專利名稱：水體毒害有機化學污染物快速檢測裝置及檢測方法
技術領域：
本發(fā)明涉及化學污染物檢測系統(tǒng)領域，具體為一種水體毒害有機化學污染物快速檢測裝置及檢測方法。
背景技術：
工業(yè)廢水超標排放、生活污水處理設施嚴重缺乏、農(nóng)田排水未經(jīng)處理等造成的污染直接影響了飲用水質(zhì)的安全，嚴重危害著人體健康。其中以化學污染物最為典型，且多數(shù)化學污染物具有致癌、致畸、致基因突變的作用，據(jù)估計與化學污染物有關的腫瘤占90%以上。歐、美、日本等國對水體毒害有機化學污染物(包括油類、酚類、多環(huán)芳烴類、農(nóng)藥類等)進行了大量的研究，并制定了系列控制標準和法規(guī)。我國對毒害有機化學污染物的研究起步較晚，工作基礎十分薄弱，且多數(shù)毒害有機化學污染物在水體中含量甚微，由于技術條件等因素的限制，雖然提出了 58種有毒有機污染物黑名單，至今尚未形成法規(guī)及有效執(zhí)行；多數(shù)水廠仍在使用傳統(tǒng)方法處理源水，現(xiàn)有的水質(zhì)監(jiān)測指標只是表征水體和廢水有機污染程度的綜合性指標，不能指示污染物的化學組成和毒害作用，更不能說明水體污染的本質(zhì)問題，看是“干凈”的水未必健康。因此，實現(xiàn)水體毒害有機化學污染物的快速、在線檢測對保障我國人民飲用水安全具有十分重要的現(xiàn)實意義。傳統(tǒng)的檢測方法仍以現(xiàn)場采樣、實驗室化學分析為主，包括氣相色譜、液相色譜、氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用、氣相-液相色譜聯(lián)用等，樣品前處理過程繁瑣、檢測耗時長、容易造成二次污染、儀器結(jié)構復雜、價格昂貴，無法滿足快速、在線檢測與水質(zhì)預警的需要。光譜法具有操作簡單、不需要樣品前處理、多種污染物同時測量等特點，目前研究較多的便是三維熒光光譜技術。由于三維熒光光譜同時包含了激發(fā)光譜和發(fā)射光譜，比二維熒光光譜所含信息量大，因此特別適合用于多種污染物同 時分析。然而，目前三維熒光光譜獲取的手段主要是基于紫外-可見熒光分光光度計，激發(fā)光源利用效率低、結(jié)構復雜、檢測速度慢等，具體如下:①.激發(fā)光源:通常采用氘燈、鎢燈或脈沖氙燈，光源壽命短、強度不穩(wěn)定、耗能大，存在高壓危險；②.采用單色儀機械掃描實現(xiàn)激發(fā)光波長的選取，波長掃描速度慢，光源經(jīng)過復雜的單色儀之后光強極其微弱，因此對光源強度利用效率極低，且激發(fā)光路結(jié)構非常復雜；③.熒光檢測通常采用光電倍增管作為探測器，雖然具有較高的靈敏度，但是需要光譜分光裝置，如采用單色儀機械掃描實現(xiàn)熒光的波長選取探測，熒光檢測時間長。另外，也有采用光柵分光，CCD作為探測器實現(xiàn)熒光的多波長同時測量，這樣便使熒光檢測時間大大縮短，問題是:如果需要獲得高分辨率、寬光譜范圍的熒光光譜，單塊光柵僅有二者選其一的功能，CCD作為探測器其靈敏度遠低于光電倍增管，且不易于探測時間的控制，使得測量時探測到大量的背景光譜信息，進一步降低了熒光探測的靈敏度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種水體毒害有機化學污染物快速檢測裝置，以解決現(xiàn)有技術存在的問題。為了達到上述目的，本發(fā)明所采用的技術方案為:水體毒害有機化學污染物快速檢測裝置，其特征在于:包括有樣品池，樣品池入光口一側(cè)設置有向樣品池內(nèi)發(fā)射激發(fā)光的多波長LED光源組、置于多波長LED光源組與樣品池入光口之間的光源準直聚焦透鏡組，所述光源準直聚焦透鏡組準直聚焦多波長LED光源組的激發(fā)光，樣品池出光口處一側(cè)設置有接收樣品池出射光的熒光接收耦合透鏡組，所述熒光接收耦合透鏡組通過光纖連接有中階梯光柵分光器，還包括門控延時ICCD探測器、數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)，所述門控延時ICCD探測器接收中階梯光柵分光器的光譜，且門控延時ICCD探測器通過數(shù)據(jù)線與數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)連接。