CN108344724B - 一种便携式湿地土壤监测装置 - Google Patents

Abstract

一种便携式湿地土壤监测装置，包括不透光的外壳，其特征在于，所述装置还包括荧光传感膜、光学传导单元、CMOS图像传感器、二维平移导轨及数据采集模块；所述的光学传导单元在荧光传感膜至CMOS图像传感器的光路上，依次包括平面反射镜、LED光源、光学透镜组和电动旋转滤光片，在LED光源发出的激发光均匀照射下，荧光传感膜产生特定波长的荧光，通过光学透镜汇聚和电动旋转滤光片滤光后被CMOS图像传感器接收和信号转换，经过数据采集模块处理获得检测结果。所述的装置可同步监测水体、沉积物或湿地土壤等基质中多种重要地球化学参数信息，具有携带和投放方便、响应时间短、空间分辨率高(毫米‑亚毫米)等优点。

Description

一种便携式湿地土壤监测装置

技术领域

本发明涉及环境监测技术领域，具体涉及一种同步监测水体、沉积物或湿地土壤等基质中多种重要地球化学参数信息的检测装置。

背景技术

随着水环境和水生态问题(水体黑臭、蓝藻水华、近海绿潮和赤潮等)的频繁发生，严重影响人类生活环境和威胁人类身体健康。实现湿地土壤中水和沉积物现场监测，可以准确掌握沉积物中污染物的种类和浓度、污染范围和程度、污染源和转移路径等基本信息，为沉积物污染风险评价与预测提供基础数据支持。开展沉积物原位监测是水环境监测急需拓展的领域。

然而，对湿地土壤中水和沉积物环境质量的现场监测一直存在极大的技术障碍，是水环境监测的难点和盲区。现有的设备仅有少数可以满足室内模拟研究的需要，达不到现场规模化应用的要求。对沉积物的现场监测成为水环境监测领域亟待突破的技术壁垒。

目前应用于沉积物检测的设备已有发展，但针对沉积物化学指标检测的设备十分有限。目前有代表性的沉积物检测设备主要有Itrax岩心扫描分析仪、Unisense水-沉积物界面分析仪和Fibox系列氧测量仪。鉴于沉积物高度空间异质性和异位获取方法对沉积物检测信息的破坏性，实现对沉积物二维同步检测是沉积物检测装备发展的趋势。Fibox系列氧测量仪可以测定溶解氧等化学指标，但单点位检测方式不能反映沉积物高度空间异质性的特点。Unisense微电极***能获取单一化学指标的一维高分辨信息，测定的参数数量有限，同时微电极极易损坏，不利于现场的检测。Itrax岩心扫描分析仪体积庞大，难以运用到自然环境的检测现场，而且无法获取溶解氧、pH、有效磷、有效铁分布变化等多种重要沉积物环境参数。

平面光极技术的出现为沉积物的现场监测提供了一个新的方法。平面光极技术(Planar Optrode，PO)主要通过PO传感膜，在激发光源照射下PO传感膜上的荧光染料产生光致发光，荧光染料与待测物质接触后光学性质会发生改变，利用相机或其他感光元件捕获传感膜与待测物质接触前后的光学图片，根据光学性质的改变来量化待测物质的含量和二维空间分布信息。平面光极技术将传感膜和成像***集成后，可将整个平面光极***安装到现场进行原位监测。当前平面光极技术主要应用于海洋沉积物、土壤学、植物营养学和环境科学领域，已经实现对DO、pH、pCO₂、NH₄ ⁺、SO₂，Fe²⁺的检测。但在设备小型化方面一直存在技术瓶颈，过大的体积制约了平面光极技术的现场应用，开发便携式沉积物原位监测设备是必由之路。

