一种湿地土壤的原位同步监测方法技术

一种湿地土壤的原位同步监测方法，将监测装置插入湿地土壤中，所述装置包括一侧设置透明窗镜的不透光外壳，窗镜外侧安装荧光传感膜；还包括光学传导单元、CMOS图像传感器、二维平移导轨及数据采集模块；所述的光学传导单元依次包括平面反射镜、LED光源、光学透镜组和电动旋转滤光片；所述光学传导单元与CMOS整体设置在二维平移导轨上；开启LED光源，激发光经反射后照射荧光传感膜产生的荧光，再经反射、汇聚和滤光后，在CMOS上获得局部荧光图像；操作装置对荧光传感膜进行扫描，局部图像合成和拼接后得到整体荧光图像；根据荧光传感膜的响应曲线进行数据处理得到监测结果。所述的方法可原位同步监测湿地土壤中多种参数。

A synchronous monitoring method of wetland soil in situ

An in-situ monitoring method of wetland soil is inserted into the wetland soil. The device includes an opaque outer shell with a transparent window mirror on one side, a fluorescent sensing film on the outside of the window mirror, and an optical transmission unit, a CMOS image sensor, a two-dimensional translation guide rail and a data acquisition module. The guide unit consists of a plane reflector, a LED light source, an optical lens group and an electric rotating filter. The optical conduction unit and the CMOS are set on a two-dimensional translation guide, and the LED light source is opened to excite the fluorescence generated by the reflection of the fluorescent sensing film after reflection, and then a part of the CMOS is obtained on CMOS after reflection, converging and filtering. The fluorescent sensing film is scanned by the operating device, and the whole fluorescence image is obtained after the local image is synthesized and spliced, and the monitoring results are obtained according to the response curve of the fluorescent sensing film. The method can synchronously monitor various parameters in wetland soil in situ.

