[发明专利]一种基于Android的便携式重金属离子检测仪器及方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于Android的便携式重金属离子检测仪器及方法，更确切说本发明涉及一种可用于一般的如江河水、饮用水、自来水等水体中常见重金属离子，包括铜、镉、铅、汞等定性与定量的快速检测的方法及相应的仪器，属于水体中重金属检测领域。

背景技术

重金属是指原子密度大于5g/cm³的金属元素，大约有45种，如铜、铅、锌、镉、锰、铁、钴、镍、钒、汞、金、银等。尽管锰、铜、锌等部分重金属是生命活动所需要的微量元素，但是大部分重金属如铅、镉、镍等并非生命活动所必须，而且一旦进入人体会造成严重伤害，即使铜、锌等人体必需的元素，也只是微量级别，当超过一定量时也会对人体产生影响，因此，重金属离子浓度一直是环境监测领域的一个重要指标，能够精确实时地检测重金属离子的浓度具有重要的意义，同时也是各种重金属检测方法的最终目标。

目前检测重金属的方法主要有以下几种：原子荧光光度法(AFS)、电感耦合等离子体质谱分析技术(ICP-MS)、电化学分析法、电感耦合等离子体原子发射光谱(ICP-AES)、高效液相色谱法(HPLC)、酶抑制法、免疫分析法、生物传感器等。其中电化学分析方法的测量信号是电导、电位、电流、电量等电信号，不需要分析信号的转换就能直接记录，所以电化学分析的仪器装置可以做到简单小型化，易于实现自动化和连续分析，是一种公认的快速、灵敏、准确的痕量分析方法，这也是本方案采用电化学分析法的理论依据。

电化学分析方法的基本原理是在待测溶液中插入特制的电极，并在电极上施加特定的电压波形，促使溶液中发生电化学反应，电极上将流过与溶液中物质组分相关的法拉第电流，采集并分析电流值即可获得物质组分的构成信息。影响电化学分析方法检出限的关键包括电压波形的类型与检测电极的特性。在电压波形的选择上，目前被广泛采用的是差分脉冲溶出伏安法(Stripping Voltammetry，SV)，所述的方法实际上包括两个过程：沉积富集和电解溶出。其检测重金属的原理如下：首先在一定电位下将被检测离子沉积在工作电极上，然后施加阶梯脉冲反向扫描电压，使已沉积的物质电解溶出，记录溶出过程中的阶梯阶段与脉冲阶段电流的差值，绘制成伏安曲线，即得到溶出伏安曲线，曲线中峰电流的大小在一定条件下与被测离子的浓度成正比，峰电位与被测离子的性质有关。

Android是一种基于Linux的自由及开放源代码的操作系统，由Google公司领导开发，主要使用于移动设备，包括智能手机和平板电脑，在上市后的短短几年内发展迅速，目前已占据了智能手持设备大部分的市场份额。截至2013年9月，全世界采用该系统的设备已超过10亿台，其智能手机的市场份额将近80％。Android系统的普及也推动了设备硬件的快速发展，数据处理能力因此十分强大，许多中高端机型的性能已经能胜任数年前PC机的工作，消费市场领域已经出现了性能过剩的现象。

然而，目前市面上已有的电化学仪器仍存在着体积较大，不便移动，需要PC机运行控制软件等问题，无法实现真正的便携性，且大多面向有专业背景的用户，尚未与普通消费市场接轨。因此，本发明提供检测方法和所使用的仪器创新性地将专业的电化学检测设备与广泛普及的Android智能设备相结合，有效地实现了仪器的便携化，并极大地减少了整个系统的成本。

本发明提供的仪器和方法拟利用Android设备作为数据处理平台不仅可以极大地降低系统成本，而且可以充分利用Android强大的处理性能，并有助于实现推广应用，从而构筑成本发明的构思。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于Android的便携式重金属离子检测仪器及方法。本仪器主要内容包括两个方面：开发集成电化学分析功能的检测前端设备；实现数据处理与前端控制的Android应用程序的开发。检测前端的开发除电路的设计外，还需根据检测的目标物设计并制作检测电极，以达到更低的检出极限。应用程序的开发是在实现基本数据处理的基础上也尽可能实现了人性化操作。整个检测系统的简单工作原理如图2所示，三个起传感作用的电极连接到检测前端设备上，并浸入待测溶液中；检测前端设备负责驱动电极工作并采集数据，然后通过无线方式与Android智能设备建立连接；Android设备面向用户，接受用户操作进而控制检测前端设备工作，并接收数据，绘制显示出曲线反馈给用户，并且还提供数据的保存管理等功能。