数字比色分析的教学方法、系统及样品室

1.本发明涉及数字比色分析教学技术领域，尤其涉及数字比色分析的教学方法、系统及样品室。


背景技术：

2.在对某些无色的检测对象(比如水溶液中的铅离子)进行测量的时候，将其通过一定的手段(比如显色反应)转变成有色物质进行检测是一种常用的、更为灵敏的方法。光度分析常用于有色溶液或者固体物质的颜色的量化表征。常用的光度分析仪器为紫外－可见分光光度计。对于有色物质来讲，它们在可见光区具有明显的吸收。紫外可见分光光度计通过测量有色物质对可见光的吸收程度来测定该物质的含量(浓度)，其定量的依据为朗伯比尔定律。该方法被广泛应用于环境、生化、食品等分析检测领域。
3.紫外－可见分光光度计的基本组成为光源、单色器、样品池、检测器和显示装置。光源一般采用氘灯和卤钨灯分别提供紫外和可见光。单色器包括狭缝和分光器件(光栅或棱镜)。样品池根据检测物质的不同分别采用石英或者玻璃材质。检测器通常为光电倍增管。显示装置一般为电子计算机。由此可见，紫外可见分光光度计需要精密、稳定的器件和专业的操作软件。此外，紫外可见分光光度计体积大，搬动仪器需要专门的仪器工程师。在分别检测液体物质和固体物质的吸光度值时，紫外可见分光光度计需要对样品室进行拆卸，更换不同的配件来满足检测的需要。在使用紫外可见分光光度计前，需要对操作人员进行专业的技术培训。总的来说，紫外可见分光光度计适于精密检测，但对安放和工作的环境要求高，仪器维护要求高，购置和使用费用昂贵(二十万元左右)；在仪器运行的过程中，开机预热需30分钟，自检、基线校正等环节比较耗时，一般完成一组检测需要1个小时左右。这些特点给一些实际应用带来了问题：不适于一些现场检测(比如环境急性污染)或者测量要求不高但测量样品量大(比如快速质检)的场合。
4.近年来，在科学研究领域发展出了数字比色法。其基本原理是：电子设备对所采集、存储和输出的图片色彩进行定量描述，即用不同的数值的定义不同的颜色。智能手机在拍摄图片时，对所获得的画面的每个像素点的颜色均通过其红、绿和蓝(r、g和b)三个不同分量的多少来完成相应赋值。在8位二进制编码下，r、g、b三个数值分别取0-255之间的整数。此外，还有多种描述色彩的模式，比如cmky(青、红、黄、黑)等。当一个伴随有表观颜色变化的化学反应发生时，通过智能手机或其他电子设备拍摄照片，然后直接在手机上采用某个应用程序(app)或将图片转入电脑用图像分析软件(比如photoshop)对颜色进行分析，从而可以获得其rgb值或/和cmky值。在此基础上，根据化学反应的实质，可对与显色程度(rgb值等)相关的分析对象(比如浓度)进行量的检测。
5.数字比色法由于其具有数据采集速度快，成本低廉的显著特点而被认为在现场检测、便携式检测等方面具有应用前景。
6.在大学化学专业的仪器分析课程中，光度分析方法、相关仪器及其应用是教学重点，围绕该方法进行与前沿科学研究相关的技术、应用拓展是教学的必要考量，因此将数字
比色法引入到大学化学专业学生的教学中对于贯通学生知识、拓宽学生视野、激发学生创新意识很有意义。


技术实现要素：

7.本发明的目的是提供基于数字比色分析的检测方法，用于解决现有技术问题：现有的对于数字比色分析的教学中，图片的rgb值受到环境(光影等)影响很大，容易出现数据极不稳定的情况；拍摄照片、读取rgb值和标准曲线建立不能在一台设备上完成，数据的传送麻烦，不利于快速获得结果；指导教师对学生实验过程的把握程度不够，对学生实验成绩的评定依据单一或较为随意，不能基于整个实验过程的预习、实验、学习、完成情况客观的评定。
8.为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
9.基于数字比色分析的检测方法，包括以下步骤：
10.本发明提供一种数字比色分析的教学方法，包括以下步骤：
11.s1.令学生将不同浓度的无色待测物标准品加入等量的显色剂，使之生成不同浓度的有色产物，得到一系列不同浓度的标准样品；
12.或者直接发放给学生一系列不同浓度的有色物质，作为标准样品；
13.s2.将标准样品装入比色皿中，并放入到样品室中，打开样品室光源，采用图像采集装置采集标准样品图像；
