多波长校正的硝酸盐浓度检测与温补方法及系统、检测芯片与流程

本发明涉及水质监测，尤其涉及一种基于多波长校正的硝酸盐浓度检测与温补方法及系统，还涉及一种检测芯片。

背景技术：

1、硝酸盐是水体富营养化关键驱动因子，也是饮用水安全重大风险指标，其精准、快速原位监测对水资源保护、环境评估与污染预警具有不可替代的重要意义。

2、当前，硝酸盐的现场检测主要依赖紫外分光光度法，紫外吸收光谱法依托硝酸盐在紫外波段（如220nm）的特征吸收，具备无需化学试剂、响应速度快、易于连续在线监测的优势，已成为水体硝酸盐原位检测的主流技术路线。

3、然而，针对现有紫外吸收光谱法在复杂实际水体长期应用中，长期面临三大技术瓶颈：

4、其一，温补机制简单，难以应对复杂非线性影响。温度变化会同时引起水体吸收系数、光学器件性能及流体物理性质的改变，这些影响相互耦合，呈现显著非线性特征。现有方案如cn113406032a采用基于标定的分段线性温补曲线，cn102346162b通过硬件加热实现恒温控制，前者在宽温区精度有限，后者功耗高且难以微型化，均无法精确建模并补偿温度对光学系统的全局非线性效应。

5、其二，抗干扰能力不足，尤其缺乏对时变共模噪声的抑制。水体中溶解性有机物（dom）、浊度、悬浮物等背景成分在紫外区存在宽谱吸收，严重重叠于硝酸盐特征峰。现有技术如cn109142219b利用多波长校正扣除固定背景散射，但基于单光路设计，无法消除由光源强度波动、窗口污染或老化引起的时变共模信号衰减，导致长期监测稳定性差。

6、其三，系统集成度低，难以兼顾高精度与微型化。采用光谱仪、复杂光路与分立器件的系统（如cn117347298a）虽可通过全光谱分析提升精度，但体积庞大、成本高昂、功耗大，难以嵌入浮标、水下机器人等小型原位平台。而市面上微型化传感器往往因简化设计而牺牲精度，普遍仅能达到±0.1 mg/l-n水平，无法满足地表水ⅰ类标准等高精度监测需求。

技术实现思路

1、本发明针对现有技术中的光谱干扰严重、温补精度不足、缺乏系统性算法架构的缺点，提供了一种硝酸盐浓度检测与温补方法及检测芯片。

2、为了解决上述技术问题，本发明通过下述技术方案得以解决：

3、第一方面，公开一种多波长校正的硝酸盐浓度检测与温补方法，包括以下步骤：

4、采集测量信号，参比信号和温度；所述温度为待测水样所对应的温度；所述测量信号包括所述待测水样在硝酸盐特征吸收波长、溶解性有机物校正波长和浊度校正波长照射下产生的透射光强信号；

5、基于所述测量信号获得硝酸盐特征吸收波长、溶解性有机物校正波长和浊度校正波长所对应的吸光度，并基于所述吸光度计算获得仅保留硝酸盐特征信息的初步校正信号；

6、基于所述初步校正信号确定归一化特征；

7、基于所述归一化特征和温度，基于预设的数据驱动补偿模型获得相应的硝酸盐浓度；所述数据驱动补偿模型用于指示归一化特征和温度与硝酸盐浓度的非线性关系。

8、本技术公开一种三级串联、逐层剥离干扰的硝酸盐浓度检测与温补方法。它接收来自硬件层的测量信号和参比信号，通过光谱干扰差分扣除、实时共模噪声归一化、数据驱动非线性温补三个协同步骤，最终输出精确的硝酸盐浓度值，能够消除光谱干扰与温度漂移，提高检测精度。

