一種用于水體污染物檢測的流動注射顯微拉曼光譜裝置及檢測方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于水環境污染監測技術領域，涉及一種用于水體污染物檢測的流動注射顯微拉曼光譜裝置及檢測方法。
【背景技術】
[0002]近年來，隨著工業發展、城鎮化提速以及人口數量的膨脹，我國對水資源的需求日益增長；與此同時，大量的工業廢水和城鄉生活污水的肆意排放，導致地表水和地下水水質日趨惡化，江河湖泊水質污染和飲用水安全問題時有發生，嚴重制約著經濟和社會的可持續發展。實時檢測、分析及預測水質參數狀況、變化規律和演化趨勢是進行水環境污染控制與治理的重要手段。經過長期研究和實踐，國內外已經積累了一系列基于化學分析和光譜分析的水質檢測技術。目前常見的化學分析法主要有富集法、分光光度法、電化學分析法等。這些方法技術成熟，定量分析可靠，但檢測時間長，操作程序繁雜，樣品易被污染，檢測結果不能及時的反應水質的變化情況，而且反應過程中需要消化大量的化學試劑，測量成本提高，生成的廢液容易造成二次污染。
[0003]光譜分析法主要有原子吸收光譜法、熒光光譜法、紫外/可見光譜法、拉曼光譜法等。原子吸收光譜法檢測精度高，但耗能多，體積大，不適合野外實時監測；熒光分析法僅對具有熒光效應的有機物檢測具有優勢，同時也存在淬滅、自吸收、內濾光等不穩定因素；紫外/可見吸收光譜法難以適應不同類型與不同污染程度的污水，檢測準確性差；紅外光譜法不太適用于水質，因為水在紅外區有很強的吸收，且在水樣中紅外光譜的檢測限較低。拉曼光譜分析法無需樣品預處理、分析速度快、操作簡單、易于實現在線分析以及對樣品的微量檢測，可為日常水質監督檢測及水污染事件發生后快速追蹤污染源提供積極有效的幫助。王燕、李和平(地球與環境，2014，42(2))等人闡述了拉曼光譜在水中無機物、有機物檢測中的可行性及拉曼檢測的優勢。專利CN204101462 U公開了一種拉曼光譜水質原位監測裝置，主要是通過自動清洗探頭裝置來實現水質的原位檢測。
[0004]流動注射分析結合集成化微管道系統可實現液體流動可控、快速分析，在生物、環境、化學等領域得到廣泛應用。通過在微管道上構造納米結構陣列形成具有表面增強拉曼基底的微流控芯片可進一步提高檢測的靈敏度和準確性；同時，顯微拉曼光譜技術既可觀察到水樣的微區圖像又可提高分辨率，實現待測水樣的微區無損檢測，為水質檢測分析提供了一種新途徑。專利CN 103808948 A公開了一種用于農藥殘留現場檢測的微流控芯片系統及方法，主要采用微流控芯片通過吸光度法來快速準確測量農藥殘留，但未涉及拉曼光譜檢測法。因此，在現有技術基礎上發展一種用于水體污染物檢測的流動注射顯微拉曼光譜裝置來彌補傳統方法的不足，提高水質在線檢測的靈敏度、準確性及智能化水平具有重要意義。

【發明內容】

[0005]有鑒于此，本發明的目的在于提供一種用于水體污染物檢測的流動注射顯微拉曼光譜裝置及檢測方法，能夠實現待測水樣的快速、準確檢測分析，提高檢測的自動化和智能化水平，為水污染治理與決策提供數據支持。
[0006]為達到上述目的，本發明提供如下技術方案:
[0007]—種用于水體污染物檢測的流動注射顯微拉曼光譜裝置，該裝置包括進樣模塊、電源模塊、光學采集模塊、檢測分析模塊、結果顯示輸出模塊、定位及無線通信模塊；
[0008]所述電源模塊為整個檢測裝置提供電能，并進行電源管理；所述進樣模塊將待測水樣輸送至微流控芯片中，同時調整微流控芯片的位姿實現待測水樣與顯微拉曼模塊間的精確定位與調焦；所述光學采集模塊收集待測水樣的拉曼散射信號并經過光電轉換后送入檢測分析模塊，測試水樣中污染物的成分及含量；所述檢測結果在顯示終端輸出顯示，并通過定位及無線通信模塊將待測水樣點的位置及水質污染情況傳輸至上級監控中心，實現遠程實時監控。
[0009]進一步，所述電源模塊包括系統電源，太陽能電池以及電源管理器；檢測裝置通過系統電源供電，太陽能電池作為備用電源，當斷電或系統電源故障時，電源管理器將電源切換到太陽能電池供電模式，以維持檢測分析過程正常進行。
[0010]進一步，所述進樣模塊通過微栗抽取水樣，并通過微栗前的過濾網以及微栗后的精濾器進行多次過濾，再通過多通控制閥選通流路，由注射栗將待測水樣注射至預定流路的微流控芯片中，通過調整旋轉樣品臺和位移調節臺的位姿實現微流控芯片中的水樣與顯微拉曼模塊間的精確定位與調焦。
