专利名称：一种海水重金属实时检测系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及海洋环境水质检测技术领域，特别是涉及一种海水重金属实时检测系统。
背景技术：
目前，随着海洋资源日益备受重视，开展海洋信息共享，建立集海洋经济、资源、环境、灾害、生态等于一体的海洋信息共享网络服务系统，对于实现我国海洋的综合管理，提高人们的海洋意识，实施海洋强国和可持续发展战略具有巨大的科学效益、社会效益和潜在的经济效益。海水重金属实现在线检测分析是一件很困难的事，目前现有的重金属检测技术基本全在实验室完成。而实验室仪器精度虽高但是不能在现场使用，其原因就是实验室仪器价格昂贵、功耗大、体积大、结构复杂，且需要较长的分析时间、复杂和多步骤的分析过程， 对使用环境的要求比较高，且无法解决自动取样及样品在线前处理的技术难题，不适合现场检测。因此，不能进行海水重金属的实时检测。

发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种海水重金属实时检测系统，以克服现有技术不能进行海水重金属实时检测的缺陷。为达到上述目的，本发明提供一种海水重金属实时检测系统，所述系统包括光源 (1)、第一光纤耦合器(4)、校准样品池(5)、待测样品池(6)、第二光纤耦合器(7)、光电探测器(8)和控制及数据处理单元(20)；
所述光源(1)通过滤光片(2)、会聚透镜(3)连接所述第一光纤耦合器(4)的输入端； 所述第一光纤耦合器(4)的输出端分别通过所述校准样品池(5)和待测样品池(6)连接所述第二光纤耦合器(7)的输入端，所述校准样品池(5)内装有衬底标准液，所述待测样品池内装有待测海水样品；所述光电探测器(8)接收所述第二光纤耦合器(7)的输出端光信号，并将所述光信号转换为电信号送入所述控制及数据处理单元(20);所述控制及数据处理单元(20)根据所述电信号获取所述待测海水样品中待测重金属离子的浓度。其中，所述待测样品池(6)为上下两层一体结构，包括石英容器(61)和石英比色皿(62)，海水(9)、缓冲溶液(11)、改性剂(13)和显色剂(15)分别通过四个蠕动泵送入所述石英容器(61)，所述石英比色皿(62)通过蠕动泵输出废液(17)。其中，所述蠕动泵为12V直流固定转速蠕动泵。其中，所述石英容器(61)容积为1000 mL、上盖打孔分别供进样和搅拌器(19)使用；石英比色皿(62)为1 cm、5 mL石英比色皿且带有出液口。其中，所述光源(1)为高亮度高稳定食人鱼嘴形LED。其中，所述滤光片(2)为干涉窄带滤光片。其中，所述第一光纤耦合器(4)和第二光纤耦合器(7)为石英多模多芯光纤。
其中，所述光电探测器(8)为硅光电池。其中，所述控制及数据处理单元(20)包括接收子单元、存储子单元和比较子单元；
所述接收子单元，用于接收所述光电探测器(8)发送的电信号，并根据所述电信号获取待测海水样品的吸光度；
所述存储子单元，用于存储吸光度与重金属离子的浓度的对应关系； 所述比较子单元，用于将所述接收子单元获取的待测海水样品的吸光度与所述存储子单元存储的吸光度与重金属离子的浓度的对应关系进行比较，得出所述待测海水样品中待测重金属离子的浓度。其中，所述控制及数据处理单元(20)还包括供电控制子单元、蠕动泵控制子单元和搅拌器控制子单元；
所述供电控制子单元与所述光源(1)连接，用于控制所述光源(1)的稳流供电； 所述蠕动泵控制子单元分别与多路蠕动泵连接，用于控制所述多路蠕动泵的运行； 所述搅拌器控制子单元与所述搅拌器(19)连接，用于控制所述搅拌器(19)的运行。与现有技术相比较，本发明具有以下有益效果
(1)本发明的海水重金属实时检测系统易于实现海水金属离子在线检测；
(2)本发明的海水重金属实时检测系统结构简洁，可操作性强；
(3)本发明的海水重金属实时检测系统光学系统易于集成，光路稳定性好，成本低。


