一种可视化信号水质检测浮标及其检测方法

技术领域

本发明涉及水质检测领域，尤其涉及一种可视化信号水质检测浮标及其检测方法。

背景技术

随着工业的发展，水污染问题越来越严重，水体保护越来越受到国家的重视。污染水体中存在许多对人体有害的重金属离子，长期饮用严重危害健康。污染水体用于农业、养殖业更会造成巨大的损失，因此对水体水质进行检测，及早发现污染水体是十分必要的。目前大多数水质检测的常规程序是实地取样再送到实验室进行精密分析，运输和检测等环节耗时过长，无法杜绝不法分子的偷排现象，并且检测结果无法及时反馈。

碳量子是一种新型的碳基荧光材料，具有低毒性、原料丰富、成本低、良好的水溶性和生物相容性等优点，由于其对重金属离子或其他污染物有接触淬灭的特性，目前已有应用于水质检测领域的研究。常规检测方法是混合碳量子点与被检水体样本，测量光谱数据，通过光谱衰减程度判断重金属离子浓度，虽在一定程度上减少了检测时间，但实时性仍不足，而且往往缺少直观的可视性。

发明内容

为至少一定程度上解决现有技术中存在的技术问题之一，本发明的目的在于提供一种可视化信号水质检测浮标及其检测方法，实现快速、持续检测水质，并且将检测结果以可视化信号的形式显示。

本发明所采用的技术方案是：

一种可视化信号水质检测浮标，包括：

取水模块，用于自动抽取待检测液体，将抽取到的所述待检测液体输送至检测模块；

检测模块，包括检测腔和至少一个用于存放预设颜色的液态碳量子点的碳量子点腔，所述检测腔用于混合所述待检测液体与所述液态碳量子点，所述检测腔由透明材料制成；

灯源，包括紫外LED光源和红光LED光源，所述灯源的光线透射所述检测腔。

进一步，所述取水模块包括漂浮底座和安装在所述漂浮底座内的取水装置；

所述漂浮底座为所述可视化信号水质检测浮标提供浮力，所述取水装置通过导管将待检测液体抽送至所述检测模块。

进一步，所述检测模块还包括外壳和透光罩，所述外壳和所述透光罩形成密闭容器，所述检测腔和所述碳量子点腔设置在所述密闭容器内；

所述密闭容器内还设有水体腔、废液腔和微型太阳能电池板，所述水体腔用于存放待检测液体，所述废液腔用于存放所述检测腔内混合的液体，所述微型太阳能电池板为所述取水模块和所述灯源提供电源。

进一步，所述外壳的内壁上设有内部支架，所述内部支架用于固定所述检测腔，所述内部支架和所述检测腔形成一个平台，所述平台将所述密闭容器分成第一密闭容器和第二密闭容器，所述第一密闭容器夹在所述透光罩与所述平台之间；

