关键词:
铁元素分析
数字图像处理
微流控纸芯片
自然水体
机器视觉
摘要:
铁(Fe)元素是生态环境中重要的常量元素,也是人体的必需微量元素。自然水体中,Fe是水体氧化能力传递的重要媒介,其价态及含量对维持水环境质量具有重要作用。因此,自然水体中Fe的浓度信息在环境科学、环境毒理学、生命科学、以及食品安全相关等领域中起着重要的作用。现有的检测水体中Fe元素的分析方法主要包括光谱法和质谱法,这些方法精度高、灵敏度好,但存在分析设备笨重、价格昂贵、以及对实验环境条件有较高要求等普遍问题,很难适用于现场环境下的Fe元素的检测。因此,研究建立一种分析精度高、成本低、操作简单、测定快速的自然水体中Fe元素的分析方法具有重要意义。针对传统的铁离子检测方法存在的问题,本文利用机器视觉、数字图像处理技术以及微流控纸芯片(μPADs),对水体中铁元素的检测方法进行了深入研究。论文首先对μPADs的制作方法进行探究。对μPADs的结构进行了设计,分析了丝网印刷法、蜡印法和融蜡法的μPADs制作效果,并在此基础上提出了一种新的μPADs制作方法,即“贴片法”。结果表明,“贴片法”制作方法过程简单,成本低、实用性强,且对实验环境和条件无特殊要求。然后,论文搭建了基于工业相机的μPADs彩色数字图像采集系统,利用MATLAB软件处理μPADs化学显色后的数字图像。本文研究了均值滤波和中值滤波的图像降噪效果,对比了阈值分割法、边缘分割法和区域生长法对图像ROI区的分割效果,并提取图像ROI区颜色分量的均量增值Δ(?)、ΔG、Δ(?)、Δ(?)、Δ(?)、Δ(?),用于后续数字图像定量模型的研究。最后,论文对μPADs数字图像的Fe浓度模型进行了研究。优化了盐酸羟胺(还原剂)和1,10-菲啰啉(显色剂)在μPADs上的添加量,研究了显色时间对μPADs数字图像质量的影响,然后,在0-100μM浓度范围内,建立了Fe浓度的μPADs数字图像数据集,分别利用一元和多元回归分析对Fe浓度模型开展研究。结果表明,以颜色分量均量增值Δ(?)、Δ(?)、Δ(?)为特征参数的多元性回归方程模型效果最佳,决定系数R为0.9932,均方误差MSE为5.6491,均方根误差RMSE为2.3768。论文提出的分析方法的检出限为2.53μM,检测范围为5-100μM,10次平行测定的相对标准偏差RSD小于3.0%,加标回收率达到94%,单次检测成本0.7元,具有成本低、操作简单、检测效率高、抗干扰能力强等显著优势,适用于自然水体中Fe浓度的快速检测。