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CN109520983A - 一种基于dom的水质评价方法及装置 - Google Patents

一种基于dom的水质评价方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于DOM的水质评价方法及装置，计算机控制激光器发射紫外激光入射到待测水样上，待测水样产生散射光信号和荧光信号，散射光信号和荧光信号先经滤光器进行滤光，再经光栅分光系统分光，然后经过光学镜头聚焦到光电探测器表面并转化为电信号传输至计算机进行数据处理得到光谱曲线，获取光谱曲线中的拉曼峰强度、荧光峰强度和背景噪声光谱强度，根据水质评价公式计算所述待测水样的Dm值。通过光谱曲线能够快速评测待测水样中DOM含量，可以实时测定水质，有助于及时了解和改善水质，对选择水质具有指导意义；并且该装置使用微型的半导体激光器和分光系统，且电路板高度集成化，大大减小了荧光光谱仪的装置体积，使得装置便携，方便使用。

Description

一种基于DOM的水质评价方法及装置
技术领域
本发明涉及水质检测领域，特别是涉及一种基于DOM的水质评价方法及装置。
背景技术
溶解性有机质(Dissolved OrganicMatter，DOM)是一种高度异质混合物，在生态系统过程中起着重要作用，多指动植物遗体分解、生物代谢产生的降解物及大分子化合物，占其主要成分的是腐殖质，腐殖酸会通过光衰减，养分有效性和污染物迁移等作用对生态的健康造成重大的影响，因此可以采用DOM来反映水体受污染程度，作为水质检测中的一项重要指标。
传统的检测DOM的浓度方法测定起来十分费时,手续也很繁杂,不能及时监测时刻变化的水质，随着光谱技术的发展，大量的荧光技术应用在水质检测中，它的原理是利用某些物质被紫外光照射后处于激发态，从激发态跃迁到基态(去激发)时所发生的能反映出该物质特性的荧光，可以进行定性或定量分析的方法。尽管构成DOM的这些有机物化学结构复杂,无法确定其分子量,但腐殖酸中包含芳香族化合物的苯环,甚至还包括由两个以上的苯环构成的多环芳香族化合物,这种结构为荧光分析法进行测定奠定了基础，现有技术中根据这一特点,得到了激发波长345nm,发射波长425nm的光谱,从而测出了腐殖酸的浓度,以此作为考察水体中有机物相对含量多少的综合指标。之后，许多学者也通过对河流，海洋和废水中的有机物的研究，确定了荧光和有机物之间的关系。
目前常用检测DOM浓度的荧光方法是三维荧光光谱法，三维荧光光谱法虽然精度高，但需要连续变波长激发光源，测量时间长，而且设备体积大、结构复杂，操作过程繁琐。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于DOM的水质评价方法及装置，实现快速、实时地评测水中的DOM含量。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种基于DOM的水质评价方法，所述方法包括：
控制激光器发射紫外激光入射至待测水样，所述待测水样受到所述紫外激光激发产生散射光信号和荧光信号；
将所述散射光信号和所述荧光信号先进行滤光，再分光，得到分光后的所述散射光信号和分光后的所述荧光信号；
将所述分光后的所述散射光信号和所述分光后的所述荧光信号通过光学镜头聚焦到光电探测器表面并转化成电信号；
获取所述散射电信号，并进行数据处理得到光谱曲线；
获取所述光谱曲线中的拉曼峰强度、荧光峰强度和背景噪声光谱强度，根据水质评价公式计算所述待测水样的Dm值，所述水质评价公式为
其中，Dm表示水中溶解性有机质的含量，IR代表水包括荧光背景的拉曼峰强度，IF代表水在一定波长位置的荧光峰强度，I0表示背景噪声光谱强度。
一种基于DOM的水质评价系统，所述装置包括：计算机、激光器、滤光片、光栅分光系统、光学镜头、和光电探测器，所述计算机控制所述激光器发射紫外激光，所述紫外激光入射到待测水样上，所述待测水样产生散射光信号和荧光信号，所述散射光信号与所述荧光信号先通过所述滤光片，再通过所述光栅分光系统，经所述光学镜头后聚焦到所述光电探测器件表面上，产生的电信号传输至所述计算机。
可选的，所述激光器为半导体激光器。
可选的，所述待测水样装在测试瓶中，所述测试瓶透明。
可选的，所述紫外激光光路与所述光栅分光系统的光轴形成夹角。
可选的，所述光电探测器采用CCD或CMOS面阵或线阵探测器。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明设置了半导体激光器，能够激发水中溶解性有机质产生荧光，根据待测水样产生的散射的激光信号和荧光信号，可以快速判断水质情况，并且操作过程简单可行，达到了快速实时地评测水中DOM含量的效果。同时，因为本发明使用微型的半导体激光器和分光系统，且电路板高度集成化，大大减小了荧光光谱仪装置的体积，使得装置便携，方便使用。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例1提供的基于DOM的水质评价方法的流程图；
图2为本发明实施例1提供的基于DOM的水质评价方法的水质评价原理图；
图3为本发明实施例2提供的基于DOM的水质评价装置的结构连接图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种基于DOM的水质评价方法及装置，能够实时快速地评测待测水样中的DOM含量。
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。
实施例1
如图1所示，本实施例提供的基于DOM的水质评价方法包括:
步骤101：控制激光器发射紫外激光入射至待测水样，所述待测水样受到所述紫外激光激发产生散射光信号和荧光信号；
步骤102：将所述散射光信号和所述荧光信号先进行滤光，再分光，得到分光后的所述散射光信号和分光后的所述荧光信号；
步骤103：将所述分光后的所述散射光信号和所述分光后的所述荧光信号通过光学镜头聚焦到光电探测器表面并转化成电信号；
步骤104：获取所述电信号，并进行数据处理得到光谱曲线；
步骤105：获取所述光谱曲线中的拉曼峰强度、荧光峰强度和背景噪声光谱强度，根据水质评价公式计算所述待测水样的Dm值，所述水质评价公式为
其中，Dm表示水中溶解性有机质的含量，IR代表水包括荧光背景的拉曼峰强度，IF代表水在一定波长位置的荧光峰强度，I0表示背景噪声光谱强度。
水质评价原理图如图2所示，IR-IF近似为扣除荧光背景的拉曼峰强度，IR-I0为扣除背景光噪声的拉曼峰与荧光总强度，二者的比值结果一般在0-1之间变化，再乘以100，则水质评价结果Dm范围在0-100之间，符合人们对与水质评价的习惯。依据水质评价结果Dm可以评价水质情况，数值越大表示水质越好。
本实施例提供的基于DOM的水质评价方法，可以实时测定水质，有助于及时了解和改善水质，对选择水质具有指导意义。
实施例2
如图3所示，本实施例提供的基于DOM的水质评价装置包括：待测水样1、测试瓶2、计算机3、激光控制电源4、激光器5、滤光片6、光栅分光系统7、光学镜头8、光电探测器9和数据采集卡10。
测试瓶2为透明材质瓶子，为了避免环境光干涉，需要将测试瓶2放在测试盒中，激光器5的激光发射端靠近测试盒。
选来自五个不同地方的待测水样:离子水、自来水、海水、湖水、污水，各取8mL装入不同的测试瓶2中，依次将5个测试瓶2放入测试盒中，进行待测水样DOM含量评测。
激光器5为半导体激光器，输出功率仅为50mW，能源消耗较低。计算机3控制激光控制电源4为激光器5供电，激光器5发射波长为405nm的紫外激光，紫外激光经入射到待测水样1，紫外激光光路与光栅分光系统的光轴形成一定夹角，能够避免透明材料包装的荧光干扰；紫外激光入射到待测水样1上，激发待测水样1产生散射光信号和荧光信号，使散射光信号和荧光信号先通过滤光片6进行滤光，再经过光栅分光系统7分光，然后经光学镜头8处理后聚焦到光电探测器9表面并转化为电信号，通过数据采集卡10采集电信号，并将电信号传输至计算机3进行数据处理。
通过labview软件对待测水样进行评测，软件界面中部的光谱显示区可以显示激光激发被测目标的光谱曲线。软件根据公式计算所述待测水样的Dm值；
其中，Dm表示水中溶解性有机质的含量，IR代表水包括荧光背景的拉曼峰强度，IF代表水在一定波长位置的荧光峰强度，I0表示背景噪声光谱强度，IR-IF近似为扣除荧光背景的拉曼峰强度，IR-I0为扣除背景光噪声的拉曼峰与荧光总强度，二者的比值结果一般在0-1之间变化，再乘以100，则待测水样评测结果Dm范围为0-100之间，符合人们对于水质评测的习惯，数值越大表示水质越好。
软件界面右侧的结果显示区显示待测水质评测的结果，评测结果如表1所示。
表1五种不同待测水样的Dm值评测结果
待测水样评测结果范围在0-100之间，去离子水的水质检测值最高，接近100，其余水质情况排序从高到低依次为海水、自来水、湖水，污水的水质最差，仅为7.26。
本实施例提出的基于DOM的水质评价装置，使用微型的半导体激光器和分光系统，且电路板高度集成化，大大减小了荧光光谱仪的装置体积，具有便携、易于使用等优点，可以在实验室条件之外使用，为实际应用奠定了基础。
对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (6)