14.s3.选取标准样品图像显色部位的若干个点作为采样点，并采集这若干个采样点的r、g、b值并分别计算其平均值，将若干个采样点的r、g、b值的平均值作为标准样品的r、g、b值；
15.s4.建立出标准样品的浓度与r、g、b值的映射关系，并拟合出样品浓度与r、g、b值之间的三条标准曲线，并分别获取样品浓度与r、g、b值的标准曲线方程；
16.s6.设置一对于学生而言浓度未知的样品，记为未知样品，未知样品浓度教师事先知道；
17.让学生拍摄未知的样品照片，获取到未知样品照片的r、g、b值，并代入到各自事先获得的样品浓度与r、g、b值的标准曲线方程，获得三个相对应的未知样品的浓度，未知样品的浓度采用r、g、b值的标准曲线方程中线性相关系数最大的那一个作为最终浓度；
18.教师根据学生测得的标准曲线方程的线性相关系数及测得的未知样品浓度误差作为判定学生成绩的主要依据。
19.进一步地，所述图像采集装置为手机。
20.本发明还提供数字比色分析的教学系统，所述系统包括：
21.样品室，用于为需要拍摄的样品提供稳定统一的拍摄环境；
22.图像采集装置，用于拍摄样品图片；
23.云端服务器，包括有：色彩分析模块，用于根据图像采集装置拍摄的样品图片分析其r、g、b值；数据处理模块，用于根据样品图片的r、g、b值及其浓度值，拟合出样品浓度与r、g、b值之间的三条标准曲线，并建立出样品浓度与r、g、b值的标准曲线方程。
24.本发明还提供一种样品室，所述样品室的背部和底部均设置有朝向样品室内的光源；
25.所述样品室的顶面和四壁均采用白色的匀光板；
26.所述样品室的正面且位于非竖直中心线位置处开设有拍摄窗口；
27.所述样品室的侧面设置有可提拉的门。
28.进一步地，所述光源为圆盘形点光源阵列。
29.进一步地，所述拍摄窗口为4*4cm的正方形。
30.本发明至少具备以下有益效果：
31.1.本发明进行图像采集，并选点进行r、g、b值分析，再建立标准曲线方程的方式进行浓度确定，可以获得重现性高、稳定性好的浓度数据；通过将未知样品代入标准曲线方程的方式可以极快地获取浓度数据，并通过与实际浓度对比可以快速获得误差值，对学生成绩的评判速度明显提高，大大提高了教学效率。
32.2、本发明采用手机即可进行拍摄，且样品室构造简单，因此应用成本低，节省资金，且方便携带；
33.3、本发明通过样品室的设计，能有效减少拍摄时的图像误差，保证了数据的真实性和稳定性。
附图说明
34.为了更清楚地说明本发明实施例技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
35.图1为样品室的结构图；
36.图2为样品室的实物正面图；
37.图3为样品室的实物侧面图；
38.图4为本发明方法的具体一实施例(小程序)的示意图；
39.图5为摄像头或者手机背面正对样品池拍摄示意图；
40.图6为灯源图像；
41.图7为本发明方法流程图。
具体实施方式
42.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
43.本发明通过以下技术手段实现：
44.1原理
45.电子设备对所采集、存储和输出的图片色彩进行定量描述，即用不同的数值的定义不同的颜色。智能手机在拍摄图片时，对所获得的画面的每个像素点的颜色均通过其红、绿和蓝(r、g和b)三个不同分量的多少来完成相应赋值。在8位二进制编码下，r、g、b三个数值分别取0-255之间的整数。此外，还有多种描述色彩的模式，比如cmky(青、红、黄、黑)等。当一个伴随有表观颜色变化的化学反应发生时，通过智能手机或其他电子设备拍摄照片，然后直接在手机上或将图片转入电脑用图像分析软件(比如photoshop)对颜色进行分析，
从而可以获得其rgb值或/和cmky值。在此基础上，根据化学反应的实质，可对与显色程度(rgb值等)相关的分析对象(比如浓度)进行量的检测。
