重金屬離子敏光纖舌信號(hào)處理仿真研究*

胡衛(wèi)軍， 李 明

(重慶工商大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與信息工程學(xué)院 重慶市檢測(cè)控制集成系統(tǒng)工程實(shí)驗(yàn)室，重慶 400067)

0 引 言

水中微量的重金屬即可產(chǎn)生毒性[1],因此，水環(huán)境中重金屬離子濃度的定性和定量檢測(cè)對(duì)人們的工作、生活與生態(tài)環(huán)境都具有十分重要的意義。目前重金屬離子光纖傳感方法主要有光吸收檢測(cè)，光反射檢測(cè)和熒光檢測(cè)等3種[2]，這3種方法都是基于固定在光導(dǎo)纖維探頭上的生物酶或者化學(xué)指示劑與溶液中金屬離子之間可逆的反應(yīng)，從而引起探頭表面光學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化進(jìn)行檢測(cè)的。譬如：劉云峰等人在長(zhǎng)周期光纖光柵上制備羧甲基纖維素(CMC)Cu2+敏感膜進(jìn)行Cu2+的檢測(cè)[3]，Zhang Jindong等人結(jié)合流動(dòng)注射分析方法和激光激發(fā)熒光光譜技術(shù)，融合進(jìn)光纖傳導(dǎo)和CCD攝像機(jī)等技術(shù)，對(duì)Cu2+，Cd2+，Zn2+及Ni2+等重金屬離子進(jìn)行檢測(cè)，其檢測(cè)限低于德國飲用水標(biāo)準(zhǔn)[4]，張信鳳等人利用Cr6+與二苯碳酰二肼在高氯酸介質(zhì)中的顯色反應(yīng)制備液芯光纖傳感器，其檢出限(3σ)為0.4 μg·L-1[5]。為了滿足工業(yè)污水中多種重金屬離子的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)需要，還要求科技工作人員進(jìn)行多種離子同時(shí)檢測(cè)傳感器和儀器的研制，這就涉及到重金屬離子敏傳感器陣列的研制和對(duì)傳感器陣列信號(hào)的模式識(shí)別，以獲得混合溶液中各種重金屬離子的組分信息和濃度信息，即需要進(jìn)行定性和定量分析。目前，關(guān)于采用光纖傳感器陣列進(jìn)行多種重金屬離子濃度檢測(cè)的論文鮮見發(fā)表。由此可采用光纖傳感器陣列—光纖舌來實(shí)現(xiàn)多種重金屬離子濃度的檢測(cè)很有意義，同時(shí)也具有探索的空間。

1 光纖舌結(jié)構(gòu)

重金屬離子敏光纖舌結(jié)構(gòu)如圖1所示，A，B，C 3種重金屬離子與敏感物反應(yīng)后的光信號(hào)分別通過透鏡L1，L2，L3采集經(jīng)過會(huì)聚透鏡L進(jìn)入光纖，由光譜儀得到3種離子的光譜信號(hào)。

圖1 光纖舌結(jié)構(gòu)

由于光譜信號(hào)的特征一般可以用高斯曲線予以描述[6]。在此采用高斯擬合光譜曲線是假設(shè)原始光譜是由若干個(gè)單峰譜帶相互疊加形成的，以高斯函數(shù)系作為光譜曲線的基本函數(shù)形式，其中每一個(gè)高斯函數(shù)均由3個(gè)參數(shù)決定,峰高a、峰位b和峰寬c。整個(gè)高斯函數(shù)系為

(1)

由于本文中只涉及3種離子，故n=3。取A,B和C離子的歸一化峰高a1，a2和a3分別為0.95，0.90和0.85，峰位b1，b2和b3分別為400，500,600 nm，峰寬c1，c2和c3分別為80，100,80 nm，得到高斯函數(shù)系如圖2所示。實(shí)際的信號(hào)應(yīng)該是3條曲線的疊加，如圖3中疊加光譜所示，疊加后可以得到在峰位上的峰高分別為1.005 5，0.923 3和0.905 6，與未疊加前的單獨(dú)每個(gè)峰位的峰高值相差比較大，對(duì)于光纖舌同時(shí)測(cè)量多種離子的會(huì)產(chǎn)生比較大的誤差，因而，必須消除這些誤差。

