[发明专利]便携式重金属离子快速检测装置

说明书

技术领域

本发明涉及环境监测与电子传感技术交叉学科领域，具体为一种便携式重金属离子快速检测装置。

背景技术

随着工业、农业、交通运输业的快速发展，人类对重金属开采、冶炼、加工及商业制造活动日益增多，使得重金属离子，如铅、汞、镉、铬进入水、土壤等人类赖以生存的环境，严重危害了人类及各类生物的生存。重金属离子的分布广泛性及不可降解性，使其人体吸收后易在体内蓄积，即使浓度在10^-6量级，对人体的危害也十分明显。目前，重金属中毒是发展中国家的重要公共健康问题之一，尤其对儿童，重金属中毒会影响他们的一生。近年来，我国重金属中毒事件频频发生，这为我们敲响了警钟。所以痕量重金属离子的速测技术是环境监测、食品和生物医学工程检测相关领域的重要研究方向，对环境监测、食品安全及可持续发展具有深远的意义。

目前常用的重金属离子检测技术有原子吸收光谱法、电化学阳极溶出法、电感耦合等离子体发射光谱法、电感耦合等离子体质谱法等，这些方法虽然检测精度和稳定性都较好，但是存在依赖于大型仪器设备、样品处理复杂且时间长等问题，无法满足现场快速检测的需求。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术中存在的不足，提供一种便携式重金属离子快速检测装置，是一种基于磁弹性传感器的重金属离子检测方案。

本发明是通过如下技术方案实现的：

一种便携式重金属离子快速检测装置，包括磁弹性检测试纸、微控制器和线圈支架；微控制器连接有数字信号发生器、第一有效值-直流转换器、第二有效值-直流转换器、电源电路、直流偏置电路、按键、蓝牙模块和液晶屏幕；磁弹性检测试纸包括一个长条状的绝缘材料薄片（绝缘材料薄片作为支架，用于固定检测芯片和参考芯片，以及提供提拿磁弹性检测试纸的空间），绝缘材料薄片上沿其长度方向开设有两个安置通孔，其中一个安置通孔内固定有检测芯片、另一个安置通孔内固定有参考芯片，检测芯片和参考芯片的尺寸及质量大小完全相同（检测芯片和参考芯片的尺寸大小完全相同，因此二者的初始共振频率相同），检测芯片由表面修饰可吸附重金属离子敏感层的磁致伸缩材料制作而成，参考芯片由表面修饰不可吸附重金属离子敏感层的磁致伸缩材料制作而成（具体的修饰方法根据不同的敏感层各不相同，这是本领域技术人员所熟悉的，并且能够实现的）；线圈支架包括前支架和后支架，磁弹性检测试纸夹置于前支架和后支架之间，线圈支架整体外部的两端分别缠绕有一组直流偏置线圈，两组直流偏置线圈之间缠绕有两组交流激励线圈且磁弹性检测试纸上的检测芯片和参考芯片分别位于两组交流激励线圈覆盖范围内，同时两组交流激励线圈也位于两组直流偏置线圈覆盖范围内；两组直流偏置线圈的一端分别都与直流偏置电路连接、另一端分别都与地连接，其中一组交流激励线圈的一端同时与数字信号发生器的输出端以及第一有效值-直流转换器的输入端连接、另一端与地连接，其中另一组交流激励线圈的一端同时与数字信号发生器的另一输出端以及第二有效值-直流转换器的输入端连接、另一端与地连接，第一有效值-直流转换器和第二有效值-直流转换器的输出端分别与微控制器的两路A/D转换端口连接。

本发明的原理在于：磁弹性检测试纸上的检测芯片和参考芯片主要由磁致伸缩材料构成，这种磁致伸缩材料在交流磁场的作用下能伸缩振动。当交流磁场的频率与磁致伸缩材料的共振频率相同时，磁致伸缩材料发生共振。磁致伸缩材料的表面可以被敏感层所修饰制成检测芯片，能够特异性吸附重金属离子。当重金属离子被吸附于磁致伸缩材料表面上，磁致伸缩材料的自身负荷发生改变，其共振频率发生偏移。根据下述公式：