46.在学生群体中，智能手机已经被广泛使用。因此，本发明采用智能手机作为信号采集器。在实际应用过程中，针对学生群体中手机的品牌、型号各异的情况，可以开发了适用于苹果与安卓系统的微信小程序作为数据处理软件，学生或其他使用者不论使用何种手机，只要能使用微信，则都可以直接、免费使用该小程序进行数据处理。基于此，可以大大提高学生在实验过程中的实际参与程度，可以避免大型实验仪器教学时存在的仪器台件少、学生动手机会少的问题。由于手机在拍摄照片时，其拍摄的效果(亮度、光影等)受到外部条件的显著影响，所以为了保障照片拍摄条件，即数据采集条件的稳定，本发明设计了专用的样品室来大大降低拍摄时外部条件对照片拍摄的影响，既保障了数据的稳定性和重现性，为建立分析性能优越的数字比色分析方法及科学、严谨、具有指导性的教学方法提供了有力的保障。
47.2方法
48.参阅图7，本发明的方法的主要为：
49.s1.令学生将不同浓度的无色待测物标准品加入等量的显色剂，使之生成不同浓度的有色产物，得到一系列不同浓度的标准样品；
50.s2.将标准样品装入比色皿中，并放入到样品室中，打开样品室光源，采用图像采集装置采集标准样品图像；
51.s3.选取标准样品图像显色部位的若干个点作为采样点，并采集这若干个采样点的r、g、b值并分别计算其平均值，将若干个采样点的r、g、b值的平均值作为标准样品的r、g、b值；
52.s4.建立出标准样品的浓度与r、g、b值的映射关系，并拟合出样品浓度与r、g、b值之间的三条标准曲线，并分别获取样品浓度与r、g、b值的标准曲线方程；
53.s6.设置一对于学生而言浓度未知的样品，记为未知样品，未知样品浓度教师事先知道；
54.让学生拍摄未知的样品照片，获取到未知样品照片的r、g、b值，并代入到各自事先获得的样品浓度与r、g、b值的标准曲线方程，获得三个相对应的未知样品的浓度，未知样品的浓度采用r、g、b值的标准曲线方程中线性相关系数最大的那一个作为最终浓度；
55.教师根据学生测得的标准曲线方程的线性相关系数及测得的未知样品浓度误差作为判定学生成绩的主要依据。
56.以下提供一个具体实施例：(参阅图4)
57.2.1教师的课前准备过程
58.为了更有效地开展教学活动，开发的微信小程序包括了后台程序和前端两部分。后台程序安置于阿里云服务器，前端即安卓和苹果系统的手机均能直接免费使用的微信小程序“实验一点通”。当需要对学生开展实验教学时，教学可提前将上课学生的学院、姓名、学号导入到后台程序中，并且，可以根据实验课的内容上传相应的预习检测习题。同时，教师可以提前准备好介绍实验内容、原理、仪器操作、实验注意事项和实验拓展内容的微课视频上传至bilibili.com的账号中，然后在小程序后台的“视频”部分设定网页链接。
59.2.2学生课前预习过程
60.当学生开始课程学习时，可在手机上打开“实验一点通”，输入用户名和密码(对应于教师预先在后台上传的姓名和学号)登录，完成课前预习检测习题，得到预习分数。相应地，由于教师在后台设置了教学微课的网址，所以学生可以在小程序的“视频”部分点击相应的链接，观看教师推介的微课视频，获得对教学内容的更直观的学习和掌握。
61.2.3实验操作过程：样品准备－－图像采集－－数据处理
62.2.3.1样品准备：
63.在教师完成课堂讲授后，学生按照实验方案，配制不同浓度的溶液样品，包括标准样品和待测样品。将不同浓度的无色待测物标准品加入等量但过量的显色剂，使之生成不同浓度的有色产物，得到一系列不同浓度的标准样品(一般配制5个或以上标样，按照浓度从小到大的顺序依次对其编号)。取未知浓度的待测物加入显色剂，使之生成有色产物，得到未知样品。
64.2.3.2图像采集：
65.图像采集采用学生手机结合使用样品室完成。将有色溶液装入比色皿中(长方体形，一般大小为1cm2(底面)
×
4cm(高)，具有平整表面)，放入样品室中特定位置，打开样品室光源，将手机摄像头置于样品室窗口处，手机选择拍照模式，自动对焦，图像清晰后拍照，获得的照片自动进入手机相册。标准样品和未知样品均按照此操作完成照片拍摄。
66.2.3.3数据处理：