所述水体腔、所述碳量子点腔和微型太阳能电池板设置在所述第一密闭容器内；

所述废液腔和所述灯源设置在所述第二密闭容器内。

进一步，所述外壳、水体腔、所述碳量子点腔和所述废液腔采用不透明材料制成。

进一步，所述水体腔通过第一导管与所述检测腔连接，所述碳量子点腔通过第二导管与所述检测腔连接，所述检测腔通过第三导管与所述废液腔连接；

所述第一导管、所述第二导管和所述第三导管内均设有定向阀，所述定向阀用于控制液体单向流通。

进一步，所述检测腔内设有沟槽，使所述待检测液体与所述液态碳量子点充分混合。

进一步，所述检测腔由不透光挡板划分为n个区域，所述检测模块内设有n个碳量子点腔，每个所述碳量子点腔对应一个检测腔的区域。

本发明所采用的另一技术方案是：

一种可视化水质检测方法，包括以下步骤：

自动抽取待检测液体，将所述待检测液体送入检测腔；

获取预设颜色的液态碳量子点并输送至所述检测腔，使所述待检测液体与所述液态碳量子点混合；

采用紫外光和红光透射装有混合液体的检测腔，根据透射后的光色检测水质是否达标；

其中，所述检测腔由透明材料制成。

进一步，所述预设颜色为蓝色，所述根据透射后的光色检测水质是否达标，包括：

当待检测液体中重金属元素超标时，碳量子点发生荧光淬灭，透射的光为红光；

当待检测液体的水质达标时，紫外光激发碳量子点发出蓝光，透射的光为蓝光与红光结合的白光；

和/或；

所述预设颜色为绿色，所述根据透射后的光色检测水质是否达标，包括：

当待检测液体中重金属元素超标时，碳量子点发生荧光淬灭，透射的光为红光；

当待检测液体的水质达标时，紫外光激发碳量子点发出绿光，透射的光为绿光与红光结合的黄光。

本发明的有益效果是：本发明采用碳量子点作为水质检测材料，具有较高的检测效率，水质检测浮标可长期漂浮于水体上，可对水质实施长期监控，水质检测结果通过光色显示，人眼可从远处轻易观察得知。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或者现有技术中的技术方案，下面对本发明实施例或者现有技术中的相关技术方案附图作以下介绍，应当理解的是，下面介绍中的附图仅仅为了方便清晰表述本发明的技术方案中的部分实施例，对于本领域的技术人员而言，在无需付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获取到其他附图。

图1是本发明实施例中一种可视化信号水质检测浮标结构示意图；

图2是本发明实施例中一种可视化信号水质检测浮标爆炸视图；

图3是本发明实施例中一种可视化信号水质检测浮标水质达标结果显示原理图；

图4是本发明实施例中一种可视化信号水质检测浮标水质不达标结果显示原理图；

图5是本发明实施例中检测腔图案化沟槽示意图；

图6是本发明实施例中一种可视化水质检测方法的步骤流程图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。对于以下实施例中的步骤编号，其仅为了便于阐述说明而设置，对步骤之间的顺序不做任何限定，实施例中的各步骤的执行顺序均可根据本领域技术人员的理解来进行适应性调整。

在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。

本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。

如图1和图2所示，本实施例提供一种可视化信号水质检测浮标，包括：微型太阳能电池板1，外壳2，外壳内部支架2-1，碳量子点腔3，检测腔4，紫外LED光源5，漂浮底座6，取水装置7，废液腔8，红光LED光源9，导管10，水体腔11，透光罩12。

外壳2与透光罩12紧密结合形成密闭容器；检测腔4通过所述外壳内部支架2-1支撑设置于容器内部，碳量子点腔3、废液腔8和水体腔11通过所述导管10与所述检测腔4连接，所述取水装置7置于所述漂浮底座6内腔，并与所述水体腔11通过所述外壳2和漂浮底座6的开孔连接。所述紫外LED光源5与红光LED光源9设置于所述检测腔4两侧梯台。微型太阳能电池板1设置于透光罩下表面。

上述可视化信号水质检测浮标的工作原理为：红光LED和紫外LED光源发光，光线首先经过碳量子点和水体样本混合液，再出射到环境。碳量子点受到水体样本中重金属离子或污染物的影响发生不同程度的荧光淬灭。红光LED无法激发碳量子点，以原始红光出射；紫外LED激发碳量子点产生蓝光，随着碳量子点荧光淬灭程度变大，蓝光强度变弱。当水质中重金属元素超标时，碳量子点发生严重荧光淬灭，人眼观察到红光与紫外光混合的红光；当水质达标时，紫外LED激发碳量子点发出蓝光，显示蓝光与红光结合的白光。当重金属元素从不超标向超标过渡时，发出光的色坐标从(0.3319，0.3057，0.2903)向(0.6824，0.3157，0)过渡。在视觉上呈现白光变暖，并最终变为红光，易于观察识别。

