一种光电法非接触式检测生物质硫化物的系统及方法与流程

本发明属于分析化学技术领域，特别涉及一种光电法非接触式检测生物质硫化物的系统及方法。

背景技术：

超声悬浮技术是利用声辐射力将物体悬浮在超声驻波场声压结点处的无容器处理技术，该技术能够以非接触的方式处理体积为几微升甚至几十皮升的样品，避免因容器壁的接触而带来不确定吸附、记忆效应、样品损失、样品污染等研究性误差或不利影响，排除了由于容器壁与样品间的相互作用对反应的干扰以及容器壁引起的光学干扰。

但是，目前常用的检测硫化氢的方法有：亚甲蓝分光光度法、荧光探针法、电化学方法、化学发光法以及色谱法等。亚甲蓝分光光度法在测定过程中需要对n,n-二甲基对苯二胺溶液进行稀释，稀释后溶液的ph值在0～2个单位内变动，使亚甲蓝的摩尔吸光系数发生变化，影响测定结果，且高浓度的亚甲蓝由于形成了二聚物和三聚物会使得测定结果偏离线性响应。荧光探针法中，所用的荧光探针需经复杂的合成过程，且荧光探针对细胞的毒性尚未研究明确。电化学方法中，由于在电极表面形成ag2s，所以电极在每次使用前需要进行修复和校正，工作量较大，且测定结果的重现性与修复及校正的准确度有关。色谱法也需经复杂的预处理过程才能对硫化氢进行定量分析。

技术实现要素：

为了克服现有硫化物检测技术所存在的问题，本发明提供了一种光电法非接触式检测生物质硫化物的系统，用非接触式反应，有效避免反应器皿干扰误差，能够实现精准检测、降低检测限，提高检测灵敏度。

同时，本发明还提供了利用上述光电法非接触式检测生物质硫化物的系统检测硫化物的方法。

本发明所采用的技术方案是：

一种光电法非接触式检测生物质硫化物的系统，包括在同一光轴上设置的光源1、入射光纤2、出射光纤5以及光电转换器6，其还包括设置在光轴上位于入射光纤2与出射光纤5之间的避光集气腔3以及与避光集气腔3通过管道连接的封装有惰性气体的反应器7，在避光集气腔3内管路上设置有吸附有甲基绿的滤纸4，滤纸4的中心与光轴重合，且避光集气腔(3)的进气口和出气口分布在滤纸(4)的两侧；

所述反应器7内设置有至少1个超声驻波悬浮单元以及超声反射单元9、样品注射单元10，超声驻波悬浮单元的超声发射端与超声反射单元9一一对应且相对设置；所述样品注射单元10的注射口与超声驻波悬浮单元的驻波悬浮点正对。

进一步限定，所述反应器7内还设置有调节支架和样品调节架13；所述超声驻波悬浮单元设置在调节支架上，并通过调节支架调整超声驻波悬浮单元与超声反射单元9之间的驻波悬浮点位置，所述样品注射单元10设置在样品调节架13上并通过样品调节架13调节样品注射单元10的位置和角度。

进一步限定，所述超声驻波悬浮单元是多个，且多个超声驻波悬浮单元的驻波悬浮点在同一条直线上等距分布或非定距分布，多个驻波悬浮点所连成的直线是水平直线或竖向直线或者倾斜斜线。

进一步限定，所述超声驻波悬浮单元包括依次设置的压电陶瓷堆81、振动输出杆82以及变截面变幅杆83，所述变截面变幅杆83包括至少2级子变幅杆，且一级子变幅杆的直径小于等于相邻上一级自变幅杆的直径，使子变幅杆之间连接成阶梯型变幅杆结构，最末一级子变幅杆的发射端截面呈球冠状。

进一步限定，所述振动输出杆82包括至少1节侧壁上开设有多条螺旋通槽的等截面直管构成的类弹簧管；多条螺旋通槽的起点在同一圆周线上均匀分布。

进一步限定，所述最末一级子变幅杆的球冠状发射端的圆心角为120～150°；高度h不超过对应子变幅杆直径的1/3。

进一步限定，所述样品注射单元10的注射口距离超声驻波悬浮单元的驻波悬浮点的距离不小于2mm；所述超声驻波悬浮单元的驻波悬浮点之间的距离为0.95～2.85cm之间。

