智能手機(jī)光譜儀的開發(fā)與水中六價鉻的定量檢測

秦永樂，張校亮，譚 慷，李曉春

(新型傳感器與智能控制教育部與山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原理工大學(xué)物理與光電工程學(xué)院，山西太原 030024)

0 引言

光譜分析法是檢測物質(zhì)成分及其含量的常用方法之一，廣泛應(yīng)用于生物、化學(xué)、醫(yī)學(xué)、環(huán)境等方面的檢測[1-3]。光譜儀是進(jìn)行光譜分析時所需的基本儀器，傳統(tǒng)光譜儀結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積大、價格昂貴。研究開發(fā)小型、便攜式的光譜儀已經(jīng)成為光譜分析中重要的發(fā)展方向[1,4]。

近年來，隨著智能手機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展及廣泛普及，基于智能手機(jī)的光譜分析技術(shù)引起了眾多研究人員的關(guān)注[5-6]。2013年，Gallegos等人通過外置白光光源、衍射光柵和智能手機(jī)開發(fā)了光譜分析裝置，利用抗原抗體特異性結(jié)合引起光子晶體的禁帶偏移的原理，通過分析光子晶體的禁帶的移動實(shí)現(xiàn)了對豬免疫球蛋白的免標(biāo)記定量檢測[7]。2014年，Long等人以鹵素?zé)魹楣庠矗捎脺?zhǔn)直透鏡組和商用衍射光柵，結(jié)合智能手機(jī)攝像頭，搭建了可用于ELISA反應(yīng)的光譜分析裝置[8]。2016年，Wang等人以外置LED燈為光源，DVD光盤中具有周期溝槽結(jié)構(gòu)的聚碳酸酯層作為衍射光柵，搭建了基于智能手機(jī)光譜儀，通過對溶液吸收光譜的分析，實(shí)現(xiàn)了羅丹明溶液和神經(jīng)毒素對氧磷的定量檢測[9]。2017年，Ozdemir等人以手機(jī)自帶LED燈為光源，分別以PMMA塑料光纖和商用光柵為導(dǎo)光介質(zhì)和分光原件，結(jié)合智能手機(jī)實(shí)現(xiàn)了廢水中染料污染物的定量檢測[10]。2018年，Zhang等人開發(fā)了基于光柵耦合的表面等離子體共振智能手機(jī)生物傳感器，選擇基于CD光盤結(jié)構(gòu)用紫外固化壓印法來制得檢測基底，最后實(shí)現(xiàn)了對脂多糖的定量檢測[11]。由于智能手機(jī)自身有LED光源，設(shè)計(jì)相應(yīng)的折返光路，可以將其用作光譜儀的寬帶光源。DVD光盤中的具有周期凹槽結(jié)構(gòu)的聚碳酸酯層可以用作光譜儀的衍射光柵。因此，以手機(jī)內(nèi)置LED燈為光源，用DVD光盤中的聚碳酸酯層作為衍射光柵所開發(fā)的智能手機(jī)光譜分析檢測裝置具有設(shè)計(jì)簡易、操作簡單、成本低等優(yōu)點(diǎn)。

六價鉻是水中重金屬污染物之一，易被人體吸收和蓄積并具有致癌作用。其污染源主要來自于含鉻礦石的加工、金屬表面處理、皮革鞣制、印染等行業(yè)[12]。隨著近幾年工業(yè)污染加重，對于水中重金屬六價鉻離子含量的檢測也變得更加重要。國家嚴(yán)格規(guī)定生活飲用水中六價鉻的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)為0.05 mg/L[13]，因此，對水中的六價鉻含量進(jìn)行快速定量檢測具有重要意義。目前，對于水中鉻的測定方法主要有基于二苯碳酰二肼顯色劑的分光光度法、原子吸收分光光度法、等離子發(fā)射光譜法、陽極溶出伏安法和硫酸亞鐵銨滴定法等[14-16]。其中，基于顯色的分光光度法操作簡單，被廣泛應(yīng)用[17-18]。

本文以手機(jī)內(nèi)置LED燈為寬帶白光光源，利用DVD光盤中具有周期溝槽結(jié)構(gòu)的聚碳酸酯層作為衍射光柵進(jìn)行分光，搭建了一套基于智能手機(jī)的吸收光譜分析裝置，以二苯碳酰二肼為顯色劑，結(jié)合顯色反應(yīng)與分光光度法實(shí)現(xiàn)了對水中六價鉻離子的定量檢測，其檢測限為0.02 mg/L。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