进一步作为可选的实施方式，检测腔4与透光罩12为透明材料，如玻璃，丙烯酸塑料(PMMA)，聚苯乙烯(PS)，聚氯乙烯(PVC)聚碳酸酯(PC)等，优选聚苯乙烯(PS)。

进一步作为可选的实施方式，外壳2、碳量子点腔3、废液腔8、导管10以及水体腔11为不透明材料，如铁、铝等金属或热塑性聚氨酯(TPU)等有色橡胶或塑料，优选热塑性聚氨酯(TPU)。

进一步作为可选的实施方式，所述导管10带有定向阀，控制液体单向流通。

进一步作为可选的实施方式，漂浮底座材料为浮力材料，如泡沫塑料、泡沫玻璃、泡沫铝等，优选泡沫铝。

进一步作为可选的实施方式，检测腔4可为空腔，也可开设图案化沟槽，内壁厚度优选但不限于0.5-2mm。

进一步作为可选的实施方式，紫外LED光源5与所述红光LED光源9的中轴线正对所述检测腔4，光源夹角为60°-120°，优选60°；所述紫外LED光源波长为200-365nm，优选365nm，所述红光LED波长为610-650nm，优选630nm。

进一步作为可选的实施方式，碳量子点腔3内存放蓝色液态碳量子点,激发波长为440nm以下，发射波长为440-455nm。

实施例一

如图1和图2所示，本实施例提供一种可视化信号水质检测浮标，包括：外壳2与透光罩12紧密结合形成的密闭容器；固定于容器内部的检测腔4，通过导管10与检测腔4连接的碳量子点腔3、水体腔11和废液腔8；外壳2下端装配的漂浮底座6，置于漂浮底座内部并通过导管10与水体腔11连接的取水装置7；置于检测腔4两侧的红光LED光源5和紫外LED光源9；置于透光罩下表面的微型太阳能电池板1，其与红光LED光源5、紫外LED光源9以及取水装置7电气连接。

可视化信号水质检测浮标中，外壳直径为100mm，高度为120mm；检测腔尺寸为50×50×1mm

紫外LED光源波长为365nm，功率为3W，所述红光LED光源波长为630nm，功率为3W。

检测腔与透光罩的材料为透明聚苯乙烯(PS)。

外壳，碳量子点腔，废液腔，导管，水体腔的材料为不透明热塑性聚氨酯(TPU)。

外壳与透光罩接触面间填充防水橡胶，确保密封性。

导管内径3mm，并带有定向阀，控制液体只能从所述碳量子点腔与水体腔流向所述检测腔；混合液只能从所述检测腔流向所述废液腔。

碳量子腔和水体腔高度高于所述检测腔，碳量子腔和水体腔下表面距离检测腔上表面15mm；所述检测腔高度高于所述废液腔，检测腔下表面距离废液腔上表面为20mm。液体在重力作用下自行流通。

漂浮底座的材料为泡沫铝。

碳量子腔内存放蓝色液态碳量子点，与浓度为40μM汞离子接触时，在6min内荧光强度下降到原来的50％。

微型太阳能电池板为浮标电气元件供电。

在本实施例中，采用碳量子点作为水质检测探针，其具有无毒无害，环境友好，生物相容性高，原料丰富，成本低等特点。碳量子是一种荧光材料，特定碳量子点与特定重金属离子或污染物接触时发生荧光淬灭，利用这一特性实现对水体中某一种污染物进行探测。本实施例中，蓝色碳量子点仅对汞离子有荧光淬灭作用，故可以定向检测水体中汞离子是否超标。

本实施例中，水质检测结果显示原理如图3和图4所示，蓝色碳量子点可受紫外光激发而不受红光激发，故浮标时刻发出红光。当水体汞离子超标时，蓝色碳量子点发生淬灭，紫外光直接出射，人眼观察到红光；当水质达标时，紫外光激发蓝色碳量子点辐射蓝光，人眼观察到蓝光与红光混合而成的白光。所述水质检测浮标发出的红光与白光，照度为1000lux以上，可在室外轻易识别。

