[发明专利]一种水体磷原位监测传感器及监测方法

说明书

本发明提供了一种水体磷原位监测传感器及监测方法。本发明的传感器利用硅晶体材料提高光谱信号强度，使用滤波器筛选中红外波段的光源入射水体，有效降低传感器体积且保持测定稳定性，利用磷氧键的特征吸收与含量相关关系测定水体磷酸盐含量，将传感器放置于水体环境即可工作，无需化学测定、无化学污染、无需大量人力物力、样本测定响应时间仅需数秒。本发明传感器体积小、成本低，可操作性强，测定原理可靠，能够实现原位、实时、连续性的环境水体磷含量监测，适合现场快速监测场景。

技术领域

本发明属于环境水体检测方法领域，具体涉及一种水体磷原位监测传感器及监测方法。

背景技术

在水体环境生态系统中，磷是引起水体富营养化的主导因素，也是我国污染物监测排放总量控制的重要指标之一。现有主要方法是测定水体中的磷酸盐含量，如采用磷钒钼黄或磷钼蓝法，其原理为磷酸盐与偏钒酸和钼酸、或磷酸盐与钼酸铵反应生成新的化合物，其吸光度与磷浓度成正比。另外还有孔雀绿-磷钼杂多酸分光光度法，将孔雀绿、钼酸铵混合配成一定酸度的显色液，磷酸盐与聚乙烯醇生成离子缔合物，通过比色法测定其吸光度值，该方法检出限低 (1.2 μg L^-1)、灵敏度高、准确性好。

但以上方法均以化学方法为基础，需要采集水样后移至实验室中进行，一方面需要室内仪器设备；另一方面对实验操作人员在实验操作方法如试剂配制、化学测定等要求较高。这逐渐不能适应现代化大量水体样本连续测定的需求，也无法满足现场快速、实时监测的应用场景。

中红外衰减全反射傅立叶变换光谱（ATR-FTIR）方法，是一种基于物理光反射原理进行样本定量分析方法。磷酸盐中的磷氧（P–O）键在中红外光谱特定波段具有特征吸收，可通过其浓度与红外光谱的吸光度的相关性进行快速定量检测。现有光谱测定方法采用硒化锌作为衰减全反射晶体 (ATR) 材料，但其对磷氧键的检测灵敏度较低，对于测定水体中含较低浓度磷酸盐具有一定的局限性。因此，能够开发新的方法实现水体磷的快速测定，在环境监测领域具有重要的意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种可在水体中进行磷酸盐原位、快速监测的传感器及检测方法，可用于环境水体中磷酸盐浓度的监测。

为实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案：

一种水体磷原位监测传感器，包括外壳、晶体探头、激发光路模块、光电检测器、通信模块、供电模块和终端；

所述供电模块、激发光路模块、通信模块和数据处理模块密封于外壳内；

所述激发光路模块包括光源、滤波器和聚焦镜，所述滤波器对光源进行波段滤除，使光源经滤波器处理后输出中红外波段的光信号，滤波器输出的光信号经聚焦镜聚焦后经晶体探头入射水体；所述晶体探头嵌于外壳上，晶体探头材质为硅晶体，硅晶体上经刻蚀加工形成三棱柱状阵列，使光路按固定角度入射并进行单次反射；

所述光电检测器接收进入水体后反射的光信号，并将获取的光信号经光电转换模块转化为电信号，通过通信模块发送至终端；

所述终端对接收的信号进行数据处理，计算磷酸根浓度；

所述供电模块用于给耗电设备供能。

作为一种优选的实施方式，所述激发光路模块输出的光信号波长范围为1200－800 cm^-1。

作为一种优选的实施方式，所述终端包括数据库和数据处理模块；

所述数据库内预存储磷酸根光谱数据，所述磷酸根光谱数据指不同浓度磷酸根溶液的中红外波段光谱数据；

所述数据处理模块获取通信模块发送的信号，将接收的未知浓度磷酸根光谱与数据库中磷酸根光谱数据合并构建新光谱矩阵；将数据库中预存标准样品光谱和对应浓度作为建模集，未知样本光谱作为预测集，构建磷酸根浓度计算模型，计算未知磷酸根含量。

优选的，利用偏最小二乘算法构建计算模型。