基于智能手机二维码检测技术的水中重金属离子的快速筛查

张宇航， 张校亮，2， 谭 慷，2， 李晓春*，2

(1.太原理工大学物理与光电工程学院，新型传感器与智能控制教育部与山西省重点实验室，山西太原 030024；2.太原理工大学生物医学工程学院，山西太原 030024)

条形码技术作为最早的图形识别技术之一，目前已普遍应用于多个领域中，并且极大的改善了人们的生活。条形码技术由于其简单、灵活、使用方便、可靠性强等特点，受到了广大科研工作者的关注，研究人员提出了将生化分析检测与条形码技术相结合的新方法[1 - 7]。传统的高通量芯片的实用性受数据采集和分析过程的自动化程度限制[8]，存在由于样本位置分析不准确影响实验结果的情况[9]。智能手机由于内部集成了精密的光学成像技术以及强大的硬件功能，其作为图像处理和数据分析的工具被广泛应用于检测领域中[10 - 14]。因此将智能手机用于生化条形码的数字化读取，使得生化分子的高通量检测更加方便、快捷和高效。

条形码编码及解码功能实则是程序对条形码图案的操作过程，图案中单元条带的颜色深浅直接影响到解码的结果。将条形码技术与比色检测法相结合，对目标分析物进行编码，利用电脑程序配合手持式扫描仪或智能手机应用程序对其进行结果读取，可以实现大量样品的快速检测。条形码中的39码和库德巴码已经被应用于生物分子检测领域，实现了多种病原体(HIV、HBV、HCV、TP)[1 - 3]、血液中hCG[4]以及瓜果蔬菜中农药残留[5]的快速检测。相对于一维条形码，二维码在信息编码能力和解码精度方面具有更为显著的优势，可以获得更高的检测通量。Jiang等[6]受到二维条形码自动定位的功能的启发，设计了二维结构的微流控网络通道，用于小鼠免疫球蛋白的检测。该二维检测系统采用了类似二维条形码的自动定位功能，能够进行高通量检测，但并没有涉及二维条形码的编解码过程，并不是真正意义上的二维条形码。Roberto等[7]利用显色反应后的颜色信号对打印在纸上二维条形码的标识区进行干扰，根据智能手机能否正常解码，实现了牛奶中大肠杆菌的定性检测，该检测方法只能进行单一样本的检测，并没有体现出二维条形码高通量检测的优势。

本研究结合智能手机技术、3D打印技术以及二维条形码的快速解码技术，提出了一种新型的生化检测方法。根据二维条形码的结构特性，设计了相应的二维条形码检测平台，该二维条形码式样的检测平台由固定区域和检测区域构成，固定区由黑白两色的方形模块单元按照二维条形码模板的拼接而成，用于二维条形码的图案识别；检测区域由透明通道单元拼接而成，用于生化分子的显色反应。拼接过程中使用的拼接单元以及透明通道均由3D打印机打印得到。利用Java语言开发了一款可用于读取该二维条形码检测平台的智能手机APP，该手机APP可根据待测样本的标准浓度值对程序中的解码阈值进行标定。此外，程序中建立了解码结果和位置关系的数据库，通过手机简单的扫码操作即可实现对大量样本的快速定位筛查。本研究中利用该检测系统对重金属离子Cr(Ⅵ)和Ni(Ⅱ)进行了检测，在检测通道中完成重金属离子的显色反应，根据重金属离子Cr(Ⅵ)和Ni(Ⅱ)的国家标准要求对程序中的解码阈值进行校准，利用该智能手机APP对显色反应结束后的二维条形码平台解码，即可实现检测区域所有通道中重金属离子的快速筛查。

1 实验部分

1.1 仪器及试剂

智能手机(华为畅享7 Plus)；3DSL-360打印机(上海数造机电科技股份有限公司)；CP224C电子天平(美国，奥豪斯公司)；Pipet-Lite XLS手动单道移液枪(美国，梅特勒托利多公司)。