所述的水體毒害有機化學污染物快速檢測裝置，其特征在于:所述樣品池進水口處安裝有進水管，進水管上安裝有蠕動泵，樣品池出水口處安裝有排水管。所述的水體毒害有機化學污染物快速檢測裝置，其特征在于:還包括電路控制器，所述電路控制器輸入端與數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)連接，電路控制器輸出端分別與門控延時ICXD探測器控制端、多波長LED光源組控制端、蠕動泵控制端連接。所述的水體毒害有機化學污染物快速檢測裝置，其特征在于:所述樣品池的入光口中心軸與出光口中心軸相互垂直，使多波長LED光源組形成的光源激發(fā)光路與熒光接收耦合透鏡組形成的熒光接收光路之間呈90度夾角。一種水體毒害有機化學污染物快速檢測方法，其特征在于:多波長LED光源組發(fā)出的激發(fā)光經(jīng)光源準直聚焦透鏡組準直聚焦后作用于樣品池中的水體中，樣品池中水體污染物被激發(fā)后產(chǎn)生的熒光由熒光接收耦合透鏡組接收耦合至光纖并通過光纖傳輸至中階梯光柵分光器，經(jīng)中階梯光柵分·光器分光后的光譜進入門控延時ICCD探測器進行光電信號的轉(zhuǎn)換，然后進入數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)采集處理，整個裝置檢測的開始與結(jié)束控制指令由數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)發(fā)出，經(jīng)電路控制器實現(xiàn)控制功能；邏輯時序及觸發(fā)信號包括:首先由電路控制器控制蠕動泵實現(xiàn)水樣的自動進樣，進樣完成后由電路控制器控制多波長LED光源組中不同LED的順序開啟與關閉，同時電路控制器根據(jù)多波長LED光源組中不同LED的開啟與關閉情況，延時后控制門控延時ICCD探測器的開啟時間，并根據(jù)不同污染物的熒光發(fā)射特性控制門控延時ICCD探測器的開門寬度，即門控延時ICCD探測器的關閉時間。本發(fā)明以窄帶LED為激發(fā)光源、中階梯光柵為熒光分光器件、門控ICCD為熒光檢測器構成用于環(huán)境水體毒害有機化學污染物的快速、高靈敏、在線檢測裝置及相應方法，無需手動采樣，在線進行水體毒害有機化學污染物的快速測量，能夠?qū)崿F(xiàn)自然水體中痕量毒害有機化學污染物的在線檢測預警，以及工業(yè)廢水的在線減排監(jiān)控。本發(fā)明適用于水體中多種污染物(油類、酚類、多環(huán)芳烴類、農(nóng)藥類等)的快速在線檢測，與現(xiàn)有的檢測技術方法相比，本發(fā)明的優(yōu)點為:、(I)測量簡便，快速，無需樣品預處理，避免了樣品的二次污染；(2)儀器結(jié)構簡單，熒光檢測靈敏度高；
(3)在線、實時檢測，可用于飲用水安全預警及工業(yè)廢水在線減排監(jiān)控；(4)以窄帶LED為激發(fā)光源，無高壓危險、耗能低、光強穩(wěn)定、壽命長；(5)以電路實現(xiàn)激發(fā)光源波長的切換，波長切換速度快，窄帶LED激發(fā)光源直接進行樣品的激發(fā)，激發(fā)光路結(jié)構簡單，光源強度利用效率高，無需單色儀機械掃描部件選取激發(fā)波長;(6)以中階梯光柵為熒光分光器件，能夠同時獲取高光譜分辨率、寬光譜范圍的熒光信號，無需單色儀機械掃描部件選取熒光波長；(7)以門控ICCD為熒光檢測器，能夠?qū)崿F(xiàn)被測物質(zhì)熒光發(fā)射時間內(nèi)有效熒光信息的測量，熒光檢測速度快、靈敏度高；(8)以蠕動泵自動進樣，實現(xiàn)水體污染物的在線檢測，無需手動水樣采集。



圖1為本發(fā)明系統(tǒng)結(jié)構框圖。圖2為本發(fā)明蠕動泵與LED邏輯時序觸發(fā)信號圖。圖3為本發(fā)明LED頻率調(diào)制與門控延時ICCD探測開啟關閉時序觸發(fā)信號圖。