发明内容

针对我国湿地土壤中水和沉积物环境质量的现场监测设备的缺失和平面光极设备小型化面临的难点，本发明旨在提供一种便携式湿地土壤监测装置，基于平面光极技术(PO)，通过建立旋转靶轮滤波与导轨扫描成像，实现大视场二维荧光信息的“探头式”获取，形成小型化荧光检测***；将荧光检测***与荧光传感膜进行***集成，具有携带和投放方便、响应时间短、空间分辨率高(毫米-亚毫米)等优点。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种便携式湿地土壤监测装置，包括不透光的外壳，其特征在于，所述装置还包括荧光传感膜、光学传导单元、CMOS图像传感器、二维平移导轨及数据采集模块；所述的外壳一侧设置透明的窗镜，窗镜外侧安装荧光传感膜；所述的光学传导单元按以下方式设置，在荧光传感膜至CMOS图像传感器的光路上，依次包括平面反射镜、LED光源、光学透镜组和电动旋转滤光片，LED光源发出的激发光经平面反射镜反射后均匀照射荧光传感膜，荧光传感膜产生的荧光再经平面反射镜反射后通过光学透镜组汇聚和电动旋转滤光片滤光后，在CMOS图像传感器上成像和信号转换；所述光学传导单元与CMOS图像传感器组成一个联动整体设置在二维平移导轨上；所述数据采集模块与CMOS图像传感器连接，采集并处理获得的荧光图像信号。

进一步地，所述LED光源包括若干波长相同的LED灯，采用环状布光方式，即采用环形LED模组，LED灯分布在光学传导单元中光路的外环，且呈均匀环形分布，使得照射到荧光传感膜(PO膜层)上的激发光非相干叠加获取高均匀度的激发光，形成稳定的均匀辐照光场，降低因激发光不均匀导致的测量偏差。

所述的荧光传感膜包括现有技术中已知的各种PO传感膜，包括检测溶解氧(DO)、pH、pCO₂、NH₄ ⁺、SO₂，Fe²⁺等参数的PO传感膜中的一种或几种。所述的PO传感膜的响应时间<20min。

优选地，所述装置中，平面反射镜与荧光传感膜所在平面呈45度角。

优选地，所述的光学透镜组还包括焦距调节装置。进一步地，所述光学透镜组采用玻璃透镜，包括三片下置的光学透镜和三片上置的光学透镜，光学透镜组的主光轴与平面反射镜呈45度角，与荧光传感膜所在平面平行。电动旋转滤光片位于上置和下置的光学透镜之间。

所述电动旋转滤光片是安装在电动旋转盘上的若干滤光片，电动旋转滤光片与光学透镜平行。电动旋转盘上安装有不同透光特性的滤光片，如450nm高通长波滤光片、560nm高通长波滤光片等。根据检测目标参数的不同，通过电动旋转盘自动切换光学路径上的相应滤光片，实现旋转靶轮滤波。

所述CMOS图像传感器处于光学路径末端，位于光学透镜组的焦平面上，接受光学传导单元的荧光并在CMOS图像传感器上成像和信号转换。CMOS图像传感器与光学传导单元为一个联动整体，将CMOS图像传感器与光学传导单元固定连接在二维平移导轨上，使得CMOS图像传感器和光学传导单元同时在二维平面范围移动，构建高精度二维导轨扫描***。

所述装置结合旋转靶轮滤波与高精度二维导轨扫描***，将光学成像***、CMOS图像传感器、反射镜以及LED光源固定于同一平移台上，对成像面(PO膜)进行垂直、横向扫描，通过拼接扫描像获取全视场荧光猝灭信息，从而实现多种PO参数在同一大视场的逐一扫描成像。

