秦永樂(lè)，張校亮，譚 慷，李曉春

(新型傳感器與智能控制教育部與山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原理工大學(xué)物理與光電工程學(xué)院，山西太原 030024)

0 引言

光譜分析法是檢測(cè)物質(zhì)成分及其含量的常用方法之一，廣泛應(yīng)用于生物、化學(xué)、醫(yī)學(xué)、環(huán)境等方面的檢測(cè)[1-3]。光譜儀是進(jìn)行光譜分析時(shí)所需的基本儀器，傳統(tǒng)光譜儀結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積大、價(jià)格昂貴。研究開(kāi)發(fā)小型、便攜式的光譜儀已經(jīng)成為光譜分析中重要的發(fā)展方向[1,4]。

近年來(lái)，隨著智能手機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展及廣泛普及，基于智能手機(jī)的光譜分析技術(shù)引起了眾多研究人員的關(guān)注[5-6]。2013年，Gallegos等人通過(guò)外置白光光源、衍射光柵和智能手機(jī)開(kāi)發(fā)了光譜分析裝置，利用抗原抗體特異性結(jié)合引起光子晶體的禁帶偏移的原理，通過(guò)分析光子晶體的禁帶的移動(dòng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)豬免疫球蛋白的免標(biāo)記定量檢測(cè)[7]。2014年，Long等人以鹵素?zé)魹楣庠?，采用?zhǔn)直透鏡組和商用衍射光柵，結(jié)合智能手機(jī)攝像頭，搭建了可用于ELISA反應(yīng)的光譜分析裝置[8]。2016年，Wang等人以外置LED燈為光源，DVD光盤(pán)中具有周期溝槽結(jié)構(gòu)的聚碳酸酯層作為衍射光柵，搭建了基于智能手機(jī)光譜儀，通過(guò)對(duì)溶液吸收光譜的分析，實(shí)現(xiàn)了羅丹明溶液和神經(jīng)毒素對(duì)氧磷的定量檢測(cè)[9]。2017年，Ozdemir等人以手機(jī)自帶LED燈為光源，分別以PMMA塑料光纖和商用光柵為導(dǎo)光介質(zhì)和分光原件，結(jié)合智能手機(jī)實(shí)現(xiàn)了廢水中染料污染物的定量檢測(cè)[10]。2018年，Zhang等人開(kāi)發(fā)了基于光柵耦合的表面等離子體共振智能手機(jī)生物傳感器，選擇基于CD光盤(pán)結(jié)構(gòu)用紫外固化壓印法來(lái)制得檢測(cè)基底，最后實(shí)現(xiàn)了對(duì)脂多糖的定量檢測(cè)[11]。由于智能手機(jī)自身有LED光源，設(shè)計(jì)相應(yīng)的折返光路，可以將其用作光譜儀的寬帶光源。DVD光盤(pán)中的具有周期凹槽結(jié)構(gòu)的聚碳酸酯層可以用作光譜儀的衍射光柵。因此，以手機(jī)內(nèi)置LED燈為光源，用DVD光盤(pán)中的聚碳酸酯層作為衍射光柵所開(kāi)發(fā)的智能手機(jī)光譜分析檢測(cè)裝置具有設(shè)計(jì)簡(jiǎn)易、操作簡(jiǎn)單、成本低等優(yōu)點(diǎn)。

六價(jià)鉻是水中重金屬污染物之一，易被人體吸收和蓄積并具有致癌作用。其污染源主要來(lái)自于含鉻礦石的加工、金屬表面處理、皮革鞣制、印染等行業(yè)[12]。隨著近幾年工業(yè)污染加重，對(duì)于水中重金屬六價(jià)鉻離子含量的檢測(cè)也變得更加重要。國(guó)家嚴(yán)格規(guī)定生活飲用水中六價(jià)鉻的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)為0.05 mg/L[13]，因此，對(duì)水中的六價(jià)鉻含量進(jìn)行快速定量檢測(cè)具有重要意義。目前，對(duì)于水中鉻的測(cè)定方法主要有基于二苯碳酰二肼顯色劑的分光光度法、原子吸收分光光度法、等離子發(fā)射光譜法、陽(yáng)極溶出伏安法和硫酸亞鐵銨滴定法等[14-16]。其中，基于顯色的分光光度法操作簡(jiǎn)單，被廣泛應(yīng)用[17-18]。

本文以手機(jī)內(nèi)置LED燈為寬帶白光光源，利用DVD光盤(pán)中具有周期溝槽結(jié)構(gòu)的聚碳酸酯層作為衍射光柵進(jìn)行分光，搭建了一套基于智能手機(jī)的吸收光譜分析裝置，以二苯碳酰二肼為顯色劑，結(jié)合顯色反應(yīng)與分光光度法實(shí)現(xiàn)了對(duì)水中六價(jià)鉻離子的定量檢測(cè)，其檢測(cè)限為0.02 mg/L。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