具體實施例方式如圖1所示。水體毒害有機化學污染物快速檢測裝置，包括有樣品池3，樣品池3入光口一側(cè)設置有向樣品池3內(nèi)發(fā)射激發(fā)光的多波長LED光源組1、置于多波長LED光源組I與樣品池3入光口之間的光源準直聚焦透鏡組2，光源準直聚焦透鏡組2準直聚焦多波長LED光源組I的激發(fā)光，樣品池3出光口處一側(cè)設置有接收樣品池3出射光的熒光接收耦合透鏡組4，熒光接收耦合透鏡組4通過光纖連接有中階梯光柵分光器5，還包括門控延時ICCD探測器6、數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)7，門控延時ICCD探測器6接收中階梯光柵分光器5的光譜，且門控延時ICXD探測器6通過數(shù)據(jù)線與數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)7連接。樣品池3進水口處安裝有進水管，進水管上安裝有蠕動泵9，樣品池3出水口處安裝有排水管。還包括電路控制器8，電路控制器8輸入端與數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)7連接，電路控制器8輸出端分別與門控延時ICCD探測器6控制端、多波長LED光源組I控制端、蠕動泵9控制端連接。樣品池3的入光口中心軸與出光口中心軸相互垂直，使多波長LED光源組I形成的光源激發(fā)光路與熒光接收耦合透鏡組4形成的熒光接收光路之間呈90度夾角。一種水體毒害有機化學污染物快速檢測方法，多波長LED光源組發(fā)出的激發(fā)光經(jīng)光源準直聚焦透鏡組準直聚焦后作用于樣品池中的水體中，樣品池中水體污染物被激發(fā)后產(chǎn)生的熒光由熒光接收耦合透鏡組接收耦合至光纖并通過光纖傳輸至中階梯光柵分光器，經(jīng)中階梯光柵分光器分光后的光譜進入門控延時ICCD探測器進行光電信號的轉(zhuǎn)換，然后進入數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)采集處理，整個裝置檢測的開始與結(jié)束控制指令由數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)發(fā)出，經(jīng)電路控制器實現(xiàn)控制功能；邏輯時序及觸發(fā)信號包括:首先由電路控制器控制蠕動泵實現(xiàn)水樣的自動進樣，進樣完成后由電路控制器控制多波長LED光源組中不同LED的順序開啟與關閉，同時電路控制器根據(jù)多波長LED光源組中不同LED的開啟與關閉情況，延時后控制門控延時ICCD探測器的開啟時間，并根據(jù)不同污染物的熒光發(fā)射特性控制門控延時ICCD探測器的開門寬度，即門控延時ICCD探測器的關閉時間。本發(fā)明中:1.多波長LED光源組:由多個不同中心波長的LED構成，本裝置采用13個中心波長分別為240nm、250nm、260nm、...360nm的LED組成，每個LED帶寬10nm，構成激發(fā)波長范圍為:240nm - 360nm ;不同LED開關順序分別為240nm、250nm、360nm、...360nm，由電路控制器8實現(xiàn)開啟與關閉，且每個LED被開啟后被調(diào)頻工作在lKHz，以利于污染物熒光激發(fā)；由于不需要單色儀機械掃描部件選取激發(fā)波長，因此不同波長LED的切換速度很快，且更加有利于光源效率的有效利用；根據(jù)不同污染物的吸收光譜特性(均為較寬的吸收帶)，帶寬IOnm的LED更加有利于熒光的激發(fā)，以獲得更強的熒光信號。2.光源準直聚焦透鏡組:將多波長LED光源組I中每個LED發(fā)出的光準直匯聚后作用到樣品池3的水體中，經(jīng)準直減小了光源的發(fā)散角，提高了光源利用效率；匯聚能夠增加作用點處光源的功率密度，更加有利于水體中污染物熒光的激發(fā)。3.樣品池:將待測水樣儲存在樣品池中，樣品池下端接進水管，上端接排水管，進水管另一端接蠕動泵9，通過控制蠕動泵流量使樣品池中充滿水樣，待測量后蠕動泵9重新開始進樣，以使樣品池中的待測水樣更新。