优选地，所述不透光的外壳是底部为45度切面的长方体，一侧安装有高透光率的长方形窗镜，长方形窗镜朝外一侧安装有荧光传感膜，窗镜与平面反射镜呈45度角。

所述装置中还包括电源模块和数据采集模块，电源模块为装置提供电源，数据采集模块与CMOS图像传感器相连，采集并处理荧光图像信号。

有益效果：本发明的便携式湿地土壤监测装置，通过建立旋转靶轮滤波与导轨扫描成像、光源光束汇聚与均匀化技术，实现大视场二维荧光信息的“探头式”获取，形成独创性的小型化荧光检测***；结合全景图像拼接算法和数据处理，进行荧光检测***与荧光传感膜的高性能***集成。所述装置具有携带和投放方便、响应时间短、空间分辨率高(毫米-亚毫米)等优点，其应用将显著推动沉积物监测从异位向原位的转变，同时将大幅度提高沉积物的监测频率和监测指标的时空尺度，满足沉积物基础与应用学科的前沿发展需求。

1.本发明通过建立旋转靶轮滤波与导轨扫描成像、光源光束汇聚与均匀化技术，实现大视场二维荧光信息的“探头式”获取，形成独创性的小型化荧光检测***；

2.所述的装置响应时间短(PO指标<20min)、空间分辨率高(毫米-亚毫米)、测定参数多(DO、pH、pCO₂、NH₄ ⁺、SO₂，Fe²⁺等)、应用范围广，可应用于海洋沉积物、土壤学、植物营养学和环境科学领域；

3.传统沉积物监测设备只能实现对一个点的监测，如要得到高分辨率的二维数据，需要大量电极支撑，无疑大大增加成本，同时使测量过程复杂化。所述的装置使用可以获得沉积物二维剖面实时动态变化信息，解决了两维空间的高分辨率测定难题；且所述的装置具有携带和投放方便的优点；

4.所述的装置填补沉积物现场原位监测手段的空白，可作为常态化设备被环境监测部门采用，对沉积物环境质量进行日常监测、污染风险评价和质量标准的制定。

附图说明

图1为本发明的一种便携式湿地土壤监测装置的结构示意图；

图2为本发明的一种便携式湿地土壤监测装置同时测定多种参数时PO传感膜不同的布置方法示意图；

图3为本发明的一种便携式湿地土壤监测装置中LED光源的环形布光示意图；

图4为本发明的一种便携式湿地土壤监测装置的光学***路径图；

图5为本发明的一种便携式湿地土壤监测装置获取的实时pH与DO二维信息图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的装置作进一步说明。但这些具体实施方式并不限制本发明的保护范围，在本发明的构思和宗旨下，本领域的普通技术人员根据这些实施方式所做出的结构、方法或功能上的等同或相似的变更、变换均包含在本发明的保护范围内。

针对我国湿地土壤中沉积物环境质量的现场监测设备的缺失和平面光极设备小型化的难点，本发明公开了一种便携式湿地土壤监测装置，包括荧光传感膜、光学传导单元、CMOS图像传感器、二维平移导轨、不透光的外壳和电源及数据采集模块；在不透光的外壳的透明窗镜外侧安装一种或几种荧光传感膜，光学传导单元与CMOS图像传感器组成一个联动整体设置在二维平移导轨上。所述装置的光学传导单元，在荧光传感膜单元至CMOS图像传感器的光路上，依次包括平面反射镜、LED光源、光学透镜组和电动旋转滤光片。在LED光源发出的激发光均匀照射下，荧光传感膜产生特定波长的荧光，通过光学透镜组汇聚和电动旋转滤光片滤光后被由CMOS图像传感器接收和信号转换，经过数据采集模块处理后获得检测结果。

本发明的便携式湿地土壤监测装置基于平面光极技术，通过建立旋转靶轮滤波与导轨扫描成像、光源光束汇聚与均匀化技术，实现大视场二维荧光信息的“探头式”获取，形成独创性的小型化荧光检测***；结合全景图像的拼接算法和数据处理***，进行荧光检测***与荧光传感膜的高性能***集成。所述的装置具有携带和投放方便、响应时间短、空间分辨率高(毫米-亚毫米)等多种优点，其应用将显著推动沉积物监测从异位向原位的转变，同时将大幅度提高沉积物的监测频率和监测指标的时空尺度，满足沉积物基础与应用学科的前沿发展需求。