智能手機(jī)(暢享7 Plus TRT-AL00A)，雙膠合消色差透鏡，紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)(UV-3100)，SK-1快速混均器，Pipet-Lite XLS手動(dòng)單通道移液槍?zhuān)兯畠x，DVD-R光盤(pán)(4.5 GB)，窄帶濾光片及其他光學(xué)元件及支架，10 mm石英比色皿，實(shí)驗(yàn)用的紅色墨水為噴墨打印機(jī)(R270系列)原供墨水，鉻酸鉀標(biāo)準(zhǔn)液和乙醇，顯色劑二苯碳酰二肼、硫酸、磷酸和丙酮。

1.2 樣品的配置

配置不同濃度的紅色墨水樣品，分別取10、20、30、40、50 μL的原供紅墨水，加超純水至10 mL，得到稀釋后墨水的體積分?jǐn)?shù)分別為0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%。

將標(biāo)準(zhǔn)鉻離子溶液用超純水依次稀釋為500、20、1 mg/L；進(jìn)一步分別取1、2、4、6、8 mL的質(zhì)量濃度為1 mg/L溶液，均加水至10 mL配得濃度梯度為0.1、0.2、0.4、0.6、0.8 mg/L的標(biāo)準(zhǔn)鉻離子溶液；同理，分別取2、4、5、 6、8 mL質(zhì)量濃度為0.1 mg/L的溶液，加超純水至10 mL，配得濃度梯度為0.02、0.04、0.05、0.06、0.08 mg/L的鉻離子標(biāo)準(zhǔn)液。

鉻離子顯色反應(yīng)：先取不同濃度的鉻離子標(biāo)準(zhǔn)溶液各1 000 μL，加入1∶1的硫酸和磷酸溶液各20 μL，然后再加入50 μL顯色劑(顯色劑由0.2 g二苯碳酰二肼溶入10 μL丙酮和10 μL乙醇制得)?；靹蚝笫蛊渚鶆蝻@色約10 min。

1.3 實(shí)驗(yàn)裝置及原理

所設(shè)計(jì)的智能手機(jī)光譜儀光路結(jié)構(gòu)如圖1所示，以手機(jī)內(nèi)置LED燈為白光光源，光經(jīng)過(guò)一個(gè)孔徑光闌進(jìn)入一個(gè)100 μm的針孔中，然后通過(guò)消色差透鏡，準(zhǔn)直為平行光，依次通過(guò)比色皿、反射鏡1、光學(xué)衰減片、反射鏡2、柱透鏡，最后通過(guò)自制的DVD衍射光柵后進(jìn)入手機(jī)攝像頭中。窄帶濾光片用于實(shí)驗(yàn)前的波長(zhǎng)校準(zhǔn)。利用CMOS感光傳感器在智能手機(jī)上捕獲到相應(yīng)的光譜圖，然后利用Image J軟件，將光譜圖像轉(zhuǎn)化為灰度值，用灰度值代替光強(qiáng)值，扣除純水背景后得到對(duì)應(yīng)樣品吸收光譜強(qiáng)度曲線。最后，基于朗伯比爾定律，在濃度與吸光度之間建立定量檢測(cè)的標(biāo)準(zhǔn)曲線。

圖1 智能手機(jī)光譜儀裝置示意圖

2 結(jié)果與討論

2.1 基于DVD光柵的制備

將DVD-R光盤(pán)剪切一塊40 cm×40 cm的光盤(pán)盤(pán)片，從中間機(jī)械剝離成2片，將其中帶有藍(lán)色染料的聚碳酸酯盤(pán)片放入乙醇溶液中，然后超聲處理15 min以除去染料層，用乙醇和超純水清洗后吹干后，用作文中智能手機(jī)光譜儀裝置的衍射光柵。圖2為DVD光柵的原子力顯微鏡下的周期結(jié)構(gòu)表征圖以及凹槽結(jié)構(gòu)的截面圖，該光柵周期約740 nm(1 351 mm-1)與常見(jiàn)的商用光柵(周期1 200 mm-1)相當(dāng)。

(a)衍射光柵的AFM結(jié)構(gòu)表征

(b)橫截面圖圖2 衍射光柵的AFM表征及橫截面圖

2.2 光譜圖的像素位置與波長(zhǎng)關(guān)系的校準(zhǔn)

在開(kāi)始測(cè)量樣品溶液實(shí)驗(yàn)前，通過(guò)3種不同波長(zhǎng)的窄帶濾光片(中心波長(zhǎng)分別為630、535、430 nm)，獲得相應(yīng)的光譜圖像如圖3(a)所示，圖3(b)為校準(zhǔn)前濾光片的像素位置與透光率的關(guān)系圖。