K2CrO4(≥99.5%)、柠檬酸铵(≥98.5%)(天津市科密欧化学试剂有限公司)；丁二酮肟(>98%)、1,5-二苯基卡巴肼(>98%)、NiCl2·6H2O(>98%，美国Sigma-Aldrich公司)；碘(>99.5%)、丙酮(>98%，上海阿拉丁生化科技股份有限公司)；氨水(25%，上海生工生物工程有限公司)。实验用水由Genpure UV超纯水系统(美国赛默飞世尔科技公司)制备。

1.2 溶液的制备

1.2.1 Cr(Ⅵ)显色液称取0.375 g的K2CrO4，溶于100 mL水中，得到1 000 mg/L的Cr(Ⅵ)溶液。以此为母液，利用水进行稀释，配制浓度分别为0.2、0.3、0.5、0.8、1、2、3 mg/L的Cr(Ⅵ)溶液。称取0.2 g的1,5-二苯基卡巴肼，溶于100 mL丙酮中制备2 mg/L的1,5-二苯基卡巴肼溶液，用于Cr(Ⅵ)的显色反应。取配制好的浓度分别为0、0.2、0.3、0.5、0.8、1、2、3 mg/L的Cr(Ⅵ)溶液各40 μL于透明通道中，分别加入8 μL 1%H2SO4，再加入2 μL的1,5-二苯基卡巴肼溶液，充分反应后，混合液呈现品红色。

1.2.2 Ni(Ⅱ)显色液称取0.402 g的NiCl2·6H2O，溶于100 mL水中，得到1 000 mg/L的Ni(Ⅱ)溶液。以此为母液，用水进行稀释，配制浓度分别为1、2、4、5、6、8、10 mg/L的Ni(Ⅱ)溶液。称取1.0 g的丁二酮肟，溶于200 mL的氨水中，用水稀释至1 000 mL来制备丁二酮肟溶液，用于Ni(Ⅱ)的显色反应。称取50 g柠檬酸铵溶于10 mL水中，并用水稀释至100 mL来配制50%的柠檬酸铵溶液。称取13 g的碘及40 g的KI，溶于少量水中，待溶解后稀释至1 000 mL来配制0.05 mol/L的碘溶液。取配制好的浓度分别为0、1、2、4、5、6、8、10 mg/L的Ni(Ⅱ)溶液各36 μL于透明通道中，分别加入4 μL柠檬酸铵溶液，2 μL碘溶液及8 μL丁二酮肟溶液，充分反应后，混合液呈现桃红色。

1.3 二维码检测系统

1.3.1 二维码式样检测平台建立二维条形码由定位区、格式信息区、数据区、纠错区等多个功能区组成，而数据区作为主动编码区用来存储被编码的信息，并决定了二维条形码的最终图案。被编码的信息内容不同，得到的二维条形码图案也不相同。图1为二维码检测平台的实现过程，首先利用智能手机二维码生成器或在线网站以“001001001”为编码内容生成如图1A所示的二维码，根据编码规则，选择其中的三个区域作为检测区，并对每个区域中的检测单元利用字母进行编号。我们以图1A所示的二维码为模板，在绿色底板上使用3D打印的方形模块和透明通道来拼接二维码检测平台[15 - 16]，检测区使用的透明通道由3D打印机使用光敏树脂材料打印得到，该通道可容纳50 μL的液体。拼接后的效果图如图1B所示，通道中加入了不同稀释比例的红、黄、蓝色的墨水。

图1 二维码模板图(A)和二维码检测平台图(B)Fig.1 Two-dimensional code template(A) and two-dimensional code detection platform(B)