1.一种基于DOM的水质评价方法，其特征在于，所述方法包括：
控制激光器发射紫外激光入射至待测水样，所述待测水样受到所述紫外激光激发产生散射光信号和荧光信号；
将所述散射光信号和所述荧光信号先进行滤光，再分光，得到分光后的所述散射光信号和分光后的所述荧光信号；
将所述分光后的所述散射光信号和所述分光后的所述荧光信号通过光学镜头聚焦到光电探测器表面并转化成电信号；
获取所述电信号，并进行数据处理得到光谱曲线；
获取所述光谱曲线中的拉曼峰强度、荧光峰强度和背景噪声光谱强度，根据水质评价公式计算所述待测水样的Dm值，所述水质评价公式为
其中，Dm表示水中溶解性有机质的含量，IR代表水包括荧光背景的拉曼峰强度，IF代表水在一定波长位置的荧光峰强度，I0表示背景噪声光谱强度。
2.一种基于DOM的水质评价装置，其特征在于，所述装置包括：计算机、激光器、滤光片、光栅分光系统、光学镜头、和光电探测器，所述计算机控制所述激光器发射紫外激光，所述紫外激光入射到待测水样上，所述待测水样产生散射光信号和荧光信号，所述散射光信号与所述荧光信号先通过所述滤光片，再通过所述光栅分光系统，经所述光学镜头后聚焦到所述光电探测器件表面上，产生的电信号传输至所述计算机。
3.根据权利要求2所述的检测水质DOM的装置，其特征在于，所述激光器为半导体激光器。
4.根据权利要求2所述的检测水质DOM的装置，其特征在于，所述待测水样装在测试瓶中，所述测试瓶透明。
5.根据权利要求2所述的检测水质DOM的装置，其特征在于，所述紫外激光光路与所述光栅分光系统的光轴形成夹角。
6.根据权利要求2所述的检测水质DOM的装置，其特征在于，所述光电探测器采用CCD或CMOS面阵或线阵探测器。
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