图1是本发明实施例的一种海水重金属实时检测系统的原理图。图2是本发明所用光源输出的光谱图。图3是本发明锌离子浓度与吸光度关系曲线图。其中，1 光源；2 滤光片；3 会聚透镜；4 第一光纤耦合器；5 校准样品池；6 待测样品池；7 第二光纤耦合器；8 光电探测器；9 海水；10 第一蠕动泵；11 缓冲溶液； 12 第二蠕动泵；13 改性剂；14 第三蠕动泵；15 显色剂；16 第四蠕动泵；17 废液；18 第五蠕动泵；19 搅拌器；20 控制及数据处理单元；61 石英容器；62 石英比色皿。
具体实施例方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式
作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。在海洋特殊环境条件下，只要能够很好地解决自动取样及进样机构、智能分析及传感网络等问题就能够实现对海洋环境进行在线、实时、自动检测。只要检测的操作、控制方便易行，对环境不产生污染，稳定性及灵敏度能够达到检测要求，这样将会节约大量人力资源，使检测数据更具有实效性，更加准确、有效的指导海洋环境重金属污染的防治和治
理工作。实施例1
本发明实施例的一种海水重金属实时检测系统的原理图如图1所示，所述系统包括光源1、第一光纤耦合器4、校准样品池5、待测样品池6、第二光纤耦合器7、光电探测器8和控制及数据处理单元20。所述光源1通过滤光片2、会聚透镜3连接所述第一光纤耦合器4的输入端。本实
4施例中，所述光源1为高亮度高稳定食人鱼嘴形LED，所述滤光片2为干涉窄带滤光片。所述第一光纤耦合器4的输出端分别通过所述校准样品池5和待测样品池6连接所述第二光纤耦合器7的输入端，所述校准样品池5内装有衬底标准液，所述待测样品池6 内装有待测海水样品。本实施例中，所述第一光纤耦合器4和第二光纤耦合器7为石英多模多芯光纤。所述校准样品池5为1 cm、5 mL可密封石英比色皿。所述待测样品池6为上下两层一体结构，包括石英容器61和石英比色皿62，海水9、缓冲溶液11、改性剂13和显色剂15分别通过四个蠕动泵送入所述石英容器61，所述石英比色皿62通过蠕动泵输出废液17。本实施例中，所述蠕动泵为12V直流固定转速蠕动泵；所述石英容器61容积为1000 mL、上盖打孔分别供进样和搅拌器19使用；石英比色皿62为1 cm、5 mL石英比色皿且带有出液口。所述光电探测器8接收所述第二光纤耦合器7的输出端光信号，并将所述光信号转换为电信号送入所述控制及数据处理单元20。本实施例中，所述光电探测器6为硅光电池。所述控制及数据处理单元20根据所述电信号获取所述待测海水样品中待测重金属离子的浓度。所述控制及数据处理单元20包括接收子单元、存储子单元、比较子单元、供电控制子单元、蠕动泵控制子单元和搅拌器控制子单元。所述接收子单元用于接收所述光电探测器8发送的电信号，并根据所述电信号获取待测海水样品的吸光度；所述存储子单元用于存储吸光度与重金属离子的浓度的对应关系；所述比较子单元用于将所述接收子单元获取的待测海水样品的吸光度与所述存储子单元存储的吸光度与重金属离子的浓度的对应关系进行比较，得出所述待测海水样品中待测重金属离子的浓度；所述供电控制子单元与所述光源1连接，用于控制所述光源1的稳流供电；所述蠕动泵控制子单元分别与多路蠕动泵连接，用于控制所述多路蠕动泵的运行；所述搅拌器控制子单元与所述搅拌器19连接，用于控制所述搅拌器19的运行。本实施例的海水重金属实时检测系统采用高亮度高稳定LED光源，经干涉窄带滤波片滤波后，将光束会聚耦合进光纤耦合器，此光纤耦合器的输出端分别连接装有衬底标准液的校准样品池和装有待测海水样品的待测样品池；光纤中传导的光强信号出射后，经此两种样品池溶液的吸收，透射光再经另一个光纤耦合器将光信号送至探测器。此时，校准样品池所在支路为校准光路，待测样品池所在光路为海水样品检测光路。两条光路经通断器两次分时工作，依据朗伯-比尔定律，通过对光电探测器检测到的信号(强度信号)的分析，就可得到海水样品中待测重金属离子的浓度。实施例2
