基于塑料光纖的Cd(II)傳感器吸收光譜信號處理研究

胡衛(wèi)軍

(重慶市檢測控制集成系統(tǒng)工程實(shí)驗(yàn)室 重慶工商大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與信息工程學(xué)院，重慶400067)

0 引 言

鎘離子(Cd(II))是一種廣泛存在于空氣、水和食物中的對人體健康危害極大的重金屬污染物。Cd 中毒能導(dǎo)致腎功能衰退、生殖障礙、Itai—Itai 病、骨質(zhì)疏松、呼吸系統(tǒng)疾病等。長期、低劑量Cd(II)暴露能顯著增加患癌的危險(xiǎn)［1］，因此，國際抗癌聯(lián)盟(IARC)將其確定為I 類致癌物。因而，對Cd(II)的檢測具有重要的意義。與傳統(tǒng)的電化學(xué)類傳感器相比，光纖傳感器具有眾多優(yōu)點(diǎn)，譬如:便于微型化和集成化，易于實(shí)現(xiàn)監(jiān)測儀器的便攜化，抗電磁干擾等等［2］。因此，利用光纖傳感對Cd(II)進(jìn)行檢測具有良好的發(fā)展前景。目前，重金屬離子光纖傳感方法主要有光吸收檢測、光反射檢測和熒光檢測等三種［3］。這三種方法都是基于固定在光導(dǎo)纖維探頭上的生物酶或者化學(xué)指示劑與溶液中金屬離子之間可逆的反應(yīng)，從而引起探頭表面光學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化進(jìn)行檢測的。在生物酶敏感膜的研究中，Durrieu C 采用堿性磷酸酶附著在綠藻上［4］，Hakkila K采用發(fā)光細(xì)菌作為敏感物［5］，Kuswandi B 采用尿素酶作為敏感物來進(jìn)行重金屬離子的檢測［6］。Shweta C 利用酞菁染料與酶的作用來進(jìn)行Cd2+和Cu2+的檢測［7］。李俊立等人基于Cd(II)和人血清白蛋白(HSA)之間的結(jié)合特征和機(jī)理采用熒光猝滅法定量檢測鎘離子濃度［8］。生物酶作為敏感膜存在一個最大的不足就是可逆性比較差。在化學(xué)指示劑方面，劉云峰等人在長周期光纖光柵上制備羧甲基纖維素(CMC)銅離子敏感膜進(jìn)行Cu2+的檢測［9］。張信鳳等人利用Cr6+與二苯碳酰二肼在高氯酸介質(zhì)中的顯色反應(yīng)制備液芯光纖傳感器，其檢出限(3σ)為0.4 μg/L。

本文采用塑料光纖作為傳光器件對吸收光譜采集處理來進(jìn)行Cd(II)的檢測。

1 Cd(II)的測量結(jié)構(gòu)

Cd(II)的測量結(jié)構(gòu)如圖1 所示，由光源、透鏡、反應(yīng)板、光纖和光譜儀組成。當(dāng)四種濃度的Cd(II)與對硝基苯重氮氨基偶氮苯(C18H14N6O2)指示劑在反應(yīng)池中反應(yīng)時得到不同濃度的光譜信號，經(jīng)過對采集信號的處理來確定Cd(II)的濃度與光譜信號之間的關(guān)系。

圖1 Cd(II)的測量結(jié)構(gòu)Fig 1 Measurement structure of Cd(II)

2 實(shí) 驗(yàn)

選用中國國家有色金屬和電子材料分析測試中心濃度為1 000 μg/mL 的Cd(II)標(biāo)準(zhǔn)試劑進(jìn)行測試溶液配置，配置的溶液濃度如表1 所示。

表1 Cd(II)配置濃度Tab 1 Prepared Cd(II)concentration

取對硝基苯重氮氨基偶氮苯(C18H14N6O2)0.8g 溶于500 mL 無水乙醇中定容密封作為指示劑使用。由于反應(yīng)池容量限制，分別取四種濃度的Cd(II)溶液0.2 mL 與0.7 mL去離子水和0.2 mL 指示劑溶液混合于反應(yīng)板的反應(yīng)池中。光譜信號直接通過光譜儀在計(jì)算機(jī)上采集，當(dāng)前Cd(II)溶液的實(shí)測濃度如表2 所示，四種濃度對應(yīng)的光譜如圖2 中C1～C4 所示。

表2 Cd(II)測量濃度Tab 2 Measured Cd(II)concentration

圖2 四種濃度Cd(II)的光譜Fig 2 Spectrum of four kinds of Cd(II)concentrations

3 數(shù)據(jù)處理

由圖2 可見，各濃度的光譜信號疊加著很多高頻噪聲信號，在此采用低通濾波的方式(9 點(diǎn)滑動平均法)進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理，得到光譜如圖3 所示。可以明顯看到:去噪后信號的信噪比有較大的改善。

圖3 低通濾波后四種濃度Cd(II)的光譜Fig 3 Spectrum of four Cd(II)concentrations after low-pass filtering

圖4 Cd(II)擬合曲線Fig 4 Fitting curve of Cd(II)

根據(jù)去噪后的Cd(II)四種濃度的光譜數(shù)據(jù)，找到每個光譜的峰值，作出散點(diǎn)圖并進(jìn)行非線性擬合如圖4 所示。擬合曲線為y = －5 876.16exp(－x/0.144 15)+4 233.259，擬合相關(guān)系數(shù)R2為0.969 18，擬合度比較高。由擬合曲線表達(dá)式可以求得Cd(II)的測量下限為0.004 7 mg/L，可以達(dá)到GB 18918—2002 城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的Cd(II)最低標(biāo)準(zhǔn)0.01 mg/L。

4 結(jié) 論

本文基于塑料光纖搭建Cd(II)吸收光譜測試裝置。經(jīng)過后續(xù)的光譜低通濾波處理和對數(shù)據(jù)的非線性擬合，得到了光譜信號峰值與Cd(II)濃度之間的關(guān)系，測量的濃度范圍為0.066 0～0.648 2 μg/mL。對Cd(II)的光譜信號數(shù)據(jù)處理的研究為重金屬離子敏光纖傳感器陣列的研究提供了良好的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

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