9、作为一种可实施方式：

10、基于溶解性有机物校正波长所对应的吸光度确定dom干扰量；

11、基于浊度校正波长确定浊度干扰量；

12、基于所述dom干扰量和所述浊度干扰量对硝酸盐特征吸收波长所对应的吸光度进行校正，获得所述初步校正信号。

13、本技术通过利用不同物质的光谱‘指纹’差异，从混合吸收信号中初步分离出硝酸盐的贡献。

14、作为一种可实施方式：

15、所述硝酸盐特征吸收波长为220nm；

16、所述溶解性有机物校正波长包括240nm与275nm的波长；

17、所述浊度校正波长为300nm；

18、初步校正信号acorrected具体计算方式如下：

19、；

20、其中：

21、araw(λ)表示波长λ所对应的吸光度；

22、α、β、γ为常数系数。

23、作为一种可实施方式，所述参比信号为：

24、物理参比时硝酸盐特征吸收波长、溶解性有机物校正波长和浊度校正波长穿过填充有参考液的封闭参比腔所透射的光强信号，

25、或，波长参比时未通过待测水样的参比波长所对应的光强信号。

26、作为一种可实施方式，吸光度的计算方法为：

27、；

28、其中：

29、araw(λ)表示波长λ所对应的吸光度；

30、imeasure(λ)表示波长λ所对应的测量信号，即测量光路波长λ所投射的光强信号；

31、iblank(λ)表示波长λ所对应的背景光强；

32、所述背景光强为预先测定并配置的设定参数，或采用物理参比时，同步采集的对应波长的参比信号。

33、作为一种可实施方式：

34、当所述背景光强为相应的参比信号时，将所得初步校正信号作为归一化特征；

35、当所述背景光强为预先测定并配置的设定参数时：

36、确定当前参比信号与相应的初始标定值的比值，获得相应的干扰因子；

37、基于所得干扰因子确定所述归一化因子；

38、基于所述归一化因子对所得初步校正信号进行修正，生成相应的归一化特征。

39、第二方面，本发明公开一种多波长校正的硝酸盐浓度检测与温补系统，包括：

40、信号采集单元，用于采集测量信号，参比信号和温度；所述温度为待测水样所对应的温度；所述测量信号包括所述待测水样在硝酸盐特征吸收波长、溶解性有机物校正波长和浊度校正波长照射下产生的透射光强信号；

41、计算单元，用于基于所述测量信号获得硝酸盐特征吸收波长、溶解性有机物校正波长和浊度校正波长所对应的吸光度，并基于所述吸光度计算获得仅保留硝酸盐特征信息的初步校正信号；还用于基于所述初步校正信号确定归一化特征；

42、映射单元，用于基于所述归一化特征和温度，基于预设的数据驱动补偿模型获得相应的硝酸盐浓度；所述数据驱动补偿模型用于指示归一化特征和温度与硝酸盐浓度的非线性关系。

43、第三方面，本发明公开一种检测芯片，包括：

44、设置在同一基底上的光学检测模块、微流控模块及温度管理模块；

45、所述光学检测模块用于发射硝酸盐特征吸收波长、溶解性有机物校正波长和浊度校正波长对应的光，还用于检测穿过待测水样的测量信号，以及检测不通过所述待测水样的参比信号；

46、所述微流控模块包括用于容纳和流通待测水样的测量微流道；

47、所述温度管理模块包括用于测量微流道温度的温度传感器；

48、所述检测芯片还包括处理单元，所述处理单元与所述光学检测模块、所述温度传感器电性连接，所述处理单元用于执行上述任意一项所述的硝酸盐浓度检测与温补方法。

49、本发明摒弃了传统庞大、分立的光学系统，通过微纳制造与异质集成技术，将完整的双光路光学检测系统、微型流道及温控单元高度集成于单一芯片基底之上。

50、作为一种可实施方式，所述光学检测模块包括多波长led阵列光源和双光路探测单元；

51、双光路探测单元包括用于接收穿过待测水样的测量信号的第一光电探测器，以及用于接收不通过待测水样的参比信号的第二光电探测器；

52、微流控模块位于多波长led阵列光源和双光路探测单元之间，所述多波长led阵列光源、所述微流控模块及所述双光路探测单元配合形成穿过所述测量微流道中待测水样的测量光路，以及不穿过所述待测水样的参比光路。

53、作为一种可实施方式：

54、所述参比光路采用波长参比或物理参比；

55、采用波长参比时：

56、所述参比光路仅通过共有光学窗口而不经过待测水样；

57、且多波长led阵列光源中设有独立于硝酸盐吸收谱的紫外led，用于发射参比波长，所对应的参比信号为所述参比波长通过所述参比光路所生成的透射光强信号；

58、采用物理参比时：

59、微流控模块中增加与测量微流道平行的参比腔，所述参比腔为充满去离子水的封闭微腔，使得所形成的参比光路与测量光路结构完全相同；

60、所对应的参比信号为硝酸盐特征吸收波长、溶解性有机物校正波长和浊度校正波长通过所述参比光路所生成的透射光强信号。