一种利用上述的光电法非接触式检测生物质硫化物的系统检测硫化物的方法，其包括以下步骤：

(1)调整超声驻波悬浮单元的发射端与超声反射单元9正对后调整样品注射单元10的位置以及倾斜角度使样品注射单元10的注射口与超声驻波悬浮单元的驻波悬浮点正对；

(2)向反应器7内通入惰性气体，惰性气体通过管路进入避光集气腔3，光源1发出的光穿过吸附有甲基绿的滤纸4，在滤纸4的另一侧采集光信号强度，经光电转换后得到电压值，记录初始10～15s的电压值并取其平均值，得到加酸前的初始电压平均值，记为u0；

(3)启动反应器7内的超声驻波悬浮单元工作，通过样品注射单元10向超声驻波悬浮单元的超声场内注射过量的非挥发性酸和待测硫化物溶液，在惰性气体介质中超声波作用下使待测硫化物溶液与非挥发性酸在驻波悬浮点上混合并在声场作用下加快反应生成硫化氢气体；

(4)反应器7内生成的硫化氢气体与惰性气体混合通过管道进入集气腔3内，硫化氢气体与滤纸4上的甲基绿，使滤纸4上甲基绿的颜色从深绿色变为浅绿色或无色，随着滤纸4颜色的变化穿过滤纸4的光信号强度也发生变化，实时采集穿过滤纸4后的光信号强度，经光电转换后得到实时电压值，记为ut；

(5)根据电压值与吸光度之间的关系计算出待测硫化物溶液对应的吸光度值；再按照外标法用一系列浓度的标准硫化物溶液作出硫化物浓度与吸光度回归曲线，进而得到待测硫化物溶液所对应浓度。

进一步限定，所述步骤(3)在惰性气体介质中超声波作用下使待测硫化物溶液与非挥发性酸在驻波悬浮点上混合并在声场作用下加快反应生成硫化氢气体，具体是：在惰性气体介质条件下，超声驻波悬浮单元将指数型振动模态与螺旋型类弹簧纵振动模态和/或夹心式纵扭振动模态耦合，形成超声混沌场，使待测硫化物溶液与非挥发性酸在驻波悬浮点快速聚集，并在超声场作用下增加液体的接触面积，加速混合、反应。

进一步限定，所述非挥发酸是磷酸或者硫酸，硫化物是含有hs^-或/和s^2-的化合物。

本发明的光电法非接触式检测生物质硫化物的方法主要是在惰性气体介质条件下将阶梯型变幅杆结构与类弹簧等截面变幅杆结构以及夹心式变幅杆结构耦合使指数型振动模态与螺旋型类弹簧纵振动模态和/或夹心式纵扭振动模态耦合叠加实现纵向振幅放大，并指向性好的效果，使非挥发酸和硫化物溶液能够快速在驻波悬浮点聚集并在超声作用下增加接触面积，加快反应速率，实现非接触式反应，检测响应快，避免了常见的反应器皿由于容器壁的清洗以及力学影响而对反应造成较大误差的问题，降低细胞内源性硫化物所处的复杂基体对测定造成的干扰，此外本发明将反应产生的硫化氢气体富集在滤纸上，降低检测限，提高检测灵敏度，相对运行成本低，无污染、绿色环保、少投资、安全、清洁，适于推广应用。

附图说明

图1为实施例1的光电法非接触式检测生物质硫化物的系统的结构示意图。

图2为图1中的反应器7及其内部结构。

图3为图2中的振动输出杆8的结构示意图。

图4为实施例3中的振动输出杆8的结构示意图。

图5为粒子在发射端和反射端之间悬浮状态示意图。

图6为发射端和反射端之间表面总声压场示意图。

具体实施方式

现结合附图和实施例对本发明的技术方案进行进一步说明。

实施例1

参见图1，本实施例的光电法非接触式检测生物质硫化物的系统包括光源1、入射光纤2、出射光纤5、光电转换器6、集气腔3、滤纸4、反应器7、第一超声驻波悬浮单元8、第二超声驻波悬浮单元14、超声反射单元9、样品注射单元10、第一调节支架11、第二调节支架12以及样品调节架13。