实施例1

如图1所示的结构示意图，本发明的一种便携式湿地土壤监测装置包括荧光传感膜1、光学传导单元2、CMOS图像传感器3、二维平移导轨4、不透光的外壳5和数据采集模块6及电源。所述装置的光学传导单元2，在荧光传感膜1至CMOS图像传感器3的光路上，依次包括平面反射镜7、LED光源8、三片下置的光学透镜9、电动旋转滤光片10和三片上置的光学透镜11。在LED光源8发出的激发光均匀照射下，荧光传感膜1产生特定波长的荧光，通过光学透镜组汇聚和电动旋转滤光片10滤光后由CMOS图像传感器3接收和信号转换，经过数据采集模块6处理获得检测结果。

不透光的外壳5是底部为45度切面的长方体，一侧安装有高透光率的长方形窗镜12，长方形窗镜12朝外一侧安装有荧光传感膜1，长方形窗镜12与平面反射镜7呈45度角。装在长方形窗镜12上的荧光传感膜1与待测基质接触，不同的基质会改变传感膜的荧光特性。

荧光传感膜1是一种PO传感膜，包括检测溶解氧(DO)、pH、pCO₂、NH₄ ⁺、SO₂、Fe²⁺等参数的PO传感膜，可根据检测目标的需要更换对应的PO传感膜，或在长方形窗镜12上安装2种以上PO传感膜。如图2所示，本发明装置同步测定多种参数时，通过在窗镜12上安装2种以上PO传感膜的布置，不同种类的PO传感膜竖直并列排放并固定在窗镜12上，可同步测定沉积物同样深度的不同的目标参数。PO传感膜的响应时间<20min。例如，检测pH的PO传感膜是基于改性修饰的8-羟基芘-1,3,6-三磺酸三钠盐(HPTS-TOA)荧光染料，该传感膜对pH变化响应时间快，信号分布均匀，可以对pH 5.5-8.5范围碱性进行准确监测；检测溶解氧的PO传感膜采用双荧光团，即八乙基卟啉铂(PtOEP)荧光染料和参比染料MFY，对0-100％饱和氧浓度水平范围内的DO值进行准确检测。

LED光源8由若干波长相同的LED灯组成，采用贴片式LED灯，排列密度高、亮度强，具有优异的均匀性。如图3所示，LED光源8包括若干波长相同的LED灯14，采用环状布光方式，即采用环形LED模组15，LED灯14分布在光学传导单元2中光路的外环。在此基础上进一步通过LED阵列光辐照度物理模型的研究，数值模拟光照度与LED空间分布、物面空间距离、光束发散角等因素之间的关系，根据分析结果优化LED阵列，获得高均匀度激发光。

所述的装置中，平面反射镜7与荧光传感膜1所在平面呈45度角。光学透镜组带有焦距调节装置，采用特定构造的玻璃透镜，三片下置的光学透镜9在电动旋转滤光片10下侧，三片上置的光学透镜11在电动旋转滤光片10上侧，光学透镜9、11与平面反射镜7呈45度角，与荧光传感膜1所在平面垂直。电动旋转滤光片10是安装在电动旋转盘上的若干滤光片，电动旋转滤光片10与光学透镜9平行。电动旋转盘安装有不同透光特性的滤光片，包括450nm高通长波滤光片、500nm高通长波滤光片等。根据检测目标参数的不同，通过电动旋转盘自动切换光学路径上的相应滤光片，实现旋转靶轮滤波。

CMOS图像传感器3与光学传导单元2为一个联动整体，处于光学路径末端，置于光学传导单元2上部并位于光学透镜组的焦平面上。

LED光源8产生的激发光经过平面反射镜7反射均匀照射到荧光传感膜1，荧光传感膜1光致发光产生的荧光经过平面反射镜7反射经过六片光学透镜汇聚和电动旋转滤光片10滤除其他波长的荧光，特定的单一波长的荧光被CMOS图像传感器3捕获和信号转化形成荧光图像，CMOS图像传感器3捕获荧光传感膜与待测物质接触前后的光学图片，根据荧光比率法和光学性质的改变，经过计算机处理后，量化待测物质的含量和二维空间分布信息。