(a)用于儀器校準(zhǔn)的3種濾光片的光譜圖像

(b)3種濾光片的透射譜圖3 用于儀器校準(zhǔn)的3種濾光片的光譜

通過(guò)建立像素-波長(zhǎng)關(guān)系將從智能手機(jī)相機(jī)讀取的光譜圖像的像素位置轉(zhuǎn)換為波長(zhǎng)。轉(zhuǎn)換為波長(zhǎng)后，該智能手機(jī)光譜儀裝置的波長(zhǎng)分辨率為0.22 nm/像素。在這里，可以通過(guò)使用具有更小像素尺寸和更大像素?cái)?shù)量的智能手機(jī)，來(lái)進(jìn)一步提高儀器分辨率，同時(shí)，該分辨率也與光柵周期有關(guān)，周期越小，其分辨率越高。

2.3 紅墨水的檢測(cè)

為了評(píng)估和驗(yàn)證該光譜分析裝置的性能，首先以紅墨水作為實(shí)驗(yàn)樣品。圖4為智能手機(jī)光譜儀裝置對(duì)空白及不同濃度紅墨水溶液采集到的光譜圖像。從圖4可以看出，隨著墨水濃度增加，其光譜圖像中間綠光成分的吸收增強(qiáng)，即在某特定波長(zhǎng)范圍內(nèi)溶液的吸光度在逐漸增強(qiáng)。

圖4 不同濃度紅墨水的實(shí)驗(yàn)光譜圖片

用Image J軟件對(duì)光譜圖像分析后，用SigmaPlot得到如圖5(a)所示的吸收光譜。圖5(b)為相同樣品溶液用紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì)的吸收光譜，可以看出，二者所得樣品吸收光譜具有良好的一致性，說(shuō)明通過(guò)該手機(jī)光譜儀裝置可以得到比較準(zhǔn)確的樣品吸收光譜。

2.4 鉻離子的檢測(cè)

在酸性條件下，六價(jià)鉻可與二苯碳酰二肼反應(yīng)，生成紫紅色絡(luò)合物，其最大吸收波長(zhǎng)為540 nm[12]。圖6(a)為用本文裝置采集到的光譜圖像經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理后得到的吸收光譜圖，圖中展示的是部分濃度樣品的數(shù)據(jù)。從圖中可以看出，其最大吸收峰在約540 nm處，隨著鉻離子濃度的增大，吸光度逐漸增大。如圖6(b)所示，吸光度與鉻離子濃度之間具有良好的線性關(guān)系，擬合得到的線性方程為y=0.963 0x+0.000 6，其中R2=0.996 7，檢測(cè)限為0.02 mg/L。

(a)智能手機(jī)光譜儀測(cè)得的紅墨水樣品的吸收光譜

(b)分光光度計(jì)測(cè)得的紅墨水樣品的吸收光譜圖5 智能手機(jī)光譜儀和分光光度計(jì)測(cè)得的紅墨水樣品的吸收光譜對(duì)比

2.5 自來(lái)水中六價(jià)鉻的檢測(cè)

以自來(lái)水為溶劑，分別配制了5份添加了鉻離子的自來(lái)水水樣作為待測(cè)樣品，其中鉻離子濃度分別為0、0.05、0.1、0.15、0.2 mg/L，編號(hào)依次為1、2、3、4、5。分別采用智能手機(jī)光譜儀裝置和紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì)對(duì)樣品進(jìn)行定量檢測(cè)。如圖7所示，鉻離子的檢測(cè)量與水中加標(biāo)的濃度有明顯的正比關(guān)系，從圖7可見(jiàn)，該裝置的檢測(cè)結(jié)果與紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)的結(jié)果基本一致。

3 結(jié)論

(a)不同濃度鉻離子的顯色產(chǎn)物的吸收光譜

(b)鉻離子濃度與吸光度的關(guān)系圖6 不同濃度鉻離子的顯色產(chǎn)物的吸收光譜及鉻離子濃度-吸光度關(guān)系

本文開(kāi)發(fā)了一套基于智能手機(jī)和DVD光盤(pán)光柵的光譜儀裝置，選擇3種不同波長(zhǎng)窄帶濾光片來(lái)進(jìn)行波長(zhǎng)校準(zhǔn)。利用該裝置，結(jié)合顯色反應(yīng)和分光光度法，實(shí)現(xiàn)了水中重金屬六價(jià)鉻離子的定量檢測(cè)。其檢測(cè)限為0.02 mg/L，滿足國(guó)標(biāo)對(duì)飲用水中六價(jià)鉻的水質(zhì)檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)0.05 mg/L的要求。本方法及裝置具有靈敏度高、成本低、易推廣等優(yōu)點(diǎn)，可用于生物、化學(xué)、醫(yī)學(xué)、環(huán)境檢測(cè)等領(lǐng)域。

圖7 智能手機(jī)光譜儀與紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)檢測(cè)結(jié)果對(duì)比圖