CN112461806A - 基于智能手机的荧光光谱检测方法 - Google Patents

Abstract

基于智能手机的荧光光谱检测方法，涉及光谱检测与图像处理。1)荧光信号检测：利用智能手机的摄像头作为检测器进行荧光信号检测；2)图像数据处理：对智能手机拍摄得到的视频数据进行处理；3)光谱曲线绘制：根据步骤2)中读取的样品荧光图像有效发光区域的颜色通道信息，选定合适的颜色值作为样品的荧光强度参数，以波长为横坐标，荧光强度为纵坐标，绘制样品的特征荧光光谱曲线；样品的特征荧光光谱曲线生成后自定义名称后保存在指定文件夹中，并生成荧光物质光谱数据库。实现通过智能手机摄像头的图像传感器以录像的形式快速准确地扫描得到物质的荧光光谱；操作简便，分析耗时短，可通过降低环境噪声的干扰提高检测灵敏度。

Description

基于智能手机的荧光光谱检测方法

技术领域

本发明涉及光谱检测与图像处理技术领域，尤其是涉及一种基于智能手机的荧光光谱检测方法。

背景技术

荧光分析法具有灵敏度高、选择性强和方法多样等优点，已被广泛应用于化学、生物、医药、卫生、农业和环境保护等领域中。荧光光谱分析法作为一种表征技术用于研究体系的物理、化学性质及其变化情况，可作为定性检测和定量分析的手段。传统的荧光分析方法操作较为复杂，不利于推广，且仪器体积较大，制造成本高，难以应用于现场检测。因此新型快速的荧光分析技术及便携式荧光分析仪器的研究具有重大的意义和广泛的发展前景。

智能手机作为一种简便易携的功能性移动设备，为便携式检测技术提供了新的发展机遇。随着智能手机摄像功能的不断完善、APP的广泛使用以及数据处理能力的不断提高，使得智能手机可以作为一种图像采集工具及数字化处理设备而发挥强大的作用。其原理通常是将待测物质或其反应过程中的光信号、电信号或颜色特征以图片的形式进行采集，随后将所采集到的图片经过专门的图片处理软件或者通过智能手机上安装的APP程序实现信号的量化，最终得到数据结果。将智能手机与传统的检测技术相结合，既能充分发挥智能手机轻巧便携、成本低廉、操作简单、处理快速等优势，利用传统检测方法的原理和适用性，还能弥补传统大型仪器在检测时效性方面的不足，为现场快速检测方法研究提供了巨大的发展平台。

传统的荧光分析仪器所采用的光电探测器主要为PMT(光电倍增管)，需要提供稳定的负高压装置，难以仪器小型化。目前，基于智能手机的便携式光谱检测方法所采用的装置往往需要外加光学元件，光路设计较为复杂，成本较高。同时，已有的基于智能手机的光谱检测方法采用拍摄单张样品图片的方式获取光谱，存在检测范围小、检测对象单一，图像处理过程操作复杂、分析时间长等不足。因此，开发一种结构简单，操作便捷且适用范围广的基于智能手机的荧光光谱检测方法具有极大的应用价值。

发明内容

本发明旨在克服现有技术存在的上述不足，提供能够广泛适用于可见光范围内荧光物质的荧光光谱检测，可适配多种型号的智能手机，结构简单、操作便捷且检测准确度高的一种基于智能手机的荧光光谱检测方法。

本发明包括以下步骤：

1)荧光信号检测：利用智能手机的摄像头作为检测器进行荧光信号检测；

2)图像数据处理：对智能手机拍摄得到的视频数据进行处理；

3)光谱曲线绘制：根据步骤2)中读取的样品荧光图像有效发光区域的颜色通道信息，选定合适的颜色值作为样品的荧光强度参数，以波长为横坐标，荧光强度为纵坐标，绘制样品的特征荧光光谱曲线；样品的特征荧光光谱曲线生成后自定义名称后保存在指定文件夹中，并生成荧光物质光谱数据库。

在步骤1)中，所述利用智能手机的摄像头作为检测器进行荧光信号检测的具体步骤可为：将智能手机的后置摄像头对准单色仪狭缝，打开智能手机自带的相机，用智能手机的图像传感器检测从单色仪出光口狭缝透出的荧光信号，使用智能手机相机的录像功能，以拍摄视频的形式记录样品受激发光源照射后发出的荧光经过单色仪分光并从狭缝透出的荧光信号；

所述智能手机可采用任意型号的具有摄像头的手机，以智能手机摄像头的图像传感器作为检测元件；所述将智能手机的后置摄像头对准单色仪狭缝，具体可将智能手机先固定放置在手机支架上，使智能手机摄像头对准单色仪出光口的狭缝位置，智能手机检测器与单色仪、样品位于同一水平直线上，并与光源呈90°直角排布。