本实施例中，以测定锌离子浓度为例，当采用实施例1所述的海水重金属实时检测系统时，具体操作方法如下
本实施例中，控制及数据处理单元20的核心芯片采用stm32ARM处理器；滤波片采用 535 nm窄带滤光片，光源通过535 nm窄带滤光片后输出光谱特性如图2所示。一、配制标准使用液
(1)双硫腙-四氯化碳使用溶液(透过率/=50%)
称取100 mg高纯双硫腙(C6H5N :NCSNHNHC6H5)，将其溶于250mL四氯化碳溶液中，充分搅拌，再经塞有脱脂棉的分液漏斗将有机相滤入棕色试剂瓶中(弃去初流液5 mL)；加入盐酸羟胺的硫酸溶液(10 mL盐酸羟胺溶液和10 mL硫酸溶液的混合液)，覆于有机相液面上， 置于冰箱中保存备用。取双硫腙贮备液20 mL,并加入四氯化碳溶液稀释至一定体积，通常为200 mL ；以四氯化碳溶液为参比液调零点，在1 cm测定池中采用535 nm波长测定其吸光度(透光率约为 r=50%)o(2)乙酸-乙酸钠缓冲溶液
称取136 g乙酸钠(CH3O)2NadH2O)放入500 mL烧杯中，用400 mL水溶解，加入60 mL 冰乙酸(CH3CO2H,密度P =1.05 g/mL)，混勻，移入500 mL锥形分液漏斗中；反复用10 mL双硫腙-四氯化碳使用溶液(透光率r=50%)萃取，直至四氯化碳层保持绿色为止；加入20 mL 四氯化碳溶液洗除水溶液中残留的双硫腙，弃去有机相，加水稀释至500 mL，贮存于聚乙烯瓶中。(3)硫代硫酸钠溶液(浓度为50 g/L)
称取25 g硫代硫酸钠(Na2S2O3 · 5H20，优级纯)于500 mL烧杯中，加水溶解并稀释至 500 mL，贮存于试剂瓶中。二、测绘标准曲线
第一步取6支250 mL锥形分液漏斗，各加入100 mL去离子水； 第二步分别移入0、1. 00,2. 00,3. 00,4. 00,5. 00 mL锌标准溶液，混勻； 第三步分别移入5. 0 mL乙酸-乙酸钠缓冲溶液，混勻； 第四步分别移入0. 5 mL硫代硫酸钠溶液，混勻；
第五步分别移入10.0 mL双硫腙-四氯化碳使用溶液，强烈振荡4分钟，静置分层； 第六步用滤纸(先经1+1硝酸溶液浸泡约10小时，再用去离子水洗净并晾干)吸干分液漏斗管颈内壁水分，并塞入滤纸卷，将有机相放入1 cm校准样品池中，在535 nm波长处测定吸光度^ (标准空白)和為，可得到锌离子标准浓度反应体系在535 nm的吸光度。以吸光度^为纵坐标，相应的锌离子浓度数为横坐标，绘制标准曲线，得到吸光度与重金属离子浓度的对应关系。三、将测试的标准曲线数据写入核心芯片stm32ARM处理器的只读内存ROM。四、现场测试
(1)测试衬底校准溶液(双硫腙-四氯化碳使用溶液)的吸光度；
(2)海水样品测试
通过蠕动泵在系统样品池中精确泵取液量100 mL去离子水、IOOmL海水水样，分别移入250 mL比色皿连接容器中，分别泵入5 mL乙酸-乙酸钠缓冲溶液、0. 5 mL硫代硫酸钠溶液和10. 0 mL双硫腙-四氯化碳使用溶液，强烈搅拌4分钟，使溶液有机相分层，进入石英比色皿中。测定水样吸光度纪。(3)数据处理
将测得的样品吸光度纪数据值，通过系统的控制及数据处理单元集成的标准曲线或线性回归方程计算模块求得海水中的锌离子浓度数值。具体计算方法如下 (a)双光纤光路光强校正
双光纤光路分光光度系统，不可能做到参比光路与待测样品光路空白光强完全相同。 因此，如果需要得到待测物质的吸光度，就必须对双光纤光路的光强信号进行校正，也就是在光源稳定情况下，寻找两光路之间光强比例关系，进而计算样品池入射光强的大小表征。 本实施例中，每间隔30秒重复记录10次两光纤光路电压信号的数据如表1所示。
表 权利要求