智能手機(jī)(暢享7 Plus TRT-AL00A)，雙膠合消色差透鏡，紫外可見分光光度計(jì)(UV-3100)，SK-1快速混均器，Pipet-Lite XLS手動單通道移液槍，超純水儀，DVD-R光盤(4.5 GB)，窄帶濾光片及其他光學(xué)元件及支架，10 mm石英比色皿，實(shí)驗(yàn)用的紅色墨水為噴墨打印機(jī)(R270系列)原供墨水，鉻酸鉀標(biāo)準(zhǔn)液和乙醇，顯色劑二苯碳酰二肼、硫酸、磷酸和丙酮。

1.2 樣品的配置

配置不同濃度的紅色墨水樣品，分別取10、20、30、40、50 μL的原供紅墨水，加超純水至10 mL，得到稀釋后墨水的體積分?jǐn)?shù)分別為0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%。

將標(biāo)準(zhǔn)鉻離子溶液用超純水依次稀釋為500、20、1 mg/L；進(jìn)一步分別取1、2、4、6、8 mL的質(zhì)量濃度為1 mg/L溶液，均加水至10 mL配得濃度梯度為0.1、0.2、0.4、0.6、0.8 mg/L的標(biāo)準(zhǔn)鉻離子溶液；同理，分別取2、4、5、 6、8 mL質(zhì)量濃度為0.1 mg/L的溶液，加超純水至10 mL，配得濃度梯度為0.02、0.04、0.05、0.06、0.08 mg/L的鉻離子標(biāo)準(zhǔn)液。

鉻離子顯色反應(yīng)：先取不同濃度的鉻離子標(biāo)準(zhǔn)溶液各1 000 μL，加入1∶1的硫酸和磷酸溶液各20 μL，然后再加入50 μL顯色劑(顯色劑由0.2 g二苯碳酰二肼溶入10 μL丙酮和10 μL乙醇制得)?；靹蚝笫蛊渚鶆蝻@色約10 min。

1.3 實(shí)驗(yàn)裝置及原理

所設(shè)計(jì)的智能手機(jī)光譜儀光路結(jié)構(gòu)如圖1所示，以手機(jī)內(nèi)置LED燈為白光光源，光經(jīng)過一個孔徑光闌進(jìn)入一個100 μm的針孔中，然后通過消色差透鏡，準(zhǔn)直為平行光，依次通過比色皿、反射鏡1、光學(xué)衰減片、反射鏡2、柱透鏡，最后通過自制的DVD衍射光柵后進(jìn)入手機(jī)攝像頭中。窄帶濾光片用于實(shí)驗(yàn)前的波長校準(zhǔn)。利用CMOS感光傳感器在智能手機(jī)上捕獲到相應(yīng)的光譜圖，然后利用Image J軟件，將光譜圖像轉(zhuǎn)化為灰度值，用灰度值代替光強(qiáng)值，扣除純水背景后得到對應(yīng)樣品吸收光譜強(qiáng)度曲線。最后，基于朗伯比爾定律，在濃度與吸光度之間建立定量檢測的標(biāo)準(zhǔn)曲線。

圖1 智能手機(jī)光譜儀裝置示意圖

2 結(jié)果與討論

2.1 基于DVD光柵的制備

將DVD-R光盤剪切一塊40 cm×40 cm的光盤盤片，從中間機(jī)械剝離成2片，將其中帶有藍(lán)色染料的聚碳酸酯盤片放入乙醇溶液中，然后超聲處理15 min以除去染料層，用乙醇和超純水清洗后吹干后，用作文中智能手機(jī)光譜儀裝置的衍射光柵。圖2為DVD光柵的原子力顯微鏡下的周期結(jié)構(gòu)表征圖以及凹槽結(jié)構(gòu)的截面圖，該光柵周期約740 nm(1 351 mm-1)與常見的商用光柵(周期1 200 mm-1)相當(dāng)。

(a)衍射光柵的AFM結(jié)構(gòu)表征

(b)橫截面圖圖2 衍射光柵的AFM表征及橫截面圖

2.2 光譜圖的像素位置與波長關(guān)系的校準(zhǔn)

在開始測量樣品溶液實(shí)驗(yàn)前，通過3種不同波長的窄帶濾光片(中心波長分別為630、535、430 nm)，獲得相應(yīng)的光譜圖像如圖3(a)所示，圖3(b)為校準(zhǔn)前濾光片的像素位置與透光率的關(guān)系圖。

