高精度便携水质检测的毛细液珠显微吸收荧光光谱架构的制作方法

1.本发明涉及分析、环保、生态技术领域，具体涉及一种高精度便携水质检测的毛细液珠显微吸收荧光光谱架构。


背景技术：

2.水体、大气、土壤及表层地质结构组成了与生物和人类密切关联的生态环境，矿产冶炼、工业生产及城镇化趋势极大影响了生态环境。其中，水体因其动态特性成为生态环境组成间的重要媒介，涉及降雨降雪、地表水及地下水等，因此水质检测和监测是把握生态环境状态的重要风向标，与周边气固环境的密切关联也致其内容繁复。全面的水质分析涉及了与生物和人类密切关联的ph、溶氧、微生物与bod和cod、浊度色度和颗粒物、营养盐(各种化学结合态氮、硫和磷等)、有机物(碳-氢-氧-杂原子结构等)、重金属(汞、砷、铅和镉等)、特殊冶金及其生产行业的元素离子(稀土、有色和钢铁等)，对水质的检测监控需求也推动相关分析检测技术的发展。
3.水质分析方法几乎涉及了所有分析原理，这种格局主要着眼于满足污染源分析的分辨和抗干扰能力，高精度分析、即污染源的检测限问题还有待在检测原理及其感测器精度方面继续开拓，如icp-ms、高能射线类和光谱法就是相对分析精度更高的检测手段，其中，采用光电倍增管为检测器的荧光光谱法分析精度相对更高(低于nm)，结合冷原子技术、各种显色剂和量子点纳米材料可进一步拓展并分辨污染源分析物种及其化学结合态，且仪器构架相对简单，因此有望成为可统一分子原子离子多物种、高精度、高分辨和抗干扰的水质分析主流手段，是目前水质分析发展的趋势之一。
4.上述各类检测技术的商业化产品种类较多，通常为满足高精度和抗干扰要求仅针对单一(类)物种分析，且价格昂贵、体积重量大、操作复杂(如液相操作、定标和清晰等)，不能同时满足多污染源同步、高精度、高速、自动化和可便携的现场高精度分析检测需求；另一方面，液相检测必然涉及液体样品及定标操作，因此携带液体较多、自身排污量大(分析样品、标定样品和清洗液等)，多检测目标时仪器自重和体积更会成倍放大；再者，仪器标定会受现场复杂环境和水质中众多未知组分干扰且繁复耗时，需要着重解决影响现场液相法高速操作和抗干扰等问题。液相微量化操作为解决上述诸多问题带来可能性。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种高精度便携水质检测的毛细液珠显微吸收荧光光谱架构。
6.为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
7.一种高精度便携水质检测的毛细液珠显微吸收荧光光谱架构，包括光谱光池架构、液体操作架构、控制架构及电源系统；光谱光池架构用于实现透射、吸收和荧光光谱检测；液体操作架构用于实现微量液体传输、混合、排出以及形成液珠；控制架构用于以软件统一致动原件和信号收集共同实现信号的自动化和智能化操作；电源系统为整体架构运行
提供供电服务。
8.优选地，所述水质检测是指液态物质、或存在于液态物质的检测。
9.优选地，所述光谱光池架构是指以液体微珠形成的光学系统，液珠在毛细管前段外部显露，液滴表面张力可以稳定液滴在毛细管前段外部停留，光源以入射光经由毛细管内腔照射毛细管前段液珠，一部分入射光被液滴吸收或产生荧光，一部分未被液滴吸收的入射光产生透射光，在入射光延伸至毛细管经液滴外部空间的对角和任意呈90
°
夹角处布置若干检测器，以分别完成透射光谱和荧光光谱的检测，吸收光谱由透射光谱差减获得。
10.优选地，在延伸空间布置的检测器为二极管感测器或高精度光电倍增管的任一一种或它们的组合；入射光为紫外二极管光源、氙灯、阴极射线管灯的任一一种或它们的组合。
11.优选地，所述液体操作架构是指以微流道-毛细管-液滴形成管网的微量液相操作架构，采用压电元件和电磁阀切换实现液流系统的精准致动和控制，实现自动化的系统定量标定和样品检测，包括检测样品、标样、显色剂和量子点、冷原子及氢化物发生剂、废液的液相操作的微量、定量和清洗操作的液体网络和枢纽，实现微量液体的传输、混合、液珠控制及排出。
12.优选地，所述控制架构统一协调上述光谱光池架构和液体操作架构的操作及其逻辑配合，并以配合软件控制致动和控制元件并收集感测器信号，主要包括压力致动控制、流体进样控制、感测器信号采集及计算机处理；