本实施例的集气腔3是用聚甲醛材料制成的避光本体，在集气腔3的顶部和底部分别开设光入射孔和光出射孔，光入射孔和光出射孔正对，使光顺利通过。在光入射孔上安装入射光纤2，入射光纤2与光源1连接，光源1采用发光二极管，光源1经入射光线传导进入避光性集气腔3，光入射进入集气腔3的光斑与集气腔3的截面直径相等为佳，确保光信号检测结果精确。在光出射孔上安装出射光纤5，出射光纤5与光电转换器6连接，光电转换器6将接收的光信号转换成电压信号后输出。在集气腔3的侧壁上开设有进气口和出气口，在集气腔3的内腔中部垂直光路的方向通过安装框安装有滤纸4，该滤纸4是经过甲基绿溶液浸泡吸附有甲基绿，可与硫化氢发生反应。集气腔3的进气口和出气口分布在滤纸4的两侧。光源1、入射光纤2、滤纸4中心、出射光纤5在同一光轴上。集气腔3的进气口通过管道与反应器7连通。

本实施例的反应器7是玻璃或钢质反应容器，参见图2，第一超声驻波悬浮单元8通过第一调节支架11水平设置在反应器7内腔底部，第二超声驻波悬浮单元14通过第二调节支架12竖向吊装在反应器7的内腔，第二调节支架12固定在反应器7的顶部且第二调节支架12是轨道设施，使第二超声驻波悬浮单元14可做水平位移。第一超声驻波悬浮单元8的驻波悬浮点之间的间距和第二超声驻波悬浮单元14的驻波悬浮点之间的间距均为1.95cm，驻波悬浮点的位置是在超声半波长的整数倍位置上。对应超声反射单元9是2个，分别通过安装支座固定在第一超声驻波悬浮单元8和第二超声驻波悬浮单元14的发射端正对面位置。每个超声驻波悬浮单元与对应的超声反射单元9的相互间距为10.7mm，不超过半波长的3倍。样品注射单元10通过样品调节架13固定并通过样品调节架13可以调整注射角度使样品注射单元10的注射口与驻波悬浮点正对。样品注射单元10用于注射反应液，包括多个样品注射器，使用时在不同的样品注射器内填装不同的反应液。

进一步说明，第一超声驻波悬浮单元8和第二超声驻波悬浮单元14均包括依次设置的压电陶瓷堆81、振动输出杆82以及变截面变幅杆83，参见图3，压电陶瓷堆81是采用直径10.0mm、高18.0mm的锆钛酸铅材料制成，压电陶瓷堆81的横截面边界分别接地或终端电压。参考图2，振动输出杆82采用直径10.0mm的铝制圆直管制成，在圆直管的侧壁上开设有2条并列的螺旋通槽构成类弹簧结构，螺旋通槽的起点在同一圆周线上均匀分布，且螺旋通槽为左螺旋，也可以是右螺旋，其槽宽为1mm，螺旋升角为45°，螺距为32mm，螺旋圈数为2。变截面变幅杆83包括2级子变幅杆，且第一级子变幅杆的直径为10mm，长度为25.7mm，与振动输出杆82的振动输出端相连，第二级子变幅杆的直径为4.4mm，长度为24.5mm，第二级子变幅杆的发射端为球冠状，球冠状发射端的两圆心角为150°；高度h为1.2mm，不超过对应子变幅杆直径的1/3。第一超声驻波悬浮单元8和第二超声驻波悬浮单元14均是将阶梯型变截面变幅杆83结构与类弹簧等截面变幅杆结构耦合使指数型振动模态与螺旋型类弹簧纵振动模态叠加，使多种反应液出射后能够快速在驻波悬浮点聚集并在超声作用下增加接触面积。

进一步说明，本实施例的样品调节架13是由轨道、支腿以及球形夹座构成，支腿设置在轨道上并可沿着轨道做直线运动，球形夹座通过支腿固定在反应器7的内腔，球形夹座与支腿顶端球形铰接，在球形夹座的顶端开设有凹槽用以卡放样品注射单元10，为了保证夹持的稳定性，在凹槽内铺设橡胶缓冲层。

进一步说明，本实施例的样品注射单元10包括2个反应液注射器，反应液注射器的外壳卡放于球形夹座的凹槽内，夹持固定，反应液注射器的样品注射口与驻波悬浮点正对且驻波悬浮点的距离不小于2mm。反应液注射器的活塞端延伸至反应器7外侧，可手动推动注射，也可以与传动机构连接，实现自动化注液。