本发明的装置中采用二维平移导轨4连接CMOS图像传感器3和光学传导单元4，使得CMOS图像传感器3和光学传导单元2作为一个联动整体，同时在二维平面范围移动，通过高精度导轨的平移扫描，对荧光传感膜1依次得到荧光传感膜局部图像，再进行二维荧光信号合成和大视场阵列图像的亚像素级精准拼接，实现整体成像。在保证大视场的同时，有效降低了装置的***尺寸、重量。平移扫描获得的物面为平面，可以对沉积物剖面进行大范围或“大视场”测量。

所述的装置中还包括电源及数据采集模块6，电源模块为装置提供电源，数据采集模块6与CMOS图像传感器3相连，采集并处理装置检测数据。

如图4所示为本发明的一种便携式湿地土壤监测装置的光学***路径图，LED光源8均匀环形分布平面反射镜7上侧，LED光源8所在平面与平面发射镜7呈45度角。平面反射镜7与荧光传感膜1所在平面呈45度角。三片下置的光学透镜9在电动旋转滤光片10下侧，三片上置的光学透镜11在电动旋转滤光片10上侧，光学透镜与平面反射镜7呈45度角，与荧光传感膜1所在平面垂直。CMOS图像传感器3处于光学路径末端。

LED光源8产生的激发光经过平面反射镜7反射均匀照射到荧光传感膜1，荧光传感膜1产生的荧光先经过平面反射镜7反射，后依次经过三片下置的光学透镜9、电动旋转滤光片10和三片上置的光学透镜11，最后汇聚至CMOS图像传感器3。

由以上技术方案可以看出，本发明的便携式湿地土壤监测装置通过建立旋转靶轮滤波与导轨扫描成像、光源光束汇聚与均匀化技术，实现大视场二维荧光信息的“探头式”获取，形成独创性的小型化荧光检测***，具有携带和投放方便的优点。且本发明的装置响应时间短(响应时间<20min)、空间分辨率高(毫米-亚毫米)、测定参数多(DO、pH、pCO₂等)、应用范围广，可应用于海洋沉积物、土壤学、植物营养学和环境科学领域。本发明装置填补沉积物现场原位监测手段的空白，可作为常态化设备被环境监测部门采用，对沉积物环境质量进行日常监测、污染风险评价和质量标准的制定。

实施例2

采用实施例1的装置现场监测太湖梅梁湾区域湖底沉积物pH和溶解氧(DO)的二维分布信息。所述的装置中，用于检测pH的PO传感膜是基于改性修饰的8-羟基芘-1,3,6-三磺酸三钠盐(HPTS-TOA)荧光染料、并配合参比染料荧光黄10GN(MFY)的荧光传感膜，膜尺寸为4cm×2cm；用于检测DO的PO传感膜采用双荧光团，即八乙基卟啉铂(PtOEP)荧光染料和参比染料MFY，膜尺寸为4cm×2cm。

将用于检测pH的PO传感膜与用于检测DO的PO传感膜并列贴于装置外部的窗镜上。PO膜固定10分钟后，装置缓缓垂直吊入湖水中，直至装置窗镜部分***湖底沉积物中。便携式计算机和驱动电机通过线缆与装置顶端相连，保证装置正常工作和数据正常接收。

为使与装置接触的沉积物部分稳定后，在装置***湖底一小时后操作人员在船上通过便携式计算机进行操作与控制装置的运行。首先打开电源以及便携式计算机上的运行软件，装置的LED光源随即开启发射激发光。利用便携式计算机，观察CMOS图像传感器拍摄的实时图像。若传感膜图像不清晰，通过计算机控制自动导轨调焦直至传感膜图像清晰。