(a)用于儀器校準(zhǔn)的3種濾光片的光譜圖像

(b)3種濾光片的透射譜圖3 用于儀器校準(zhǔn)的3種濾光片的光譜

通過建立像素-波長關(guān)系將從智能手機(jī)相機(jī)讀取的光譜圖像的像素位置轉(zhuǎn)換為波長。轉(zhuǎn)換為波長后，該智能手機(jī)光譜儀裝置的波長分辨率為0.22 nm/像素。在這里，可以通過使用具有更小像素尺寸和更大像素?cái)?shù)量的智能手機(jī)，來進(jìn)一步提高儀器分辨率，同時，該分辨率也與光柵周期有關(guān)，周期越小，其分辨率越高。

2.3 紅墨水的檢測

為了評估和驗(yàn)證該光譜分析裝置的性能，首先以紅墨水作為實(shí)驗(yàn)樣品。圖4為智能手機(jī)光譜儀裝置對空白及不同濃度紅墨水溶液采集到的光譜圖像。從圖4可以看出，隨著墨水濃度增加，其光譜圖像中間綠光成分的吸收增強(qiáng)，即在某特定波長范圍內(nèi)溶液的吸光度在逐漸增強(qiáng)。

圖4 不同濃度紅墨水的實(shí)驗(yàn)光譜圖片

用Image J軟件對光譜圖像分析后，用SigmaPlot得到如圖5(a)所示的吸收光譜。圖5(b)為相同樣品溶液用紫外-可見分光光度計(jì)的吸收光譜，可以看出，二者所得樣品吸收光譜具有良好的一致性，說明通過該手機(jī)光譜儀裝置可以得到比較準(zhǔn)確的樣品吸收光譜。

2.4 鉻離子的檢測

在酸性條件下，六價鉻可與二苯碳酰二肼反應(yīng)，生成紫紅色絡(luò)合物，其最大吸收波長為540 nm[12]。圖6(a)為用本文裝置采集到的光譜圖像經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后得到的吸收光譜圖，圖中展示的是部分濃度樣品的數(shù)據(jù)。從圖中可以看出，其最大吸收峰在約540 nm處，隨著鉻離子濃度的增大，吸光度逐漸增大。如圖6(b)所示，吸光度與鉻離子濃度之間具有良好的線性關(guān)系，擬合得到的線性方程為y=0.963 0x+0.000 6，其中R2=0.996 7，檢測限為0.02 mg/L。

(a)智能手機(jī)光譜儀測得的紅墨水樣品的吸收光譜

(b)分光光度計(jì)測得的紅墨水樣品的吸收光譜圖5 智能手機(jī)光譜儀和分光光度計(jì)測得的紅墨水樣品的吸收光譜對比

2.5 自來水中六價鉻的檢測

以自來水為溶劑，分別配制了5份添加了鉻離子的自來水水樣作為待測樣品，其中鉻離子濃度分別為0、0.05、0.1、0.15、0.2 mg/L，編號依次為1、2、3、4、5。分別采用智能手機(jī)光譜儀裝置和紫外-可見分光光度計(jì)對樣品進(jìn)行定量檢測。如圖7所示，鉻離子的檢測量與水中加標(biāo)的濃度有明顯的正比關(guān)系，從圖7可見，該裝置的檢測結(jié)果與紫外可見分光光度計(jì)的結(jié)果基本一致。

3 結(jié)論

(a)不同濃度鉻離子的顯色產(chǎn)物的吸收光譜

(b)鉻離子濃度與吸光度的關(guān)系圖6 不同濃度鉻離子的顯色產(chǎn)物的吸收光譜及鉻離子濃度-吸光度關(guān)系

本文開發(fā)了一套基于智能手機(jī)和DVD光盤光柵的光譜儀裝置，選擇3種不同波長窄帶濾光片來進(jìn)行波長校準(zhǔn)。利用該裝置，結(jié)合顯色反應(yīng)和分光光度法，實(shí)現(xiàn)了水中重金屬六價鉻離子的定量檢測。其檢測限為0.02 mg/L，滿足國標(biāo)對飲用水中六價鉻的水質(zhì)檢測標(biāo)準(zhǔn)0.05 mg/L的要求。本方法及裝置具有靈敏度高、成本低、易推廣等優(yōu)點(diǎn)，可用于生物、化學(xué)、醫(yī)學(xué)、環(huán)境檢測等領(lǐng)域。

圖7 智能手機(jī)光譜儀與紫外可見分光光度計(jì)檢測結(jié)果對比圖