4.熒光接收耦合透鏡組:用于樣品池3中水樣被激發(fā)后污染物熒光的接收，并耦合至光纖，光纖的另一端接中階梯光柵分光器5 ;光源激發(fā)光路與熒光接收光路為90°夾角的垂直接收方式進行。5.中階梯光柵分光器:用于將接收到的熒光信號進行分光，可以根據(jù)需要選擇分光的光譜范圍和光譜分辨率；中階梯光柵分光器的最大優(yōu)點是能夠一次同時獲得寬的光譜范圍和高的光譜分辨率的待測水樣污染物熒光的全部光譜，不需要單色儀機械掃描部件，大大降低了突光分光時間。 6.門控延時ICCD探測器:將中階梯光柵分光器5分光后的熒光光譜信號實現(xiàn)光電信號轉(zhuǎn)換，門控延時ICCD探測器具有開門時間和開門寬度觸發(fā)控制功能，實現(xiàn)在所選擇的時間范圍內(nèi)進行光電信號轉(zhuǎn)換，根據(jù)水體中污染物熒光發(fā)射光譜的特性(通常是ns至微秒量級，不同污染物熒光壽命不同，可以根據(jù)不同污染物的熒光持續(xù)時間選擇探測器開門寬度)，更加有利于熒光信號的測量，減小背景光譜的影響。7.數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng):用于門控延時ICCD探測器6轉(zhuǎn)換后的光譜數(shù)據(jù)采集與處理，整個系統(tǒng)的工作執(zhí)行指令也由數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)直接發(fā)出給電路控制器8。8.電路控制器:電路控制器用于發(fā)出邏輯時序控制觸發(fā)信號，包括蠕動泵9、多波長LED光源組I和門控延時ICXD探測器6，實現(xiàn)蠕動泵自動進樣、多波長LED光源組中不同LED的開啟與關閉時序及頻率調(diào)制、門控延時ICCD探測器開門時間及開門寬度的控制。9.蠕動泵:用于實現(xiàn)待測水樣的自動進樣，進樣時間和進樣流量由電路控制器8控制。邏輯時序觸發(fā)信號分別如圖2和圖3所示。首先由數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)7發(fā)出開始指令給電路控制器8，電路控制器發(fā)出邏輯時序控制觸發(fā)信號給蠕動泵9、多波長LED光源組I和門控延時ICCD探測器6，最后由數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)7發(fā)出結(jié)束指令，完成測量。利用上述系統(tǒng)在線進行水體毒害有機化學污染物的快速定量測量，避免了手動采樣，儀器結(jié)構簡單、激發(fā)光源利用效率高、檢測速度快，能夠有效用于自然水體中痕量毒害有機化學污染物的在線檢測預警，以及工業(yè)廢水的在線減排監(jiān)控，實時反映出水體的污染狀況。本發(fā)明系統(tǒng)采用LED為激發(fā)光源，無高壓危險、耗能低、光強穩(wěn)定、壽命長；以電路實現(xiàn)激發(fā)光源波長的切換，波長切換速度快，窄帶LED激發(fā)光源直接進行樣品的激發(fā)，激發(fā)光路結(jié)構簡單，光源強度利用效率高；以中階梯光柵為熒光分光器件，同時獲取了高光譜分辨率、寬光譜范圍的熒光信號；以門控ICCD為熒光檢測器，實現(xiàn)了被測污染物熒光發(fā)射時間內(nèi)有效熒光信息的測量，熒光檢測速度快、靈敏度高；以蠕動泵自動進樣，實現(xiàn)了水體污染物的在線檢測，無需手動水樣采集。根據(jù)本發(fā)明中提出的水體毒害有機化學污染物快速檢測裝置及方法，在實驗室中有效地實現(xiàn)了水體中毒害有機化學污染物(油類、酚類、多環(huán)芳烴類、農(nóng)藥類等)快速測量。系統(tǒng)性能指標如表I所不。表1水體毒害有機化學污染物快速檢測裝置性能指標
權利要求
