基于塑料光纤的Cd(II)传感器吸收光谱信号处理研究

胡卫军

(重庆市检测控制集成系统工程实验室 重庆工商大学 计算机科学与信息工程学院，重庆400067)

0 引 言

镉离子(Cd(II))是一种广泛存在于空气、水和食物中的对人体健康危害极大的重金属污染物。Cd 中毒能导致肾功能衰退、生殖障碍、Itai—Itai 病、骨质疏松、呼吸系统疾病等。长期、低剂量Cd(II)暴露能显著增加患癌的危险［1］，因此，国际抗癌联盟(IARC)将其确定为I 类致癌物。因而，对Cd(II)的检测具有重要的意义。与传统的电化学类传感器相比，光纤传感器具有众多优点，譬如:便于微型化和集成化，易于实现监测仪器的便携化，抗电磁干扰等等［2］。因此，利用光纤传感对Cd(II)进行检测具有良好的发展前景。目前，重金属离子光纤传感方法主要有光吸收检测、光反射检测和荧光检测等三种［3］。这三种方法都是基于固定在光导纤维探头上的生物酶或者化学指示剂与溶液中金属离子之间可逆的反应，从而引起探头表面光学性质发生变化进行检测的。在生物酶敏感膜的研究中，Durrieu C 采用碱性磷酸酶附着在绿藻上［4］，Hakkila K采用发光细菌作为敏感物［5］，Kuswandi B 采用尿素酶作为敏感物来进行重金属离子的检测［6］。Shweta C 利用酞菁染料与酶的作用来进行Cd2+和Cu2+的检测［7］。李俊立等人基于Cd(II)和人血清白蛋白(HSA)之间的结合特征和机理采用荧光猝灭法定量检测镉离子浓度［8］。生物酶作为敏感膜存在一个最大的不足就是可逆性比较差。在化学指示剂方面，刘云峰等人在长周期光纤光栅上制备羧甲基纤维素(CMC)铜离子敏感膜进行Cu2+的检测［9］。张信凤等人利用Cr6+与二苯碳酰二肼在高氯酸介质中的显色反应制备液芯光纤传感器，其检出限(3σ)为0.4 μg/L。

本文采用塑料光纤作为传光器件对吸收光谱采集处理来进行Cd(II)的检测。

1 Cd(II)的测量结构

Cd(II)的测量结构如图1 所示，由光源、透镜、反应板、光纤和光谱仪组成。当四种浓度的Cd(II)与对硝基苯重氮氨基偶氮苯(C18H14N6O2)指示剂在反应池中反应时得到不同浓度的光谱信号，经过对采集信号的处理来确定Cd(II)的浓度与光谱信号之间的关系。

图1 Cd(II)的测量结构Fig 1 Measurement structure of Cd(II)

2 实 验

选用中国国家有色金属和电子材料分析测试中心浓度为1 000 μg/mL 的Cd(II)标准试剂进行测试溶液配置，配置的溶液浓度如表1 所示。

表1 Cd(II)配置浓度Tab 1 Prepared Cd(II)concentration

取对硝基苯重氮氨基偶氮苯(C18H14N6O2)0.8g 溶于500 mL 无水乙醇中定容密封作为指示剂使用。由于反应池容量限制，分别取四种浓度的Cd(II)溶液0.2 mL 与0.7 mL去离子水和0.2 mL 指示剂溶液混合于反应板的反应池中。光谱信号直接通过光谱仪在计算机上采集，当前Cd(II)溶液的实测浓度如表2 所示，四种浓度对应的光谱如图2 中C1～C4 所示。

表2 Cd(II)测量浓度Tab 2 Measured Cd(II)concentration

图2 四种浓度Cd(II)的光谱Fig 2 Spectrum of four kinds of Cd(II)concentrations

3 数据处理

由图2 可见，各浓度的光谱信号叠加着很多高频噪声信号，在此采用低通滤波的方式(9 点滑动平均法)进行数据的处理，得到光谱如图3 所示。可以明显看到:去噪后信号的信噪比有较大的改善。

图3 低通滤波后四种浓度Cd(II)的光谱Fig 3 Spectrum of four Cd(II)concentrations after low-pass filtering

图4 Cd(II)拟合曲线Fig 4 Fitting curve of Cd(II)

根据去噪后的Cd(II)四种浓度的光谱数据，找到每个光谱的峰值，作出散点图并进行非线性拟合如图4 所示。拟合曲线为y = －5 876.16exp(－x/0.144 15)+4 233.259，拟合相关系数R2为0.969 18，拟合度比较高。由拟合曲线表达式可以求得Cd(II)的测量下限为0.004 7 mg/L，可以达到GB 18918—2002 城镇污水处理厂污染物排放标准规定的Cd(II)最低标准0.01 mg/L。

4 结 论

本文基于塑料光纤搭建Cd(II)吸收光谱测试装置。经过后续的光谱低通滤波处理和对数据的非线性拟合，得到了光谱信号峰值与Cd(II)浓度之间的关系，测量的浓度范围为0.066 0～0.648 2 μg/mL。对Cd(II)的光谱信号数据处理的研究为重金属离子敏光纤传感器阵列的研究提供了良好的实验基础。

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