【技术实现步骤摘要】
一种湿地土壤的原位同步监测方法
本专利技术涉及环境监测
，具体涉及一种同步监测水体、沉积物或湿地土壤等基质中多种重要地球化学参数信息的检测方法。
技术介绍
随着水环境和水生态问题(水体黑臭、蓝藻水华、近海绿潮和赤潮等)的频繁发生，严重影响人类生活环境和威胁人类身体健康。实现湿地土壤中水体和沉积物现场监测，可以准确掌握沉积物中污染物的种类和浓度、污染范围和程度、污染源和转移路径等基本信息，为沉积物污染风险评价与预测提供基础数据支持。开展沉积物原位监测是水环境监测急需拓展的领域。然而，对湿地土壤环境质量的现场监测一直存在极大的技术障碍，是水环境监测的难点和盲区。现有的方法及设备仅有少数可以满足室内模拟研究的需要，达不到现场规模化应用的要求。对湿地土壤中沉积物的现场监测成为水环境监测领域亟待突破的技术壁垒。目前应用于沉积物检测的设备已有发展，但针对沉积物化学指标检测的方法十分有限。目前有代表性的沉积物检测设备主要有Itrax岩心扫描分析仪、Unisense水-沉积物界面分析仪和Fibox系列氧测量仪。鉴于沉积物高度空间异质性和异位获取方法对沉积物检测信息的破坏性，实现对沉积物二维同步检测是沉积物检测技术发展的趋势。Fibox系列氧测量仪可以测定溶解氧等化学指标，但单点位检测方式不能反映沉积物高度空间异质性的特点。Unisense微电极系统能获取单一化学指标的一维高分辨信息，测定的参数数量有限，同时微电极极易损坏，不利于现场的检测。Itrax岩心扫描分析仪体积庞大，难以运用到自然环境的检测现场，而且无法获取溶解氧、pH、有效磷、有效铁分布变化等多种重要沉积物环境参数。平面光极技术的出现为沉积物的现场监测提供了一个新的方法。平面光极技术(PlanarOptrode，PO)主要通过PO传感膜，在激发光源照射下PO传感膜上的荧光染料产生光致发光，荧光染料与待测物质接触后光学性质会发生改变，利用相机或其他感光元件捕获传感膜与待测物质接触前后的光学图片，根据光学性质的改变来量化待测物质的含量和二维空间分布信息。平面光极技术将传感膜和成像系统集成后，可将整个平面光极系统安装到现场进行原位监测。当前平面光极技术主要应用于海洋沉积物、土壤学、植物营养学和环境科学领域，已经实现对DO、pH、pCO2、NH4+、SO2，Fe2+的检测。但过大的体积制约了平面光极技术的现场应用，且难以实现多参数的同步监测。
技术实现思路
针对湿地土壤环境质量的现场监测面临的难点，本专利技术旨在提供一种湿地土壤中水和沉积物的原位同步监测方法，基于平面光极技术(PO)实现水和沉积物多参数的同步原位监测，将荧光检测系统与荧光传感膜进行系统集成，通过建立旋转靶轮滤波与导轨扫描成像，实现大视场二维荧光信息的“探头式”获取，可以同步获取基质中多参数信息，或它们的二维空间的实时动态分布信息，具有监测便捷方便、响应时间短、空间分辨率高(毫米-亚毫米)等优点。为实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种湿地土壤的原位同步监测方法，其特征在于，将包含荧光传感膜的监测装置插入湿地土壤中，所述的装置包括不透光的外壳，所述的外壳一侧设置透明的窗镜，窗镜外侧安装荧光传感膜；所述装置还包括光学传导单元、CMOS图像传感器、二维平移导轨及数据采集模块；所述的光学传导单元在荧光传感膜至CMOS图像传感器的光路上，依次包括平面反射镜、LED光源、光学透镜组和电动旋转滤光片，LED光源发出的激发光经平面反射镜反射后照射荧光传感膜，荧光传感膜产生的荧光再经平面反射镜反射后通过光学透镜组汇聚和电动旋转滤光片滤光后，在CMOS图像传感器上成像；所述光学传导单元与CMOS图像传感器组成一个联动整体设置在二维平移导轨上；所述数据采集模块与CMOS图像传感器连接；所述装置插入沉积物中，固定在窗镜的荧光传感膜与待测沉积物基质接触至平衡后，开启LED光源发射激发光，LED光源发出的激发光经平面反射镜反射后均匀照射荧光传感膜，荧光传感膜激发产生特定波长的荧光，再经平面反射镜反射后通过光学透镜组汇聚和电动旋转滤光片滤光后，在CMOS图像传感器上成像和信号转换，经数据采集模块采集并处理后获得荧光传感膜的局部荧光图像；操作装置使光学传导单元与CMOS图像传感器组成的联动整体在二维平移导轨上沿X和Y轴在二维平面内移动，对荧光传感膜进行扫描，直至得到的局部荧光图像覆盖全部的荧光传感膜；将得到的局部荧光图像进行合成和拼接后，得到荧光传感膜与待测基质接触后在特定波长激发光照射下形成的整体荧光图像；根据荧光传感膜对待测参数的响应曲线进行数据处理得到监测结果。所述的方法可应用于现有技术中已知的各种平面光极技术测量参数的测定，包括溶解氧(DO)、pH、pCO2、NH4+、SO2，Fe2+等参数的监测。所述的荧光传感膜包括现有技术中已知的各种PO传感膜，例如，检测pH的PO传感膜可采用基于改性修饰的8-羟基芘-1,3,6-三磺酸三钠盐(HPTS-TOA)荧光染料，该传感膜对pH变化响应时间快，信号分布均匀，可以对pH5.5-8.5范围碱性进行准确监测；检测溶解氧的PO传感膜采用双荧光团，即八乙基卟啉铂(PtOEP)荧光染料和参比染料MFY，对0-100％饱和氧浓度水平范围内的DO值进行准确检测。所述的方法能够原位监测水体、沉积物或湿地土壤等基质中多种重要地球化学参数，特别是它们的二维分布信息；而且，所述的方法中，可以同时采用两种以上不同参数的PO传感膜，对沉积物基质进行多参数的原位同步监测。优选地，所述的PO传感膜的响应时间<20min。进一步地，所述LED光源包括若干波长相同的LED灯，采用环状布光方式，即采用环形LED模组，LED灯分布在光学传导单元中光路的外环，且呈均匀环形分布，使得照射到荧光传感膜(PO膜层)上的激发光非相干叠加获取高均匀度的激发光，形成稳定的均匀辐照光场，降低因激发光不均匀导致的测量偏差。优选地，所述装置中，平面反射镜与荧光传感膜所在平面呈45度角。优选地，所述的光学透镜组还包括焦距调节装置。进一步地，所述光学透镜组采用玻璃透镜，包括三片下置的光学透镜和三片上置的光学透镜，光学透镜组的主光轴与平面反射镜呈45度角，与荧光传感膜所在平面平行。电动旋转滤光片位于上置和下置的光学透镜之间。所述电动旋转滤光片是安装在电动旋转盘上的若干滤光片，电动旋转滤光片与光学透镜平行。电动旋转盘上安装有不同透光特性的滤光片，如450nm高通长波滤光片、560nm高通长波滤光片等。根据检测目标参数的不同，通过电动旋转盘自动切换光学路径上的相应滤光片，实现旋转靶轮滤波。所述CMOS图像传感器处于光学路径末端，位于光学透镜组的焦平面上，接受光学传导单元的荧光并在CMOS图像传感器上成像和信号转换。CMOS图像传感器与光学传导单元为一个联动整体，将CMOS图像传感器与光学传导单元固定连接在二维平移导轨上，使得CMOS图像传感器和光学传导单元同时在二维平面范围移动，构建高精度二维导轨扫描系统。本专利技术所述的方法结合旋转靶轮滤波与高精度二维导轨扫描系统，将光学成像系统、CMOS图像传感器、反射镜以及LED光源固定于同一平移台上，对成像面(PO膜)进行垂直、横向扫描，通过拼接扫描像获取全视场荧光猝灭信息，从而实现本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种湿地土壤的原位同步监测方法，其特征在于，将包含荧光传感膜的监测装置插入湿地土壤中，所述的装置包括不透光的外壳，所述的外壳一侧设置透明的窗镜，窗镜外侧安装荧光传感膜；所述装置还包括光学传导单元、CMOS图像传感器、二维平移导轨及数据采集模块；所述的光学传导单元在荧光传感膜至CMOS图像传感器的光路上，依次包括平面反射镜、LED光源、光学透镜组和电动旋转滤光片，LED光源发出的激发光经平面反射镜反射后照射荧光传感膜，荧光传感膜产生的荧光再经平面反射镜反射后通过光学透镜组汇聚和电动旋转滤光片滤光后，在CMOS图像传感器上成像；所述光学传导单元与CMOS图像传感器组成一个联动整体设置在二维平移导轨上；所述数据采集模块与CMOS图像传感器连接；所述装置插入沉积物中，固定在窗镜的荧光传感膜与待测沉积物基质接触至平衡后，开启LED光源发射激发光，LED光源发出的激发光经平面反射镜反射后均匀照射荧光传感膜，荧光传感膜激发产生特定波长的荧光，再经平面反射镜反射后通过光学透镜组汇聚和电动旋转滤光片滤光后，在CMOS图像传感器上成像和信号转换，经数据采集模块采集并处理后获得荧光传感膜的局部荧光图像；操作装置使光学传导单元与CMOS图像传感器组成的联动整体在二维平移导轨上沿X和Y轴在二维平面内移动，对荧光传感膜进行扫描，直至得到的局部荧光图像覆盖全部的荧光传感膜；将得到的局部荧光图像进行合成和拼接后，得到荧光传感膜与待测基质接触后在特定波长激发光照射下形成的整体荧光图像；根据荧光传感膜对待测参数的响应曲线进行数据处理得到监测结果。...