67.学生打开微信，找到我们自主开发的微信小程序“实验一点通”进行数据处理。在手机微信上打开小程序，选择“数字比色分析”，选择“标样”，选择“添加标样”，点击“选择图片”，点击“从手机相册选择”，点击一号标样的照片，点击“原图”，点击“完成”，选择“基本设定”，点击“浓度数值”，输入浓度，点击“样本/标样名”，输入样品名称，移动界面中的红色采样点(三个一组)到图片中溶液位置，点击“采样点”，“采样点”中分别读出了三个红色采样点处的r、g、b值及相应的平均值(即在三个采样点处，每个样品分别可读出三个r、三个g、三个b值，再分别求取其平均值)，点击“编辑”返回，继续按照上述操作依次添加其他标样的照片，分别获得样品系列溶液在照片中的r、g、b平均值。样品溶液的照片读取完毕后，点击“样本”，类似于上述操作添加未知样品的照片并获取未知样品溶液照片的r、g、b平均值。点击“标准曲线”，小程序会先通过前面已经输入的样品浓度及其相应读取的r、g、b平均值分别拟合出三条标准曲线及获得标准曲线方程(r、g、b平均值与样品浓度之间的关系式，一般为线性相关)，然后再将读取出的未知样品的r、g、b平均值分别代入上述获得的标准曲线方程中，计算出未知样品的浓度，实现定量检测的目的。
68.样品浓度的最终值采用r、g、b三种模式下所获得的线性相关系数最大的方程的计算结果。
69.2.3.4提交报告：
70.学生在完成实验操作之后，可以在小程序中点击“提交报告”。学生提交报告后，教师可以在后台中查看学生的报告。报告的内容包括学生拍摄并使用的标样和未知样品的照片、获得的标准曲线方程及其线性相关系数、测得的未知样品的浓度。
71.2.3.5成绩评定
72.教师在系统的后台可以查看学生完成预习答题的情况、观看视频的情况、拍摄的实验照片以及最终数据处理的结果，教师根据上述所有环节学生的表现给出实验成绩。
73.2.3.6系统
74.为了达到本发明方法目的，本发明至少需要构建一个系统，具体的，包括：
75.样品室，用于为需要拍摄的样品提供稳定统一的拍摄环境；
76.图像采集装置，用于拍摄样品图片；
77.云端服务器，包括有：色彩分析模块，用于根据图像采集装置拍摄的样品图片分析其r、g、b值；数据处理模块，用于根据样品图片的r、g、b值及其浓度值，拟合出样品浓度与r、g、b值之间的三条标准曲线，并建立出样品浓度与r、g、b值的标准曲线方程。
78.在以往的实验教学中，我们常采用的方式是：由于大型仪器(比如常用的光度分析仪器—紫外可见分光光度计)价格昂贵，所以用于学生实验教学的台件很少(往往只有2台左右)，学生在实验过程中是分组进行实验操作、以组为单位获得数据的。这样的条件制约使得学生在实验过程中并不能做到每个同学亲自动手，不能独立获得实验数据，存在“走过场，人到心不到，心到手不能到”的问题。另外存在的问题是：学生在课堂完成实验之后，在课后完成纸质实验报告的撰写并上交。在这个过程中，存在学生调整、更改实验数据的现象。这使得教师看到的实验报告不能真实、客观地反映学生的掌握程度、存在的问题、抹杀了学生之间，包括实验态度、技能、知识等能直接影响实验结果的因素的差异，从而导致教师对教学效果的误判、对学生成绩评定的有失公允。本发明基于学生的手机进行数据的采集和处理的，所有每个学生均有机会进行亲身的实践和操作，并且在完成时候后均可直接在小程序中提交实验报告，最终，教师以学生实验获得的标准曲线方程的线性相关系数及测得的未知样品浓度误差(未知浓度的溶液其浓度对于学生未知，但由于该溶液的储备液是教师给定的，所以其浓度教师是知道的)作为判定成绩的主要依据。这样做有两个优点：1，学生的实验数据完全由小程序产生，不能对其进行更改，有利于保持数据的客观性，给教师和学生提供更高的判断价值；2，有利于敦促学生在实验之前的预习、自检，在实验过程中的用心、严格自我要求，提高学生的学习自主性和学习效果。
79.3.样品室
80.本发明还提供一种样品室。
81.具体的，参阅图1，所述样品室的背部和底部均设置有朝向样品室内的圆盘形点光源阵列；
82.所述样品室的顶面和四壁均采用白色的匀光板；
83.所述样品室的正面且位于非竖直中心线位置处开设有拍摄窗口；
84.所述样品室的侧面设置有可提拉的门。
85.所述拍摄窗口为4*4cm的正方形。
86.关于该样品室的实物图，请参阅图2和图3。
87.样品室的作用是：将标准样品和待测样品放置在样品室内部位置，打开样品室的光源；将手机摄像头放置在样品室正面窗口处对样品室中放置的比色皿进行拍照。样品室的作用是减少图片拍摄过程中可能产生的光影响(如果拍摄不同标样，或者拍摄标样与未知样品光影条件不一致，则图片的rgb值读取就会存在很大的样间差异，给整个数字分析方法的分析检测性能带来很大影响)。