在步骤2)中，所述对智能手机拍摄得到的视频数据进行处理的具体步骤可为：将视频数据的时长与样品荧光发射的波长范围进行匹配，根据样品荧光发射的波长范围与光谱扫描步长的比值换算出荧光图像张数，将视频数据转换成一系列与波长对应的样品荧光图像；对这一系列样品荧光图像数据进行快速批量处理，包括选取样品荧光图像的有效发光区域，并读取该区域的不同颜色通道信息；

在步骤2)中，所述对荧光图像数据进行快速批量处理的具体方法可为：对样品荧光图像的有效发光区域大小的选取针对不同样品的实际发光区域进行设定，设定完后对选取区域的框线形状进行保存，并运用于后续对同一组荧光图像数据的相同发光区域进行批量自动选取；当样品荧光信号较弱或环境噪声等干扰信号较强时，可先进行图像降噪处理；

所述读取该区域的不同颜色通道信息是读取样品荧光图像有效发光区域的不同颜色通道信息，所得的每个通道颜色值结果为该区域内该通道颜色值的平均值。

在步骤3)中，所述合适的颜色值，该颜色值根据不同荧光物质的实际荧光发射波长区域进行选择，以反映该荧光物质真实的荧光发射光谱信息。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明设计了一种新型的基于智能手机的荧光光谱检测方法，实现了通过智能手机摄像头的图像传感器以录像的形式快速准确地扫描得到物质的荧光光谱；将智能手机拍摄的视频数据转化为样品荧光图像，并对图像数据进行快速批量处理，操作简便，分析耗时短，并且可以通过降低环境噪声的干扰提高检测灵敏度。所得实验结果与常规荧光分光光度计所得到的物质荧光光谱扫描结果相比有较高的匹配度。本发明采用智能手机的图像传感器代替常规荧光分光光度计所使用的光电倍增管作为荧光信号的检测元件，模拟光电检测器的光谱扫描方式，采用智能手机相机以拍摄视频的方式连续采集样品的荧光信号，将样品的光信号转化为图像的颜色通道信息，直接利用颜色值作为参数，即可获取样品的荧光光谱，并且可以实现较大波长范围内不同种类荧光物质的荧光光谱检测。搭配小型化的单色仪与不同波长的激发光源，无需外加光学元件和复杂的光路设置，既节约了成本，又缩减了仪器体积。同时该***的荧光信号检测部分设置了可调节和移动的智能手机支架，使用不同型号的智能手机均可以适配于该***作为荧光信号检测器，可确保不同型号的智能手机对于不同荧光物质均可进行准确快速的荧光光谱检测。

附图说明

图1为本发明的总流程示意图。

图2为本发明所述样品荧光图像数据处理方法的流程示意图。

图3为本发明所述样品荧光图像数据处理过程中选取的荧光图像有效发光区域。

图4为本发明所述样品特征光谱曲线绘制过程中采用不同颜色值表征的物质荧光光谱。

图5为使用本发明检测1mg/L丹磺酰氯溶液的荧光发射光谱及其与常规荧光分光光度计检测结果的比较。

图6为使用本发明检测5mmol/L罗丹明6G溶液的荧光发射光谱及其与常规荧光分光光度计检测结果的比较。

具体实施方式

以下实施例将结合附图对本发明作进一步的说明。

如图1所示，一种基于智能手机的荧光光谱检测方法，包括以下步骤：

将智能手机放置于手机支架上，使智能手机的后置摄像头对准单色仪狭缝；打开智能手机自带的相机，样品受到激发光源照射后发出的荧光经过单色仪，用智能手机的图像传感器检测从单色仪出光口狭缝透出的荧光信号，点击智能手机相机的录像功能，以拍摄视频的形式记录一定波长范围内样品发出的荧光信号。

如图2所示，样品荧光图像数据处理，具体包括以下步骤：

对智能手机拍摄得到的视频数据进行处理，首先将视频数据的时长与样品荧光发射的波长范围进行匹配，根据样品荧光发射的波长范围与光谱扫描步长的比值换算出荧光图像张数，将视频数据转换成一系列与波长对应的样品荧光图像；然后对这一系列样品荧光图像进行批量处理，包括选取图像数据的有效发光区域，如图3所示；读取图像有效发光区域的不同颜色通道信息；选定合适的颜色参考值表征样品的荧光强度，并以波长为横坐标，荧光强度为纵坐标，进行样品特征荧光光谱曲线的绘制，如图4所示。得到样品的特征荧光光谱曲线后保存在指定文件夹中，最后生成光谱数据库。

