水污染动态实时监测的便携式电子舌分析仪

随着我国国民经济的迅速发展和人口的过快增长，全国面临着严峻的环境污染形势，特别是水污染严重。水污染物中的重金属离子可能对人体产生有害甚至致命的影响。

传统的检测手段存在耗时、分析步骤复杂等缺点。在有些情况下，需要及时了解环境污染情形，以迅速制定相应的处理对策。国际上已经出现了应用电化学方法在线检测海水中重金属离子的设备。为此，本文作者开发了用于水污染动态实时监测的便携式电子舌分析仪，该仪器具有体积小、造价低、专用性强、测量精度高、数据的自动分析和智能识别等特点，使水污染中重金属动态实时监测成为可能。

2 仪器整体结构概述

便携式电子舌分析仪是基于采样、分离和富集的基础上实现污水重金属自动分析的。污水样品经过无污染取样泵自动取样后，进入样品自动预处理与分配系统，该系统采用0.45μm孔径的膜对污水进行过滤，去除污水中的悬浮物杂质，然后采用高功率紫外光照射进行消解，被有机物络合的金属被释放出来，待测重金属离子以无机离子的形式存在，方便后面的检测。随后样品还要经过一定的预处理，即分离和富集。

如图1所示，仪器从总体上可以分为三个子系统：电化学测量子系统(使用差分脉冲溶出伏安法分别对Cu-Pb-Zn-Cd检测和As检测)、电极测量子系统(使用硫属玻璃电极对Hg检测)和Laps测量子系统(使用Laps传感器对Fe检测)。每个子系统都有独立的自动进样系统，采用不同的方法检测。

3 仪器硬件结构

仪器硬件设计分为数字和模拟两部分。数字部分主要负责仪器工作流程控制、数据采集和传输、控制外围附属设备(蠕动泵，电磁阀)、检测算法的软件实现；模拟部分包括恒电位计、一个独立的高输入阻抗多路高精度电压测量系统以及一个锁相检测电路，分别用于实现溶出伏安电极、硫属玻璃电极的测量和光寻址电位传感器(LAPS)的测量。模拟部分与数字部分仅通过并行总线和串行外围设备接口(SPI)总线互联。

最小系统由微处理器DS80C320和可编程单片机外同器件PSD845F2组成，通过并行总线与电化学(DPSV)测量前端组成多路电化学恒分析仪，通过串行外设接口(SPI)总线分别与电极(ISE)和LAPS测量的模拟前端相连组成多通道电压／电流测量系统。系统具有很好的扩展性。图2所示为最小系统的结构示意图。最小系统内除了运行监控程序，硬件接口程序，通讯程序终端外．还根据所连接的模拟前端运行相应的功能程序(DPSV测量算法、ISE测量算法和LAPS测量算法)。

4 仪器软件结构

软件系统主要包括运行控制和计算分析两大部分，见图3。其中运行控制包括参数设置、数据的通讯和生成结果报表三个模块；计算分析包括数据顶处理、智能分析等模块。

通讯模块向下位机发送各种命令的功能。控制模块依赖于通讯，组合各种单条命令形成时序，从而控制下位机。数据处理：完成接收数据的处理分析，是整个设计程序的核心部分。智能分析模块对得到的测量数据采用分位数法剔除大误差；利用FIR数字滤波；窗函数进行平滑滤波；采用切线识别法进行基线校正；利用标准曲线法和神经网络法进行自动识别，这样得到的数据更为精确可靠。

5 实验结果

如图4所示，实验结果显示电子舌系统响应特性较好。各离子的检测线性范围如下：Zn 120～1200 μg／L；Cd 9～90 μg／L；Pb 15～150 μg／L；Cu60～600 μg／L；Mn：300～3000 μg／L；Fe 300～3000μg／L；Hg 0.25～5 μg／L。

将本仪器得到的实验结果与原子吸收光谱测定结果进行对比，发现7种元素的相对误差均不超过10％。因此，本仪器对7种元素具有很好的定量检测能力。