13.压力致动控制以压电陶瓷致动器为基础，利用高压直流电源，通过恒定电流输出设定模块、开关量控制模块、数模及模数转换模块、高压电压放大模块以及信号反馈模块的协同作用，实现流体控制；
14.流体进样控制以上位机设定为先导，液体通过光电隔离模块、细分及输出电流设定模块、脉冲模块、开关量控制模块、信号反馈模块的协同作用，实现高精度运动及位置判断，气体通过数模及模数转换模块、配合质量流量控制系统，实现精密控制与传输；
15.感测器信号采集利用光信号输出与光电倍增管的稳定传输，利用电路驱动模块、光电脉冲信号反馈模块、积分时间调整模块、高速放大电路模块、光电同步电路模块、数据采集模块与传输模块、数模模数转换模块、高效上位机数据处理分析模块，配合计算机软件进行数据处理；
16.计算机处理根据使用需求控制电源单元、压力致动单元或其他控制单元的触发与停止，采集分析来自感测器或其他信号采集单元的数据，并进行数据保存以及数据处理。
17.优选地，该毛细液珠显微吸收荧光光谱架构可以实现多物种高精度分析，多物种涵盖金属离子、营养盐、ph和溶氧、bod和cod、溶解氧、浊度色度和颗粒物。
18.优选地，该毛细液珠显微吸收荧光光谱架构便携牢固无废，主机重量小于5公斤、电源重量小于5公斤、主机体积小于30x30x30cm3，设有坚固可靠防震结构，仪器自带排污量收纳、容积《10ml，自带液体携带量总计《10ml。
19.优选地，该毛细液珠显微吸收荧光光谱架构具有可扩展功能，整体设计构架开放，可拼插结构设计，预留可能接口容纳成熟商业元件。
20.优选地，所述电源系统是指通过启动模块、隔离模块、开关量模块、自反馈模块、变换模块和稳压模块的同时工作，实现直流0-500v正负高压、交流0-220v电压、以及直流 36/
24/
±
15/ 12/
±
5v电压的稳定输出，以驱动设备能在常规市电下正常工作。
21.与现有技术对比，本发明的优点在于：
22.本发明可对水质分析进行高精度、便携、实时、在线、或原位检测和监控，对提高经济性、现场即时问题解决、降低劳动成本、提高工作效率将发挥至关重要作用。本发明产出仪器可广泛应用于医疗和健康、食品卫生、电子和显示、能源和矿产、生态环境保护、生产环境监控、污染源组成和形成特征、污染源源头特征以及危害机制等重大领域。因此，本发明直接成果产出和未来拓展极具广泛用途和发展前景，弥补市场空白，需求旺盛迫切。
附图说明
23.图1是毛细液珠显微吸收荧光光谱架构的技术路线图；
24.图2是显色剂及碳点组液相部件结构的正向剖视图；
25.图3是显色剂及碳点组液相部件结构的侧向剖视图；
26.图4是原子化液相气相部件(无点火)结构的正向剖视图；
27.图5是原子化液相气相部件(有点火)结构的正向剖视图；
28.图6a硅掺杂碳量子点溶液中加入稀土离子tb
3
的荧光光谱图；图6b为荧光淬灭比(f/f0)；
29.图7a、b、c和d为稀土元素tb
3
荧光与其浓度的线性关系图；
30.图8a和8c为硅掺杂碳量子点加入eu
3
或dy
3
离子前后的发射光谱图；图8b和8d为eu
3
或dy
3
离子线性拟合。
31.附图标记说明：1-光电倍增管；2-标样注射器；3-滤光镜转换器；4-标样液转换器；5-压电片堵头；6-压电片；7-活塞；8-样品入口一；9-样品出口；10-弹簧和磁阀；11-电磁组件；12-磁阀堵头；13-光源；14-镜片转换器；15-液珠出口；16-显色剂和碳点入口一；17-液体混合室一；18-显色剂和碳点入口二；19-样品入口二；20-显色剂和碳点入口三；21-标样液滴；22-还原剂入口；23-样品入口三；24-液体混合室二；25-气体室；26-点火线圈。
具体实施方式
32.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
33.水质检测和监测是把握生态环境状态的重要风向标，但内容繁复且倾向现场应用。现有水质分析仪器可满足高精度分析需要，但重量和体积大、价格昂贵、自身携液及排污量大，不能同时满足多污染源同步、高精度、高速、自动化和可便携的现场分析检测需求。解决上述问题需要统一并优化检测原理及方案，以光谱和电化学为主的液相检测方法可较好平衡检测精度和自身重量及体积，且其原理可支持多检测目标，同时可微型化流动操控。
34.为此，本发明提供一种高精度便携水质检测的毛细液珠显微吸收荧光光谱架构，涉及的关键核心技术包括微型化光室、微量化液路和协调选择切换的电子软件逻辑等。
