基于微型光谱仪的多参数水质检测微系统设计与实验_魏康林

第３　２卷，第７期 光谱学与光谱分析Ｖｏｌ．３２，Ｎｏ．７，ｐｐ

２００９－２０１４２　０　１　２年７月 Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ　ａｎｄ　Ｓｐｅｃｔｒａｌ　Ａｎａｌｙｓｉｓ　Ｊｕｌｙ

，２０１２　基于微型光谱仪的多参数水质检测微系统设计与实验

魏康林１，２，３，温志渝１，２，３＊，郭　建１，２，３，陈松柏１，２，３

１．国家级微纳系统与新材料技术国际联合研究中心，重庆　４０００４４　２．重庆大学新型微纳器件与系统国家重点学科实验室，重庆　４０００４４３．重庆大学微系统研究中心，重庆　４

０００４４摘　要　针对水资源环境监测与保护的需求，提出了基于微型光谱仪连续光谱分析的多参数水质检测微系统，系统主要由ＭＯＥＭＳ微型光谱仪、流路系统、多功能微小型样品反应检测室和嵌入式测控系统组成，具

有自动进样和试剂、样品反应体系的自动恒温、搅拌、光谱检测和数据处理等功能。论文介绍了系统各主要部分的功能与结构，研制出了原理样机，经实验测试验证，研制的多参数水质检测仪能够快速实现多个水质参数的准确检测，满足水质多参数在线监测的应用技术要求，同时具有很大的功能扩展性。关键词　水质检测；微系统；多参数；微型光谱仪

中图分类号：Ｘ８５３ 文献标识码：Ａ ＤＯＩ：１０．３９６４／ｊ

．ｉｓｓｎ．１０００－０５９３（２０１２）０７－２００９－０６　收稿日期：２０１１－０８－１５，修订日期：２０１１－１１－

２０　基金项目：科技部国际科技合作项目（

２００７ＤＦＣ０００４０）和国家（８６３计划）项目（２００７ＡＡ０４２１０１）资助　作者简介：魏康林，１９７６年生，重庆大学新型微纳器件与系统国家重点学科实验室博士研究生 ｅ－ｍａｉｌ：ｚｅｙ

ｕａｎｗｅｉ＠１６３．ｃｏｍ＊通讯联系人 ｅ－ｍａｉｌ：ｗｚｙ＠ｃｑ

ｕ．ｅｄｕ．ｃｎ引　言

微光谱分析系统在水质监测领域的应用和基于光谱分析

的多参数水质监测是现代水质监测科学技术的重要发展方向之一［１－

３］，具有多功能系统集成和多参数快速的技术优

势

［４，５］

，是目前国内外水质监测技术领域的研究热点和重要

发展趋势

［６－

８］。目前国内现有的水质监测仪器大都设计复杂，

检测参数单一，在系统功耗、体积、多功能扩展和多参数检测方面或多或少存在一定的技术不足，为此，提出了基于微型光谱仪连续光谱分析的多参数水质检测微系统，完成了系统原理样机的设计与装调，具有自动进样、搅拌、恒温、清洗和光谱检测的功能，经与国家标准分析方法对比测试，所研制的多参数水质检测微系统原理样机能够实现对六价铬、铅、总酚、阴离子表面活性剂（ａｎｉｏｎｉｃ　

ｓｕｒｆａｃｔａｎｔｓ，ＡＳ）、化学需氧量（ｃｈｅｍｉｃａｌ　ｏｘｙｇｅｎ　ｄｅｍａｎｄ，ＣＯＤ）、氨氮、总磷等多个水质参数的快速在线检测，满足水质多参数在线监测的应用技术要求，同时具有很大的功能扩展性。

１　系统设计

１．１　系统结构

根据朗伯－比尔光谱检测定律，所设计的多参数水质监

测微系统主要由基于微型光谱仪的光学检测系统、基于微电

子多位阀与微型精密蠕动泵的多参数顺序检测流路系统以及嵌入式测控系统组成（图１）。多参数顺序检测流路系统具有多试剂和样品间的流路切换和精确进样、进试剂的功能，被

测水样与待测水质参数对应的检测试剂通过流路系统进入多功能微小型样品反应检测室，经在线前处理（萃取、消解、显色）后，再对样品反应体系进行光谱检测，最后把光谱仪的输出数据送入嵌入式测量系统分析处理，从而获取水样中的被测水质参数的浓度信息。完成一个水质参数的检测后，系统自动清洗流路和样品反应检测室，然后进行下一个水质参数的检测，即多参数顺序进样、顺序检测。