1.3.2 智能手机解码APP功能设计由于智能手机内部集成了精密的光学成像平台以及自身强大的数据处理能力，因此我们选用智能手机对该生物二维码检测平台进行数字化读取。现有的智能手机解码APP为了提高解码的准确性，在程序中都写入了纠错的功能，这使得即使检测区域中检测单元的颜色深浅发生变化，解码得到的结果依然是原始的编码内容，无法满足我们的功能需求。因此，我们利用Java语言编写了一款可用于解码检测的手机应用“QRcode detection”，该智能手机APP可以实现只对二维码数据区的数据读取而忽略纠错区的数据信息，当检测区颜色信息发生变化时，该软件解码的结果也随之改变。为了获得更加直观的位置数据，实现检测单元定位的功能。我们在该检测应用中写入了能够表示解码结果和位置关系的数据库。根据该数据库，利用解码的结果就能够获取到解码后被读作深色单元的位置。

2 结果与讨论

2.1 智能手机解码的可行性验证

在解码之前，程序会将摄像头捕获到的二维条码图案进行图像灰度转化，并计算图案中每个像素点的灰度值。图形的解码实际上就是利用图案灰度得到二进制数据的过程。数字“1”表示图案中方形单元被识别为深色，数字“0”则表示方形单元被识别为浅色。深色和浅色的区别在于程序中阈值的设定。若某一方形单元位置处的平均灰度值低于解码阈值，则该位置被程序视为深色单元，解码为数字“1”；反之则解码为数字“0”。通过对解码的阈值进行调整，可以改变解码程序对“0”和“1”的识别依据，并进一步改变程序解码的结果。实验中我们选取24个方形单元用于检测，由于每一个单元解码之后都有两种可能结果出现(被解码为“0”或者“1”)，即总共可能出现的结果有224个。表1给出了当检测单元某处颜色发生变化时，部分新二维码的解码结果以及深色单元的位置关系。从表中结果可以看出，当检测区域中某些检测单元颜色发生变化时，其解码的结果数据也会发生变化，智能手机获取到的深色单元位置也与新二维条形码图案中结果一致。另外，实验中也可以使用其他任意数字或字母组合进行编码得到二维码拼接模板，同时对应数据库的内容也要进行修改。

表1 检测单元颜色发生变化时，部分新二维条码的读取结果表

2.2 重金属离子显色反应的发生

Cr(Ⅵ)的显色反应过程是1,5-二苯基卡巴肼与Cr(Ⅵ)反应，生成紫红色络合物[17]，利用智能手机对溶液的灰度值进行分析，图2(A)反映了Cr(Ⅵ)浓度与对应溶液灰度值之间的关系。Ni(Ⅱ)显色反应的过程是Ni(Ⅱ)在氨性溶液中先被氧化剂氧化为四价，然后与丁二酮肟反应生成可溶性酒红色络合物[18]，Ni(Ⅱ) 浓度与其对应的反应溶液灰度值之间的关系如图2(B)所示。根据重金属离子浓度与灰度值之间的关系，该基于智能手机的二维码检测系统适用于Cr(Ⅵ)和Ni(Ⅱ)的检测。

图2 不同浓度的Cr(Ⅵ)(A)和Ni(Ⅱ)(B)显色反应后的浓度值与灰度值的关系Fig.2 Relationship between concentration and gray value after reaction of Cr(Ⅵ)(A) and Ni(Ⅱ)(B)

2.3 利用智能手机二维码检测系统对重金属离子进行检测

重金属离子在不同的水体中有不同的排放标准，因此基于智能手机二维码式样的检测系统被用于重金属检测时，我们可以参考重金属的排放标准对程序中的解码阈值进行标定，则解码后被程序识别为深色单元的位置意味着该处重金属离子浓度超标。由污水综合排放标准可知，Cr(Ⅵ)在污水中综合排放标准为0.5 mg/L[19]，利用该检测系统对Cr(Ⅵ)进行检测时，我们将程序中解码的阈值按照0.5 mg/LCr(Ⅵ) 显色反应后溶液的灰度值进行设置，在检测一区的八个透明通道中依次加入浓度分别为0、0.2、0.3、0.5、0.8、1、2、3 mg/L的Cr(Ⅵ)溶液和显色剂，反应结束后利用智能手机APP对该二维码检测平台进行解码操作，解码结果为八个检测通道中Cr(Ⅵ)浓度高于0.5 mg/L的通道位置。Ni(Ⅱ)的污水综合排放标准为1 mg/L[19]，利用该检测系统对Ni(Ⅱ)进行检测时，我们将程序中解码的阈值按照1 mg/L Ni(Ⅱ)显色反应后溶液的灰度值进行设置，在检测一区的八个透明通道中依次加入浓度分别为0、1、2、4、5、6、8、10 mg/L的Ni(Ⅱ)溶液和显色剂，反应结束后利用智能手机解码应用对加样后的二维码平台进行解码，通过一次扫码即可同时获得八个检测通道中Ni(Ⅱ)浓度高于1 mg/L的通道位置。