[0011]進一步，所述微栗為可調流速栗，流速調節范圍為0.5-20ml/min，可根據實際測試需求設置流速；所述的過濾網采用金屬網濾芯或金屬粉末燒結濾芯，并在精濾器上設置有一層反滲透膜；所述的多通控制閥為4-16位，所述的注射栗為蠕動栗或恒流注射栗，其流速為0.05-5ml/min，可根據實際測試需求設置流速；所述的微流控芯片為流道內通過構筑納米結構陣列形成具有表面增強拉曼基底的芯片，微流控芯片的流道寬度為寬度為10-200um，深度為10-200um ;所述的位移調節臺和旋轉樣品臺均采用直流電機或步進電機驅動，實現XYZ方向的平移和繞Z軸方向的旋轉運動，所述的旋轉樣品臺固定在位移調節臺上可隨之平移，旋轉樣品臺上設置有周向均布的N個芯片槽，通常取4-16個，微流控芯片放置于芯片槽中。
[0012]進一步，所述光譜采集模塊通過顯微拉曼模塊收集待測水樣的拉曼散射信號，由顯微拉曼模塊進行光電轉換后送入檢測分析模塊進行分析處理，同時通過顯微拉曼模塊中的顯微鏡攝像頭采集水樣的微區圖像并對感興趣的區域進行詳細分析；所述顯微拉曼模塊采用的入射激光波長可為532nm，633nm，785nm，1064nm，可根據需求進行選擇。
[0013]進一步，所述檢測分析模塊包含有主控芯片處理器，智能分析軟件及相關外圍電路，所述主控芯片可為單片機、DSP處理器或FPGA處理器，智能分析軟件中嵌入有水體污染物的標準拉曼圖庫，定性分析單元和定量分析單元；在該模塊中完成水樣中污染物成分及含量的分析計算，并將檢測水樣點的位置信息，水質檢測報告等通過通信接口發送至顯示終端；所述顯示終端可為LED顯示屏、IXD顯示器、PC機。
[0014]本發明還提供了一種用于水體污染物檢測的流動注射顯微拉曼光譜檢測方法，包括以下步驟:
[0015]1)開啟微栗抽取待測水樣至多通控制閥進水孔中，然后開啟多通控制閥選通微流控芯片，再由注射栗將水樣注入所選定的微流控芯片中；
[0016]2)調整旋轉樣品臺和位移調節臺的坐標，使微流控芯片中的待測水樣與顯微拉曼模塊精確定位和調焦；
[0017]3)開啟激光器，顯微拉曼模塊將入射激光聚焦到微流控芯片上，并收集待測水樣產生的拉曼光譜散射信號，并將該信號送入檢測分析模塊中進行分析處理；檢測完畢后轉動旋轉樣品臺，切換到下一個待測樣品位置；
[0018]4)檢測分析模塊通過拉曼譜圖比對以及定性定量分析計算，測試出水樣中污染物的成分和含量，并將結果輸出至顯示終端；同時，通過定位及無線通信模塊將待測水樣點的地理位置信息及檢測結果發送至上級監控中心，實現遠程實時監控。
[0019]本發明的有益效果在于:
[0020]1、旋轉樣品臺上可放置多個微流控芯片，實現一次放置多次檢測，從而節約芯片安放時間，提尚檢測效率。
[0021]2、通過位移調節臺和旋轉樣品臺使微流控芯片中的水樣與顯微拉曼模塊之間精確定位和調焦，提高檢測靈敏度和準確性；位移調節定位過程通過驅動電機控制，調節過程快速，準確，提高了檢測過程的自動化水平。
[0022]3、通過顯微拉曼的顯微鏡攝像頭既可觀察到水樣的微區圖像又可提高分辨率，實現待測水樣的微區無損檢測。
[0023]4、整個檢測過程無化學試劑污染、分析速度快、易于實現在線分析。
[0024]5、通過定位及無線通信模塊可以將待測水樣點的位置及水質污染情況傳輸至上級監控中心，實現檢測數據共享，便于遠程實時監控。
【附圖說明】
[0025]為了使本發明的目的、技術方案和有益效果更加清楚，本發明提供如下附圖進行說明:
[0026]圖1為本發明的結構原理框圖；
[0027]圖2為本發明的總體構成圖；
[0028]圖3為本發明的工作流程示意圖；
[0029]其中:1.電源模塊；101.系統電源；102.太陽能電池；103.電源管理器；2.進樣模塊；201.過濾網；202.微栗；203.精濾器I ;204.精濾器II ；3.多通控制閥；4.注射栗；5.旋轉樣品臺；501.微流道SERS芯片；6.位移調節臺；7.驅動控制卡；8.廢液瓶；9光學采集模塊；901.激光器；902.顯微拉曼模塊；903.顯微鏡攝像頭；10.A/D信號轉換器；11.檢測分析模塊；1101.拉曼圖庫；1102.定性分析單元；1103.定量分析單元；1104.主控芯片處理器；12.顯示終端；13.定位及無線通信模塊；1301.北斗/GPS定位器；1302.無線通信單元。
【具體實施方式】
[0030]下面將結合附圖，對本發明的優選實施例進行詳細的描述。
[0031]圖1為本發明的結構原理框圖，如圖所示，本發明所述的用于水體污染物檢測的流動注射顯微拉曼光譜裝置包括進樣模塊2，電源模塊1，光譜采集模塊9，檢測分析模塊11，結果顯示輸出模塊12、定位及無線通信模塊13等。電源模塊1為整個檢測裝置提供電能，并進行電源管理。進樣模塊2將待測水樣輸送至微流控芯片501中，同時調整微流控芯片501的位姿實現待測水樣與顯微拉曼模塊間的精確定位與調焦。光學采集模塊9收集待測水樣的拉曼散射信號并經過光電轉換后送入檢測分析模塊11，測試水樣中污染物的成分及含量。檢測結果在顯示終端12輸出顯示，并通過定位及無線通信模塊13將待測水樣點的位置及水質污染情況傳輸至上級監控中心，實現遠程實時監控。