Ｆｉｇ．１　Ｔｈｅ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ　ｏｆ　ｍｕｌｔｉ－ｐａｒａｍｅｔｅｒ　ｗａｔｅｒ　ｑｕａｌｉｔｙ

ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　

ｍｉｃｒｏｓｙｓｔｅｍ

１．２　检测系统

光学检测系统主要由多功能微小型样品检测室和重庆大学微系统中心自主研发的基于ＭＯＥＭＳ（微光机电系统ｍｉ－

ｃｒｏ－ｏｐｔｏ－ｅｌｅｃｔｒｏ－ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ｓｙｓｔｅｍ）技术的ＭＳＶＩＳ－２微型近紫外－可见光谱仪组成，光源（５Ｗ／６Ｖ，仪器专用卤钨灯）经微透镜准直后进入样品反应检测室，出射光经微透镜聚焦进入ＭＯＥＭＳ微型光谱仪，ＭＯＥＭＳ微型近紫外－可见光谱仪

（图３）的波长范围为３４０～７７０ｎｍ，完全覆盖了系统所检各水质参数（六价铬、铅、ＣＯＤ、ＡＳ、总磷、总酚、氨氮）的特征吸收波长，其光谱带宽和分辨率等指标也满足水质光谱检测的技术要求

。

Ｆｉｇ．２　Ｔｈｅ　ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ　ｓｙ

ｓｔｅ

ｍＦｉｇ．３　Ｔｈｅ　ＭＯＥＭＳ　ｍｉｃｒｏ　ＵＶ－Ｖｉｓ　ｓｐ

ｅｃｔｒｏｍｅｔｅ

ｒＦｉｇ．４　Ｔｈｅ　ｍｉｎｉａｔｕｒｅ　ｍｕｌｔｉｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ　ｓａｍｐｌｅｓ’ｒｅａｃｔｉｎｇ

ａｎｄ　ｄｅｔｅｃｔｉｎｇ　

ｃｈａｍｂｅｒ’ｓ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ 水质样品反应检测室在设计原理上不但考虑到水质样品

反应体系的光学检测，而且还针对各水质参数的样品在线前处理对样品反应体系的搅拌、恒温和对检测池的高效清洗等技术要求，在不影响检测光路的前提下，基于超声技术与水

浴恒温原理，设计了一个集光谱检测、自动恒温、搅拌与清洗等功能于一体的多功能微小型样品反应检测室。使得整个系统在多功能集成方面具有一定的技术优势，样品反应检测室的具体设计原理与结构如图４所示。１．３　流路系统设计

借鉴顺序注射分析法的流路原理，设计了基于微电子多位阀与微型精密蠕动泵的多参数顺序检测主流路系统（图５

）。多位阀的各个通道分别与在线水样、蒸馏水、空气和各个在检水质参数对应的标准溶液及检测试剂连通，多位阀的公共通道与微型精密蠕动泵相连，通过控制阀位，就可使泵管和相应的试样管道连通，满足水质多参数顺序检测的多试剂与样品的流路切换技术要求。在单片机控制下，微型精密蠕动泵把在线水样与被测水质参数对应的检测试剂依次定量抽送到样品室，样品与试剂在检测室反应后，经光谱分析，可以获取该水质参数的浓度信息。系统采用高性能步进电机驱动的高精度（进样体积０．２～３ｍＬ，进样误差±１％）

、低成本、小体积（ ３６ｍｍ×４５ｍｍ）、低功耗（５Ｗ）的微型精密蠕动泵代替传统微量注射泵（

体积较大、价格高），以适应进一步的产业化发展［

９］

。 辅助流路系统如图６所示，微型精密蠕动泵和三通换向

电磁阀组成辅助清洗流路和气泡搅拌流路（针对具体样品反应体系，气泡搅拌与超声搅拌功能互补）

，微型三通换向电磁阀具有常开口与常闭口两个流路切换功能，常开口接蒸馏水用于辅助清洗流路、常闭口接空气用于气泡搅拌流路。微型直流泵定期更换样品室超声水槽内蒸馏水以保证水的洁净

度，从而不影响检测光路

。

Ｆｉｇ．５　Ｔｈｅ　ｍａｉｎ　ｆｌｏｗ　ｒｏｕｔｅ　ｓｙ

ｓｔｅ

ｍＦｉｇ．６　Ｔｈｅ　ａｓｓｉｓｔｅｄ　ｆｌｏｗ　ｒｏｕｔｅ　ｓｙ

ｓｔｅｍ１．４　嵌入式测控系统设计

为满足水质多参数在线检测的自动化与智能化实际应用要求，针对样品在线前处理的高精度控制与样品反应体系的

０１０２光谱学与光谱分析 第３２卷