图3 二维码检测平台效果图(A)及解码结果(B)Fig.3 Actual effect diagram of QR code detection platform(A) and the decoded result(B)

该检测系统也可以通过连续多次解码实现多种样本的同时检测。图3A为对Cr(Ⅵ)和Ni(Ⅱ)同时检测的效果图。将浓度分别为0、1、2、4、5、6、8、10 mg/L的Ni(Ⅱ)溶液和显色剂依次加入到检测Ⅱ区的八个透明通道中；将浓度分别为0、0.2、0.3、0.5、0.8、1、2、3 mg/L的Cr(Ⅵ)溶液和显色剂依次加入到检测Ⅲ区的八个透明通道中，将程序连续解码次数设置为两次，并分别对两次解码的阈值按照Ni(Ⅱ)和Cr(Ⅵ)的检测标准进行标定。反应结束后利用智能手机APP对该二维码平台连续解码两次，检测的结果如图3B所示，结果界面中给出的检测通道位置意味着该位置处的重金属离子浓度超过其对应的检测标准。

为了进一步探究该系统在解码时对深与浅的有效识别范围，我们对阈值浓度附近的重金属离子溶液进行多次实验，得到的实验结果如表2所示。由表可知，Cr(Ⅵ)的浓度在0.5～0.6 mg/L范围内解码结果存在不确定性，浓度高于0.7 mg/L和低于0.4 mg/L时系统可以精确解码；Ni(Ⅱ)在1.0～1.3 mg/L浓度范围内解码结果存在不确定性，浓度高于1.4 mg/L和低于0.9 mg/L时系统可以精确解码。

表2 阈值边界浓度值对应的解码结果

2.4 实际水样中重金属离子的检测

为了验证该检测系统的可靠性，我们对自来水中重金属离子Cr(Ⅵ)和Ni(Ⅱ)的含量进行了检测。利用自来水配制Cr(Ⅵ)浓度分别为0、0.2、0.5、0.7、1、1.5 mg/L的溶液，用上述方法检测后的结果如图4(A)所示；利用自来水配制Ni(Ⅱ)浓度分别为0、0.2、1.0、1.2、2、3 mg/L的溶液，检测后的结果如图4(B)所示。实验数据表明，自来水水样中重金属离子的检测结果与预期结果一致，证实了该检测系统的实用性以及可靠性。

图4 自来水中重金属离子Cr(Ⅵ)(A)和Ni(Ⅱ)(B)的检测结果Fig.4 Detection results of heavy metal ions Cr(Ⅵ)(A) and Ni(Ⅱ)(B) in tap water

3 结论

本文提出了将3D打印技术、二维码技术以及智能手机技术相结合用于检测领域的新方法。利用3D打印的方形单元和透明通道共同拼接生物二维码，将重金属离子显色反应与二维码的解码过程相结合，利用智能手机APP实现了水溶液中重金属离子Cr(Ⅵ)和Ni(Ⅱ)的快速筛查。该检测系统克服了传统大型仪器检测过程中存在的检测周期长、检测成本高、操作复杂的弊端，这使得该检测系统的应用范围也更加广泛。该检测技术作为一项平台技术必将会在食品安全、疾病检测等领域展现出更广阔的潜力。