圖2 高斯函數(shù)仿真光譜信號(hào)

圖3 疊加光譜信號(hào)

2 信號(hào)處理仿真

將獨(dú)立的光纖信號(hào)與疊加光譜信號(hào)放在同一圖中，如圖4所示。

圖4 疊加信號(hào)組成

由圖4可以比較清楚地了解疊加信號(hào)的組成?？梢园l(fā)現(xiàn)，對(duì)于峰位為500 nm的B離子光譜信號(hào)值fB(500)來說，A離子和C離子對(duì)疊加信號(hào)的影響與圖中疊加信號(hào)的A離子左側(cè)曲線關(guān)于λ=400 nm的對(duì)稱曲線在500 nm的光譜值fSAL(500)和C離子右側(cè)曲線關(guān)于λ=500 nm的對(duì)稱曲線在500 nm的光譜值fSCR(500)的有關(guān)。設(shè)疊加信號(hào)在500 nm峰位的光譜值為fO(500)。這種差值關(guān)系可以表示成

fB(500)=fO(500)-fSAL(500)-fSCR(500).

(2)

可以得到疊加信號(hào)500 nm所對(duì)應(yīng)的B離子的實(shí)際光譜值為0.897 3。然后以此光譜值作為500 nm峰位的峰高，再次利用式(1)得到B離子的高斯函數(shù)，將疊加信號(hào)在400 nm峰位和600 nm峰位減去B離子高斯函數(shù)在400 nm和600 nm的值，分別可以得到0.949 5和0.849 6。從而從疊加信號(hào)中獲得了3種離子的實(shí)際光譜值,相對(duì)誤差如表1所示。

表1 誤差表

從表中可以發(fā)現(xiàn)，這樣處理以后，極大地減小了相對(duì)誤差。

3 有噪聲信號(hào)處理仿真

在實(shí)際光譜信號(hào)中由于存在光噪聲信號(hào)，在式(1)中加入幅值為0.01的隨機(jī)噪聲信號(hào)，則仿真光譜信號(hào)如圖5所示，其疊加信號(hào)如圖6所示。為了減小測(cè)量誤差，經(jīng)過低通濾波處理得到疊加信號(hào)如圖7所示。經(jīng)過上述信號(hào)處理的過程，得到表2所示的誤差。

從表中可以知道，通過相關(guān)算法的處理，使得相對(duì)誤差減小，從而可以明顯地減小由于光譜重疊引起的多種離子間的干擾。

表2 誤差表(有噪聲)

圖5 仿真光譜信號(hào)(有噪聲)

圖6 疊加光譜信號(hào)(有噪聲)

圖7 疊加光譜信號(hào)(低通濾波)

4 結(jié) 論

通過高斯函數(shù)系對(duì)光纖舌陣列信號(hào)的仿真分析，得到一種對(duì)多通道光譜重疊信號(hào)分離的方法，采用Matlab對(duì)光纖舌可能檢測(cè)到的光譜重疊信號(hào)進(jìn)行處理，可以較好地分離出陣列中的離子信息。從仿真分析得到的誤差表可明顯看出:通過該算法的處理可以減小由于離子間干擾所引起的光譜重疊誤差,為實(shí)際光纖舌的制作和信號(hào)處理提供了良好的基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn):

[1] 王秀芬,王永恒.城市污水中的重金屬分析[J].水利天地，2002(9):40-41.

[2] María Espinosa Bosch1,Antonio Jesús Ruiz Sánchez.Recent development in optical fiber biosensors[J].Sensors,2007,7:797-859.

[3] 劉云峰,董颯英,姜 江.長(zhǎng)周期光纖光柵對(duì)銅離子的檢測(cè)研究[J].分析科學(xué)學(xué)報(bào),2006,22(3):258-261.

[4] 張敬東, Harald Prestel, Reinhard Niessner. 光纖重金屬離子傳感器的研制[J].傳感器技術(shù),2001, 20(6):10 -13.

[5] 張信鳳,辛娟娟,張力培,等.基于液芯光纖和CCD的分光光度法測(cè)定河水中的Cr(VI)[J].四川大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2006,43(3):710-712.

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