1.一种海水重金属实时检测系统，其特征在于，所述系统包括光源(1)、第一光纤耦合器(4)、校准样品池(5)、待测样品池(6)、第二光纤耦合器(7)、光电探测器(8)和控制及数据处理单元(20)；所述光源(1)通过滤光片(2)、会聚透镜(3)连接所述第一光纤耦合器(4)的输入端； 所述第一光纤耦合器(4)的输出端分别通过所述校准样品池(5)和待测样品池(6)连接所述第二光纤耦合器(7)的输入端，所述校准样品池(5)内装有衬底标准液，所述待测样品池 (6)内装有待测海水样品；所述光电探测器(8)接收所述第二光纤耦合器(7)的输出端光信号，并将所述光信号转换为电信号送入所述控制及数据处理单元(20)；所述控制及数据处理单元(20)根据所述电信号获取所述待测海水样品中待测重金属离子的浓度。
2.根据权利要求1所述的海水重金属实时检测系统，其特征在于，所述待测样品池(6) 为上下两层一体结构，包括石英容器(61)和石英比色皿(62)，海水(9)、缓冲溶液(11)、改性剂(13)和显色剂(15)分别通过四个蠕动泵送入所述石英容器(61)，所述石英比色皿 (62)通过蠕动泵输出废液(17)。
3.根据权利要求2所述的海水重金属实时检测系统，其特征在于，所述蠕动泵为12V 直流固定转速蠕动泵。
4.根据权利要求2所述的海水重金属实时检测系统，其特征在于，所述石英容器(61) 容积为1000 mL、上盖打孔分别供进样和搅拌器(19)使用；石英比色皿(62)为1 cm、5 mL 石英比色皿且带有出液口。
5.根据权利要求1所述的海水重金属实时检测系统，其特征在于，所述光源(1)为高亮度高稳定食人鱼嘴形LED。
6.根据权利要求1所述的海水重金属实时检测系统，其特征在于，所述滤光片(2)为干涉窄带滤光片。
7.根据权利要求1所述的海水重金属实时检测系统，其特征在于，所述第一光纤耦合器(4)和第二光纤耦合器(7)为石英多模多芯光纤。
8.根据权利要求1所述的海水重金属实时检测系统，其特征在于，所述光电探测器(8) 为硅光电池。
9.根据权利要求2至8任一项所述的海水重金属实时检测系统，其特征在于，所述控制及数据处理单元(20)包括接收子单元、存储子单元和比较子单元；所述接收子单元，用于接收所述光电探测器(8)发送的电信号，并根据所述电信号获取待测海水样品的吸光度；所述存储子单元，用于存储吸光度与重金属离子的浓度的对应关系；所述比较子单元，用于将所述接收子单元获取的待测海水样品的吸光度与所述存储子单元存储的吸光度与重金属离子的浓度的对应关系进行比较，得出所述待测海水样品中待测重金属离子的浓度。
10.根据权利要求9所述的海水重金属实时检测系统，其特征在于，所述控制及数据处理单元(20)还包括供电控制子单元、蠕动泵控制子单元和搅拌器控制子单元；所述供电控制子单元与所述光源(1)连接，用于控制所述光源(1)的稳流供电；所述蠕动泵控制子单元分别与多路蠕动泵连接，用于控制所述多路蠕动泵的运行；所述搅拌器控制子单元与所述搅拌器(19 )连接，用于控制所述搅拌器(19 )的运行。
全文摘要
本发明公开了一种海水重金属实时检测系统，包括光源、第一光纤耦合器、校准样品池、待测样品池、第二光纤耦合器、光电探测器和控制及数据处理单元；所述光源通过滤光片、会聚透镜连接所述第一光纤耦合器的输入端；所述第一光纤耦合器的输出端分别通过所述校准样品池和待测样品池连接所述第二光纤耦合器的输入端；所述光电探测器接收所述第二光纤耦合器的输出端光信号，并将所述光信号转换为电信号；所述控制及数据处理单元根据所述电信号获取所述待测海水样品中待测重金属离子的浓度。本发明结构简洁，可操作性强，光学系统易于集成，光路稳定性好，成本低，可有效的实现海水重金属在线检测，及时把握海洋水体重金属含量状况。
文档编号G01N21/31GK102539358SQ20111045493
公开日2012年7月4日 申请日期2011年12月31日 优先权日2011年12月31日
发明者付兴虎, 付广伟, 毕卫红, 王锁明 申请人:燕山大学