【技术特征摘要】
1.一种湿地土壤的原位同步监测方法，其特征在于，将包含荧光传感膜的监测装置插入湿地土壤中，所述的装置包括不透光的外壳，所述的外壳一侧设置透明的窗镜，窗镜外侧安装荧光传感膜；所述装置还包括光学传导单元、CMOS图像传感器、二维平移导轨及数据采集模块；所述的光学传导单元在荧光传感膜至CMOS图像传感器的光路上，依次包括平面反射镜、LED光源、光学透镜组和电动旋转滤光片，LED光源发出的激发光经平面反射镜反射后照射荧光传感膜，荧光传感膜产生的荧光再经平面反射镜反射后通过光学透镜组汇聚和电动旋转滤光片滤光后，在CMOS图像传感器上成像；所述光学传导单元与CMOS图像传感器组成一个联动整体设置在二维平移导轨上；所述数据采集模块与CMOS图像传感器连接；所述装置插入沉积物中，固定在窗镜的荧光传感膜与待测沉积物基质接触至平衡后，开启LED光源发射激发光，LED光源发出的激发光经平面反射镜反射后均匀照射荧光传感膜，荧光传感膜激发产生特定波长的荧光，再经平面反射镜反射后通过光学透镜组汇聚和电动旋转滤光片滤光后，在CMOS图像传感器上成像和信号转换，经数据采集模块采集并处理后获得荧光传感膜的局部荧光图像；操作装置使光学传导单元与CMOS图像传感器组成的联动整体在二维平移导轨上沿X和Y轴在二维平面内移动，对荧光传感膜进行扫描，直至得到的局部荧光图像覆盖全部的荧光传感膜；将得到的局部荧光图像进行合成和拼接后，得到荧光传感膜与待测基质接触后在特定波长激发光照射下形成的整体荧光图像；根据荧光传感膜对待测参数的响应...

【专利技术属性】
技术研发人员：丁士明，李金鹏，金增峰，李利，
申请(专利权)人：南京智感环境科技有限公司，中科院南京天文仪器有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏,32