉及一种基于智能手机的水中氟离子比色传感器及其应用，属于环境监测领域。
背景技术：
氟是人体维持正常生理活动所需微量元素之一，人体从外界摄入的氟过多或者不足都会影响健康。水中氟含量超标(>1mg/l)是造成饮水型氟中毒的主要原因，这种情况在中国绝大部分地区都存在，特别是干旱和半干旱地区的浅层或深层地下水，因此开展氟化物检测及去除研究意义重大。比色法和离子选择性电极法是定量氟化物的主要手段，其中茜素磺酸锆比色法因灵敏度高，方法简单，响应快速，特别适宜于地表水及地下水中氟化物的监测。但传统的氟化物比色测定法需要用分光光度计进行吸收光谱的测量，最后根据朗伯-比尔定律进行定量分析。常用的分光光度计包括台式和便携式，均表现出造价高、普及化程度低等缺点，难以满足目前广泛的水质监测需求。
随着智能手机的日益普及，手机正逐渐成为人们生活中不可或缺的组成部分，普及化程度逐年升高。智能手机在硬件上集成了许多高性能的传感器，比如光传感器、压力传感器、温度传感器，除此之外，还拥有精确的gps定位功能、高速的数据处理能力、优秀的人机交互界面、开放性的操作系统，还能提供完善的互联网服务并具有强大的用户普及率。这些集成的功能模块及优势使智能手机有可能替代传统比色检测系统中独立的传感、命令输入、数据分析、结果显示等功能，使比色检测系统小型化、便携化，以达到现场、即时和智能检测的目的，尤其在条件恶劣和偏远地区的水安全监测中有望发挥重要的作用。基于智能手机的水质组分分析技术在过去十几年得到了快速发展，但目前主要集中在健康及食品安全领域。利用手机成像原理，结合茜素磺酸铅盐比色法对氟化物进行定量的研究也有了一定的报道，但以往的研究均利用了手机内置闪光灯，虽然减少了外置光源，但是不同手机闪光灯效果不一样，较难统一推广应用，且均为白光光源，需要结合复杂的光路系统或后续颜色模型算法实现氟化物的定量分析。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种基于智能手机的水中氟离子比色传感器及其应用，本发明结构简单，操作简便，成本低廉，具有较高的准确度，能实现实际水体中氟化物低成本的现场即时定量检测。
本发明提供的一种基于智能手机的水中氟离子比色传感器，它包括单色led光源、散光板、样品池、透镜和手机；
所述单色led光源经所述散光板后投射到所述样品池上，在所述样品池的透光一侧放置所述透镜，在所述透镜的焦距位置放置所述手机件，且与所述手机的感光元件对准。
上述的传感器中，所述单色led光源的波长可为560～580nm。
上述的传感器中，所述光源光经散光板后光束角为150～180°。
上述的传感器中，制成所述散光板的材料包括玻璃、聚苯乙烯(ps)、聚碳酸酯(pc)、聚乙烯(pe)、聚丙烯(pp)、聚氯乙烯(pvc)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(pet)、压克力(pmma)和丙烯酸(mma)中的至少一种。
上述的传感器中，所述透镜为平凸透镜。
上述的传感器中，所述手机的感光元件为cmos或ccd相机。
本发明传感器中，所述手机感光元件的像素为市面上常见手机的像素均能达到，本发明实施例中图片分析采用200*200pixel都能达到本发明目的。
本发明还提供了上述的传感器在检测水体中氟含量中的应用。
上述的应用中，所述水体具体包括湖泊、河流、水库、再生水和自来水中的至少一种。
本发明还提供了一种利用所述基于智能手机的水中氟离子比色传感器检测水体中氟含量的方法，包括如下步骤：1)将经过茜素磺酸锆比色反应后的样液置于所述样品池中；
2)所述单色led光源经所述散光板后投射到步骤1)中所述样品池上，然后经所述样品池的透射光通过所述透镜透射被所述手机的相机捕捉，得到图像；
3)提取所述图像中rgb信息，根据式(ⅰ)计算得到灰度值强度；根据如式(2)所示的朗伯比尔定律计算得到样液的吸光度值，根据得到的所述吸光度值，带入氟化物浓度测试标准曲线中计算，即得到水体中氟化物含量，即得到氟化物浓度与成像光谱信息的定量关系；
i＝0.299r+0.587g+0.114b式(ⅰ)；
a＝log(i0/i)式(2)；
上式(ⅰ)和式(2)中，i表示样液信号；i0表示空白信号；r、g、b分别表示红、绿、蓝三色的分量；a表示样液中氟化物的吸光度值。