装置开启一段时间后，在计算机操作端选择测定pH，装置的电动旋转盘将测定pH的滤光片旋转至测定光路上。测定pH滤光片是560nm单波长滤光片，可以滤掉除560nm波长外的光。操作端运行后，装置开始工作，通过平移导轨获取到多个不重复的局部荧光图像，***拼接后在计算机端输出沉积物实时pH分布信息。在计算机操作端选择测定DO，同样方法能获得沉积物实时DO分布信息。

如图5所示，为本发明装置检测获得的太湖沉积物剖面pH与DO的二维分布图，测试地点为太湖梅梁湾，颜色深浅表示pH值或DO值的大小。从图中可以清楚地看到4cm×2cm的剖面的任意位点的pH值或DO值都可以精确确定。太湖水体和浅层沉积物的溶解氧浓度在0到200μmol/L之间，pH在6到8.5之间。沉积物-水界面附近的溶解氧浓度变化具有明显的突变情况，pH值变化无规律渐变。沉积物区域的溶解氧浓度值为0，沉积物区域的pH值明显低于水体的pH。

应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但其中的实施方式并非仅包含一个技术方案，说明书的叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员根据说明书的整体记载，实施方式中的具体技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

上文所列出的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明宗旨和技术构思所作的等效实施方式或变换均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种便携式湿地土壤监测装置，包括不透光的外壳，其特征在于，所述装置还包括荧光传感膜、光学传导单元、CMOS图像传感器、二维平移导轨及数据采集模块；所述的外壳一侧设置透明的窗镜，窗镜外侧安装荧光传感膜；所述的光学传导单元按以下方式设置，在荧光传感膜至CMOS图像传感器的光路上，依次包括平面反射镜、LED光源、光学透镜组和电动旋转滤光片，所述LED光源包括若干波长相同的LED灯，采用环形LED模组，LED灯分布在光学传导单元中光路的外环，且呈均匀环形分布；所述光学透镜组采用玻璃透镜，包括三片下置的光学透镜和三片上置的光学透镜，光学透镜组的主光轴与平面反射镜呈45度角，与荧光传感膜所在平面平行；所述的电动旋转滤光片位于上置和下置的光学透镜之间；LED光源发出的激发光经平面反射镜反射后均匀照射荧光传感膜，荧光传感膜产生的荧光再经平面反射镜反射后通过光学透镜组汇聚和电动旋转滤光片滤光后，在CMOS图像传感器上成像和信号转换；所述光学传导单元与CMOS图像传感器组成一个联动整体设置在二维平移导轨上；所述数据采集模块与CMOS图像传感器连接，采集并处理获得的荧光图像信号。

2.根据权利要求1所述的一种便携式湿地土壤监测装置，其特征在于，所述的荧光传感膜包括检测DO、pH、pCO₂、NH₄ ⁺、SO₂，Fe²⁺的PO传感膜中的一种或几种。

3.根据权利要求2所述的一种便携式湿地土壤监测装置，其特征在于，所述的PO传感膜的响应时间<20min。

4.根据权利要求1所述的一种便携式湿地土壤监测装置，其特征在于，所述的平面反射镜与荧光传感膜所在平面呈45度角。

5.根据权利要求1所述的一种便携式湿地土壤监测装置，其特征在于，所述的光学透镜组包括焦距调节装置。

6.根据权利要求1所述的一种便携式湿地土壤监测装置，其特征在于，所述电动旋转滤光片是安装在电动旋转盘上的若干滤光片，所述滤光片与光学透镜平行。

7.根据权利要求1所述的一种便携式湿地土壤监测装置，其特征在于，所述不透光的外壳是底部为45度切面的长方体，一侧安装有高透光率的长方形窗镜，长方形窗镜朝外一侧安装有荧光传感膜，窗镜与平面反射镜呈45度角。

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