以丹磺酰氯溶液和罗丹明6G溶液为例对本发明进行测试，如图5和图6所示，横坐标为波长(nm)，纵坐标为归一化的荧光强度；左图表示使用常规荧光分光光度计检测的荧光发射光谱，右图表示使用本发明检测的荧光发射光谱。如图5所示，使用常规荧光分光光度计扫描得到的丹磺酰氯溶液其荧光发射峰位置在526nm处，使用本发明扫描得到的丹磺酰氯溶液其荧光发射峰位置在527nm处，两种方法扫描得到的丹磺酰氯溶液荧光发射光谱基本一致；如图6所示，使用常规荧光分光光度计扫描得到的罗丹明6G溶液其荧光发射峰位置在577nm处，使用本发明扫描的罗丹明6G溶液其荧光发射峰位置在577nm处，两种方法扫描得到的罗丹明6G溶液荧光发射光谱基本一致。实验结果表明本发明方法具有可靠性。

本发明利用智能手机的摄像头代替传统荧光分光光度计使用的光电倍增管进行样品荧光信号的检测；将智能手机拍摄的视频数据转化为样品荧光图像，并对图像数据进行快速批量处理。选取样品荧光图像的有效发光区域，并读取该区域的不同颜色通道信息；选定合适的颜色值作为样品的荧光强度参数，以波长为横坐标，荧光强度为纵坐标，绘制样品的特征荧光光谱曲线。本发明广泛适用于可见光范围内荧光物质的荧光光谱检测，可适配多种型号的智能手机，结构简单，操作便捷且检测准确度高。

Claims (7)

1.基于智能手机的荧光光谱检测方法，其特征在于包括以下步骤：

1)荧光信号检测：利用智能手机的摄像头作为检测器进行荧光信号检测；

2)图像数据处理：对智能手机拍摄得到的视频数据进行处理；

3)光谱曲线绘制：根据步骤2)中读取的样品荧光图像有效发光区域的颜色通道信息，选定合适的颜色值作为样品的荧光强度参数，以波长为横坐标，荧光强度为纵坐标，绘制样品的特征荧光光谱曲线；样品的特征荧光光谱曲线生成后自定义名称后保存在指定文件夹中，并生成荧光物质光谱数据库。

2.如权利要求1所述基于智能手机的荧光光谱检测方法，其特征在于在步骤1)中，所述利用智能手机的摄像头作为检测器进行荧光信号检测的具体步骤可为：将智能手机的后置摄像头对准单色仪狭缝，打开智能手机自带的相机，用智能手机的图像传感器检测从单色仪出光口狭缝透出的荧光信号，使用智能手机相机的录像功能，以拍摄视频的形式记录样品受激发光源照射后发出的荧光经过单色仪分光并从狭缝透出的荧光信号。

3.如权利要求2所述基于智能手机的荧光光谱检测方法，其特征在于在步骤1)中，所述智能手机采用任意型号的具有摄像头的手机，以智能手机摄像头的图像传感器作为检测元件；所述将智能手机的后置摄像头对准单色仪狭缝，具体可将智能手机先固定放置在手机支架上，使智能手机摄像头对准单色仪出光口的狭缝位置，智能手机检测器与单色仪、样品位于同一水平直线上，并与光源呈90°直角排布。

4.如权利要求1所述基于智能手机的荧光光谱检测方法，其特征在于在步骤2)中，所述对智能手机拍摄得到的视频数据进行处理的具体步骤为：将视频数据的时长与样品荧光发射的波长范围进行匹配，根据样品荧光发射的波长范围与光谱扫描步长的比值换算出荧光图像张数，将视频数据转换成一系列与波长对应的样品荧光图像；对这一系列样品荧光图像数据进行快速批量处理，包括选取样品荧光图像的有效发光区域，并读取该区域的不同颜色通道信息。

5.如权利要求4所述基于智能手机的荧光光谱检测方法，其特征在于在步骤2)中，对这一系列样品荧光图像数据进行快速批量处理的具体方法为：对样品荧光图像的有效发光区域大小的选取针对不同样品的实际发光区域进行设定，设定完后对选取区域的框线形状进行保存，并运用于后续对同一组荧光图像数据的相同发光区域进行批量自动选取；当样品荧光信号较弱或环境噪声等干扰信号较强时，可先进行图像降噪处理。

6.如权利要求4所述基于智能手机的荧光光谱检测方法，其特征在于在步骤2)中，所述读取该区域的不同颜色通道信息是读取样品荧光图像有效发光区域的不同颜色通道信息，所得的每个通道颜色值结果为该区域内该通道颜色值的平均值。

7.如权利要求1所述基于智能手机的荧光光谱检测方法，其特征在于在步骤3)中，所述合适的颜色值，该颜色值根据不同荧光物质的实际荧光发射波长区域进行选择，以反映该荧光物质真实的荧光发射光谱信息。

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