上述的方法中，提取所述图像中rgb信息采用imagej软件。
本发明中，所述茜素磺酸锆比色反应采用本领域人员公知的技术方法；
所述氟化物浓度测试标准曲线为本领域技术人员采用公知的方法即可得到，常规的方法为配制一些列浓度的氟化物标准溶液，分别根据本发明方法测定其吸光度值，建立标准曲线。
本发明的效果和益处在于外置led单色光为激发光源，光路结构简单、紧凑，依赖成熟度高的手机摄像头为感光器件，极大缩短了新仪器研发进程，且结合手机所能提供的完善互联网服务以及强大的用户普及率，有望具有广阔的实用前景。本发明具有较高的准确度，能应用于实际水样的检测。本发明结构简单，操作简便，成本低廉，能实现实际水体中氟化物低成本的现场即时定量检测。
附图说明
图1是本发明基于智能手机的水中氟化物比色传感器光路结构示意图。
图2是本发明应用于氟化物标准样品的浓度测试曲线。
图3是本发明与传统实验室分光光度计应用于苏州地表水环境氟化物测试的结果比对图。
具体实施方式
下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法。
下述实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。
如图1所示，为本发明基于智能手机的水中氟化物比色传感器光路结构示意图。本发明基于智能手机的水中氟离子比色传感器，它包括单色led光源、散光板、样品池、透镜和手机；单色led光源经散光板后投射到样品池上，在样品池的透光一侧放置透镜，在透镜的焦距位置放置手机，且与手机的感光元件对准。
进一步地，单色led光源的波长可为560～580nm。
进一步地，光源光经散光板后光束角可为150～180°。
进一步地，制成散光板的材料包括玻璃、聚苯乙烯(ps)、聚碳酸酯(pc)、聚乙烯(pe)、聚丙烯(pp)、聚氯乙烯(pvc)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(pet)、压克力(pmma)和丙烯酸(mma)中的至少一种。
进一步地，透镜为平凸透镜。
进一步地，手机的感光元件为cmos或ccd相机。
手机感光元件的像素为市面上常见手机的像素均能达到。
实施例1、基于iphone8苹果智能手机的水中氟化物比色传感器在苏州地表水环境监测中的应用
本发明基于智能手机的水中氟化物比色传感器，为如图1所示的光路结构示意图；其中，手机具体选iphone8苹果手机，单色led光源的波长为570nm。光源光经散光板后光束角可为160°。制成散光板的材料包括玻璃。
在本实施例中，采集了苏州地表水41个监测点位的实际水样，运用本发明构建的比色传感器测试氟化物浓度。
具体步骤如下：水样与染料(化合物是茜素磺酸钠(c14h7o7sna·h2o)和锆盐(zrocl2·8h2o)生成红色络合物，其中茜素磺酸钠：锆盐＝700mg/l:300mg/l。)以体积比5：1比例混合，混匀反应2min后倒入样品池中进行图像获取，其中iphone8苹果手机的相机参数设定如下：iso固定为100，曝光时间为0，自动对焦。选取图像中的均匀部分作为分析对象，提取其中包含的rgb信息(采用imagej软件提取)，通过下式(ⅰ)i＝0.299r+0.587g+0.114b获取所选图像的灰度值信息。依据式(2)a＝log(i0/i)获取样品的吸光度值，其中i0是空白信号，i是样品信号；r、g、b分别表示红、绿、蓝三色的分量；a表示样液中氟化物的吸光度值。每个样品平行测定3次取平均值。根据如图2所示的氟化物标准样品的浓度测试曲线，配置氟化物标准水样：0.05，0.20，0.30，0.50，0.75，1.00，1.20，1.50，1.80，2.00mg/l，利用手机检测系统获取信号，对手机信号与氟化物浓度线性拟合得到。将样品得到的吸光度值带入上述氟化物标准样品的浓度测试曲线计算，即得到水样中氟化物的含量。即得到氟化物浓度与成像光谱信息的定量关系。
本系统所得测试数据与传统实验室分光光度计测试结果比对如图3所示。
由图3可知，本发明基于智能手机的水中氟离子比色传感器所测实际水样氟化物浓度数值与实验室分光光度计所测结果相近，相对偏差在-6.9％～8.8％之间，检测结果证明本发明具有较高的准确度，能应用于实际水样的检测。本发明结构简单，操作简便，成本低廉，能实现实际水体中氟化物低成本的现场即时定量检测。