88.综合上述可知：
89.本装置实现了将前沿科研成果转化为规模化的学生实验，拓宽了学生视野，提升
了教学效果。
90.该装置可用于开设数字比色法的系列分析实验，其样品室制作成本低至不到100元，适于批量生产，规模化装配实验室；该装置的软件为微信小程序，采用学生自有手机进行数据采集和处理；总体而言，使用该装置可以使每个学生都有亲自动手实验的机会，对锻炼学生的思维、实验素养和创新意识都大有裨益；
91.该装置易于制作和维修，体积小，对安装环境没有特殊要求，便携；样品室采用高密板作为底座，稳当不易倾倒；采用木料作为框架，轻巧坚固；样品室一侧设置可提拉的门，便于放、取样品。
92.对于建立分析方法而言，数据的稳定、可靠极为重要。我们对该装置进行了细致地研究和尝试，使之在构造上能保障获得重现性高、稳定性好的数据：有几篇科技论文中提到了采用样品室获取图片，但存在以下问题：1，均采用摄像头正对样品池进行拍摄，这样的做法会导致图片中rgb值的极大误差。原因如下图5所示：样品池溶液对正对位置的物体会产生映像，该映像会被拍摄进照片中，导致照片中溶液处的颜色差异明显，rgb值读数误差很大，不能建立可信的数字比色分析方法。如果将手机摄像头偏离比色皿，手机背面的花纹或者颜色也会产生同样的后果。我们在手机背面粘贴上了一张条形码，拍照后如图4所示，条形码在比色皿照片中非常明显，b中a、b、c三处的rgb值明显是有差异的。为了避免上述问题，我们将样品室的拍摄窗口设计成仅有手机摄像头大小且位于中偏左的位置(如图1所示)，避免了拍摄时手机摄像头与样品室中心位置的样品放置点的正对，防止了拍摄时手机摄像头及手机背面在装有溶液(标样或未知样品)的比色皿中产生映像，极大地造成所拍摄的图片中溶液位置的颜色不均匀，数据误差极大。我们的实验数据显示，采用该设计后，获得的数据精密度《5％，能很好地满足分析方法的建立。
93.此外，因为图片中的rgb值大小与图片亮度有很大的关系，所以样品室内均匀的光线条件非常重要，我们的目标是即使比色皿在样品室中的放置位置稍有差异(对于学生群体操作而言，因为其细致程度有差异，所以肯定存在进行一系列样品测定的时候样品池放置位置不一致的问题)也不会导致明显的光线强度或者角度的变化，从而将光线因素引起的误差控制在非常小的范围内。本仪器采用了以下几个措施来进行保障：在样品室的背部和底部均设置有朝向样品室内的圆盘形点光源阵列，即面光源(如图6左所示)，相较于单一点光源或者线、带状光源，拍照时可以在样品室背面和底面获得更为分散且均匀的光线。样品室采用雷士照明100led节能灯盘，12w，白光光源。该灯灯盘直径12cm，灯珠分布密集且均匀，在其前方区域有较大的光强均匀且直射的空间。比色皿微小的位置差异不会产生较大的光强和光线角度的差异。尤其在对多个样品(比如5个)进行同时拍照时，点阵列(面)光源的优势更加明显。
94.另外，考虑到遮盖背景灯、透光、匀光的需求，我们采用白色的匀光板作为顶面和四壁：1，与透明玻璃相比，乳白色的匀光板可以将背景灯遮掉，使之不被拍摄进照片，影响比色皿中溶液的rgb值；2，透光均匀，进一步利于在拍照时获得均匀的光线，减少由于样品室内不同位置光线分布不同而造成的数据差异；3，样品室采用的led光源亮度高，使得室外光线变化对样品室内光线强度的影响程度可以忽略。
95.本仪器的图像采集器件即为操作者(学生)自有手机，普遍，无需投资，便携；在安卓和苹果手机上均可使用；调用本手机照片，无需增加数据传输步骤；直接给出检测结果，
无需转用电脑软件，方便快捷，帮助学生和教师客观地进行学习效果的判断；小程序中还可以观看仪器的使用教程、检测注意事项、化学操作技能、科普小知识等在线视频，非常方便仪器操作者(学生)的培训和自学、提升。
96.图像采集、数据读取及处理过程非常快速，在10分钟内可以完成。如果检测样品为固体(具有平面)，无需更换配件，直接可测，方法与溶液同。
97.以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。