以人体尿液为待测样品，用上述系统实现光电法非接触式检测尿液中硫化物的方法，具体由以下步骤实现：

(1)调整第一调节支架11和第二调节支架12使第一超声驻波悬浮单元8的发射端与第一超声反射单元9正对，且直线距离为10.7mm，第二超声驻波悬浮单元14的发射端与第二超声反射单元9正对；第一超声驻波悬浮单元8的与第二超声驻波悬浮单元14的振动传播方向相垂直，且第一超声驻波悬浮单元8的驻波悬浮点与第二超声驻波悬浮单元14的驻波悬浮点在同一条水平直线上，间距为1.95cm。再利用样品调节架13对样品注射单元10的水平以及倾斜角度进行调整使样品注射器的注射口与对应的超声驻波悬浮单元的驻波悬浮点正对，使驻波悬浮点处的声悬浮力与反应液滴的重力满足：

其中：f表示声悬浮力，n

g表示反应液滴的重力，n；

f表示波数，为cm^-1；

g表示重力加速度，为9.8n/kg；

ρ0表示声场中声压幅值；

ρa表示反应液滴的密度，g/cm³；

u0表示质点振动速度的幅值；

z表示质点在竖直方向上的位移，cm；

(2)向反应器7内通入氮气，氮气通过管路进入避光集气腔3，光源1发出的波长为500nm的光穿过吸附有甲基绿的滤纸4，在滤纸4的另一侧采集光信号强度，在光电转换后得到电压值，记录初始前15s的电压值并取其平均值，得到加酸前的初始电压平均值，记为u0；

(3)启动反应器7内的超声驻波悬浮单元工作，通过样品注射单元10向超声驻波悬浮单元的驻波悬浮点上注射过量的浓度为10％(v/v)的磷酸和待测硫化物溶液，在惰性气体介质条件下，超声驻波悬浮单元将指数型振动模态与螺旋型类弹簧纵振动模态叠加，待测硫化物溶液与磷酸在驻波悬浮点上混合并能够快速在驻波悬浮点聚集并在超声作用下增加接触面积，加快反应速率，快速生成硫化氢气体；

(4)反应器7内生成的硫化氢气体与氮气混合通过管道进入集气腔3内，硫化氢气体与滤纸4上的甲基绿，使滤纸4上甲基绿的颜色从深绿色变为浅绿色或无色，随着滤纸4颜色的变化穿过滤纸4的光信号强度也发生变化，实时采集穿过滤纸4后的光信号强度，经光电转换后得到实时电压值，记为ut；

(5)根据电压值与吸光度之间的关系计算出待测硫化物溶液对应的吸光度值；再按照外标法用一系列浓度的标准硫化物溶液作出硫化物浓度与吸光度回归曲线，进而得到待测硫化物溶液所对应浓度。

实施例2

与实施例1不同之处在于：本实施例的光电法非接触式检测生物质硫化物的系统包括3个超声驻波悬浮单元，对应有3个超声反射单元9，反应液注射器是2个，3个超声驻波悬浮单元的驻波悬浮点在同一斜线上非等距分布，第一超声驻波悬浮单元8的驻波悬浮点间距、第二超声驻波悬浮单元14的驻波悬浮点间距均为0.99cm，而第三超声驻波悬浮单元的驻波悬浮点之间的间距为2.85cm。每个超声驻波悬浮单元与对应的超声反射单元9的相互间距为4.2cm。

进一步说明，第一超声驻波悬浮单元8和第二超声驻波悬浮单元14均包括依次设置的压电陶瓷堆81、振动输出杆82以及变截面变幅杆83，压电陶瓷堆81是采用直径15.0mm、高23.0mm的锆钛酸铅材料制成，压电陶瓷堆81的横截面边界分别接地或终端电压。振动输出杆82采用直径15.0mm的铝制圆直管制成，在圆直管的侧壁上开设有3条并列的螺旋通槽构成类弹簧结构，螺旋通槽的起点在同一圆周线上均匀分布，且螺旋通槽为左螺旋，也可以是右螺旋，其槽宽为2mm，螺旋升角为45°，螺距为32mm，螺旋圈数为3。变截面变幅杆83包括3级子变幅杆，且第一级子变幅杆的直径为15mm，与振动输出杆82的振动输出端相连，第二级子变幅杆的直径为10mm，第三级子变幅杆为圆锥形变幅杆结构，且发射端的直径为4.4mm，发射端为球冠状，球冠状发射端的两圆心角为150°；高度h为0.9mm。