1.水體毒害有機化學污染物快速檢測裝置，其特征在于:包括有樣品池，樣品池入光口一側(cè)設置有向樣品池內(nèi)發(fā)射激發(fā)光的多波長LED光源組、置于多波長LED光源組與樣品池入光口之間的光源準直聚焦透鏡組，所述光源準直聚焦透鏡組準直聚焦多波長LED光源組的激發(fā)光，樣品池出光口處一側(cè)設置有接收樣品池出射光的熒光接收耦合透鏡組，所述熒光接收耦合透鏡組通過光纖連接有中階梯光柵分光器，還包括門控延時ICCD探測器、數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)，所述門控延時ICCD探測器接收中階梯光柵分光器的光譜，且門控延時ICCD探測器通過數(shù)據(jù)線與數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)連接。
2.根據(jù)權利要求1所述的水體毒害有機化學污染物快速檢測裝置，其特征在于:所述樣品池進水口處安裝有進水管，進水管上安裝有蠕動泵，樣品池出水口處安裝有排水管。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的水體毒害有機化學污染物快速檢測裝置，其特征在于:還包括電路控制器，所述電路控制器輸入端與數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)連接，電路控制器輸出端分別與門控延時ICCD探測器控制端、多波長LED光源組控制端、蠕動泵控制端連接。
4.根據(jù)權利要求1所述的水體毒害有機化學污染物快速檢測裝置，其特征在于:所述樣品池的入光口中心軸與出光口中心軸相互垂直，使多波長LED光源組形成的光源激發(fā)光路與熒光接收耦合透鏡組形成的熒光接收光路之間呈90度夾角。
5.一種基于權利要求1所述水體毒害有機化學污染物快速檢測裝置的檢測方法，其特征在于:多波長LED光源組發(fā)出的激發(fā)光經(jīng)光源準直聚焦透鏡組準直聚焦后作用于樣品池中的水體中，樣品池中水體污染物被激發(fā)后產(chǎn)生的熒光由熒光接收耦合透鏡組接收耦合至光纖并通過光纖傳輸至中階梯光柵分光器，經(jīng)中階梯光柵分光器分光后的光譜進入門控延時ICCD探測器進行光電信號的轉(zhuǎn)換，然后進入數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)采集處理，整個裝置檢測的開始與結(jié)束控制指令由數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)發(fā)出，經(jīng)電路控制器實現(xiàn)控制功能；邏輯時序及觸發(fā)信號包括:首先由電路控制器控制蠕動泵實現(xiàn)水樣的自動進樣，進樣完成后由電路控制器控制多波長LED光源組中不同LED的順序開啟與關閉，同時電路控制器根據(jù)多波長LED光源組中不同LED的開啟與關閉情況，延時后控制門控延時ICCD探測器的開啟時間，并根據(jù)不同污·染物的熒光發(fā)射特性控制門控延時ICCD探測器的開門寬度，即門控延時ICCD探測器的關閉時間。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種水體毒害有機化學污染物快速檢測裝置及檢測方法，針對我國飲用水安全預警、水體毒害有機化學污染物快速在線檢測的需求，以及現(xiàn)有檢測手段的不足，以窄帶LED為激發(fā)光源、中階梯光柵為熒光分光器件、門控ICCD為熒光檢測器，對我國環(huán)境水體中毒害有機化學污染物的快速檢測方法及系統(tǒng)進行了研究，研制了水體毒害有機化學污染物快速、高靈敏、在線檢測樣機一套，在實驗室中有效地實現(xiàn)了水體中毒害有機化學污染物快速測量，避免了手動采樣，儀器結(jié)構簡單、激發(fā)光源利用效率高、檢測速度快，適用于自然水體中痕量毒害有機化學污染物的在線檢測預警，以及工業(yè)廢水的在線減排監(jiān)控，實時反映出水體的污染狀況。
文檔編號G01N21/64GK103245644SQ20131010346
公開日2013年8月14日 申請日期2013年3月27日 優(yōu)先權日2013年3月27日
發(fā)明者趙南京, 劉文清, 劉建國, 張玉鈞, 肖雪, 馬明俊, 方麗, 段靜波 申請人:中國科學院安徽光學精密機械研究所