35.具体的，采用毛细管效应的微流道传递混合液体样品及其涉及其它辅助液体，光室围绕毛细管顶部形成的液珠，进行受检水样的荧光和吸收原理为主的检测，采用多波段紫外二极管光源-滤镜配和光电倍增管的高精度选择性源-测构架，单个样品液珠体积在1μl量级，因此辅液和排污极小，完成现场1000-10000个样品检测仅产生ml级废液、便于消纳，
仪器标定采用齿轮转盘微液室内存现场背景水样配已知浓度标样，流动控制、样品和标定检测等协调切换由软件控制，采用坚固可靠防震和开放结构设计。
36.下面通过具体的实施例对本发明做进一步说明。
37.实施例1
38.本发明的一个特例可以是如下的技术路线，见图1，主要展现本发明可能仪器的结构、关联控制和功能逻辑。主要结构部件有感测单元包括光学单元和电化学单元、微流单元、致动与控制单元、原子发生单元、标定单元、储液和收液单元和软件单元，关联控制和自动化精准操作由软件完成。其中，光学单元完成分析检测，电化学单元预留商业微型电化学组件接口，微流单元和致动与控制单元共同完成样品的输运和混合，所有流道采用憎水材料，冷原子发生单元协助生成冷原子汞、砷氢化物并分解发生砷原子蒸汽，标定单元完成标样的自动配制，储液和收液单元提供显色或荧光发生助剂、并回收废液。阀门采用弹簧-电磁阀结构、压电-活塞结构。
39.实施例2
40.本发明的一个特例可以包括如下功能，按检测物种分为吸收光谱(检测多种价态氮硫磷营养盐、bod和cod、浊度色度和颗粒物等)、碳点分子荧光光谱(检测典型稀土离子)、原子光谱(检测典型重金属汞和砷)和电化学(ph和溶氧等)。每个样品分为三路进入吸收荧光室、原子光谱室及电化学室，其中，吸收荧光室的底部安置毛细管输送机构待分析的样品液滴，汞原子荧光光谱室链接混合器和冷原子室及压缩器、并列砷原子荧光光谱链接混合器和原子化器及压缩器)，分别完成冷原子发生和氢化物生成反应、点燃氢化物原子发生、收集汞和砷原子蒸汽的压缩提浓等；完成分析后的废液收集进废液室，标样配制由精密微量移液枪和转盘容器共同完成，转盘转动携带标样一次测定不同浓度标样制定分析体系的标线；标样转盘下部设置分离操作的吸收光谱滤光镜组盘，标样转盘同心外侧设置分离操作的荧光光谱滤光镜组。关键部件如流道、压电、磁阀、液珠、标样盘、原子化组件、光电检测、发光二极管的空间配合见图2-5所示。应用实例参看图6-8，其中，图6a表明制备的硅掺杂量子点在300nm激发光下荧光信号的随添加tb稀土离子连续变化，稀土离子添加进0.05mg/ml硅掺杂量子点溶液的tb稀土离子量为0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10and12mm。图6b表明在546nm处tb稀土离子于硅掺杂量子点中荧光与硅掺杂量子点自身荧光比值的线性变化。图7a和图7c分别是硅掺杂量子点检测自来水和湖水中稀土离子的行为，稀土离子以tb3 为例，结果表明在原理实验室条件下的复杂环境中硅掺杂量子点的稀土荧光检测能力依然保持，其检测限及检测范围内(0mm to 20mm)的线性度，分别为0.992和0.995，见图7b和7d，分别对应自来水和湖水环境。图8a和图8c分别是硅掺杂量子点检测检测稀土离子eu3 和dy3 的行为，结果表明硅掺杂量子点也对稀土eu3 和dy3 具有荧光检测能力，其检测限及检测范围内(0mm to 16mm)的线性度，分别为0.993和0.993，分别见图8b和8d。
41.实施例3
42.根据光源和光学感测设备的尺度、性能和精度，可采用紫外发光二极管-光电倍增管(pmt)组合构建吸收荧光单元，特殊地采用空心阴极灯(hcl)光源服务于冷原子发生荧光单元(cafs)和氢化物发生原子荧光单元(hg-afs)；
43.另一组合考虑尺度较大的全波段高强度氙灯(xel)光源和高分辨率线阵电荷耦合器件(ccd)检测器，可以光纤传导方式与本项目涉及光学室结合。
44.上述实施例只是为了说明本发明的技术构思及特点，其目的是在于让本领域内的普通技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡是根据本发明内容的实质所做出的等效的变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。