其他的部件及其连接关系与实施例1相同。

以人体尿液为待测样品，用上述系统实现光电法非接触式检测尿液中硫化物的方法，具体由以下步骤实现：

(1)调整第一超声驻波悬浮单元8的发射端与第一超声反射单元9正对，且直线距离为10.7mm，第二超声驻波悬浮单元14的发射端与第二超声反射单元9正对；第三超声驻波悬浮单元的发射端与第三超声反射单元9正对，且直线距离为10.7mm；第一超声驻波悬浮单元8与第二超声驻波悬浮单元14以及第三超声驻波悬浮单元在同一条直线上等间距分布，对应第一超声驻波悬浮单元8的驻波悬浮点与第二超声驻波悬浮单元14的驻波悬浮点在同一条水平直线上，再利用样品调节架13对样品注射单元10的水平位置以及倾斜角度进行调整使样品注射器的注射口与对应的超声驻波悬浮单元的驻波悬浮点正对。

(2)向反应器7内通入氮气，氮气通过管路进入避光集气腔3，光源1发出的波长为500nm的光穿过吸附有甲基绿的滤纸4，在滤纸4的另一侧采集光信号强度，在光电转换后得到电压值，记录初始前10s的电压值并取其平均值，得到加酸前的初始电压平均值，记为u0；

(3)启动反应器7内的超声驻波悬浮单元工作，通过样品注射单元10向第一超声驻波悬浮单元8的驻波悬浮点上注射过量的浓度为2％(v/v)的三氯乙酸，向第二超声驻波悬浮单元14、第三超声驻波悬浮单元的驻波悬浮点上分别注射待测硫化物溶液，之后调整第一超声驻波悬浮单元8的驻波悬浮点与第二超声驻波悬浮单元14、第三超声驻波悬浮单元的驻波悬浮点重合，使待测硫化物溶液与三氯乙酸在惰性气体介质条件下，在重合的驻波悬浮点上混合并能够快速在驻波悬浮点聚集，同时，各个超声驻波悬浮单元的指数型振动模态与螺旋型类弹簧纵振动模态叠加，使待测硫化物溶液与三氯乙酸在驻波悬浮点上快速混合并能够在超声作用下增加接触面积，加快反应速率，快速生成硫化氢气体；

(4)与实施例1的步骤(4)操作相同。

(5)与实施例1的步骤(5)操作相同。

实施例3

与实施例1不同之处在于：参见图4，本实施例的超声驻波悬浮单元包括依次设置的压电陶瓷堆81、振动输出杆82以及变截面变幅杆83，本实施例的振动输出杆82是夹心式结构，即其包括2组类弹簧管，且2组类弹簧管通过金属过度块84连接，该类弹簧管是采用铝制圆直管制成，在圆直管的侧壁上开设有3条并列的螺旋通槽构成类弹簧结构，螺旋通槽的起点在同一圆周线上均匀分布，对于螺旋通槽的开槽参数与实施例1相同。本实施例的超声驻波悬浮单元将变截面变幅杆83结构与类弹簧等截面变幅杆结构以及夹心式变幅杆结构耦合使指数型振动模态与螺旋型类弹簧纵振动模态以及夹心式的纵扭振动模态叠加，超声在驻波悬浮点附近形成混沌场，使多种反应液出射后能够快速在驻波悬浮点聚集并在超声作用下增加接触面积，加快反应，实现非接触式反应。

其他的部件及其连接关系与实施例1相同。

用上述系统实现光电法非接触式检测尿液中硫化物的方法，与实施例1的方法相同。

实施例4

与实施例1不同之处在于：本实施例的光电法非接触式检测生物质硫化物的系统包括2个超声驻波悬浮单元，对应有2个超声反射单元9，2个超声驻波悬浮单元倾斜设置，且之间的夹角为45°，也可以在30～90°之间调整。

其他的部件及其连接关系与实施例1相同。

本发明的光电法非接触式检测生物质硫化物的系统中对于超声驻波悬浮单元的数量也可以是1个，也可以是多个，可根据反应体系的实际情况进行调整。

对本发明实施例1的超声驻波悬浮单元的超声悬浮反应效果通过软件模拟，得到仿真图如图5、图6所示。

由图5可以看出，该图展示了粒子在发射端和反射端之间的悬浮状态，将样品从样品注射单元中注入，发射端发射声场并经反射端反射后，在发射端和反射端之间形成声场，注入的样品则可如图所示处于多层悬浮的状态之下。可以从图6看出发射端和反射端之间表面总声压场的强弱，样品都悬浮在表面总声压场最弱的地方，该仿真结果符合理论计算。

上述实施例属于本发明的较佳实施例，其中未详细说明的支架结构、轨道结构以及调节结构的具体组成部件及结构以及连接方式均属于常规技术，可以参考常用技术手段实施并满足本发明的调节需求即可。