本实施例中，水质检测浮标长期漂浮于被检测水域，由微型太阳能电池板持续供电，对水域进行实时检测，检测结果实时通过浮标发出的光色显示，具备环保性，实时性，长期性以及可视性。

实施例二

本实施例与实施例一内容基本相同，其区别在于检测腔4刻有沟槽而非空腔。

为确保水体样本与碳量子点混合均匀，检测腔内刻有图案化沟槽控制液体流向辅助液体混合。

本实施例提供一种图案化沟槽检测腔，不代表本发明的唯一方案。如图5所示，检测腔内开设圆形混液腔以及装液腔，水体样本与蓝色液态碳量子点从检测腔对角流入腔内，首先经过混液腔，两种液体充分混合后流入装液腔进而布满检测腔，使检测腔内充满混合均匀的检测液体。

实施例三

本实施例与实施例一内容基本相同，其区别在于浮标内存在多个检测腔，检测腔之间由不透光挡板隔开。

本实施例提供一种多污染物检测方案，其特征在于，浮标内存在两个或两个以上检测腔，不同腔内存在不同类型碳量子点，其只对特定重金属离子或污染物产生淬灭，其受激辐射光色亦不同。

本实施例中，所述水质检测浮标中两个区域存放对汞离子敏感的蓝色碳量子点和对三价铁离子敏感的绿色碳量子点，当两种重金属离子超标时，浮标显示红光；当只有汞离子超标时，一端区域显示红光，另一区域显示红光与绿光混合而成的黄光；当只有三价铁离子超标时，一个区域显示白光，另一区域显示红光；当水质合格时，一个区域显示白光，另一区域显示黄光。

如图6所示，本实施例还提供一种可视化水质检测方法，包括以下步骤：

S101、自动抽取待检测液体，将待检测液体送入检测腔；

S102、获取预设颜色的液态碳量子点并输送至检测腔，使待检测液体与液态碳量子点混合；其中，检测腔由透明材料制成。

S103、采用紫外光和红光透射装有混合液体的检测腔，根据透射后的光色检测水质是否达标。

实施例四

一种可视化信号水质检测浮标的检测方法，包括以下步骤：

S1：所述取水装置7由所述微型太阳能电池板1供电，通过所述漂浮底座6的通孔定时定量从被检测水域中获取水体样本并经过所述导管10运输至所述水体腔11保存。

S2：所述水体腔11存放的水体样本与所述碳量子点腔3内碳量子点在重力作用下流入所述检测腔4进行混合。

S3：所述检测腔4两侧设置所述紫外LED光源5和红光LED光源9，在所述微型太阳能电池板1供电下持续点亮。

S4-1：若水质达标，碳量子点无荧光淬灭或荧光淬灭程度低，所述红光LED光源9发出的红光穿透所述检测腔4直接出射，所述紫外LED光源5发出的紫外光首先激发所述检测腔4内蓝色碳量子点并辐射出蓝光(以单一蓝色碳量子点检测为例)，最终所述透光罩12内出射红光、蓝光及微弱紫外光，人眼观察到红光与蓝光混合而成的白光。

S4-2：若水质不达标，碳量子点发生严重荧光淬灭，所述红光LED光源9发出的红光穿透所述检测腔4直接出射，所述紫外LED光源5发出的紫外光无法激发所述检测腔4内蓝色碳量子点，因此直接出射，最终所述透光罩12内出射红光与紫外光，人眼观察到具有警示作用的红光。

S5：一段时间后，所述检测腔4内混合液体通过所述导管10排入所述废液腔8。

S6：本实施例一种可视化信号水质检测浮标的检测方法和结果显示为步骤S1-S5的循环进行，直至预存于所述碳量子点腔4内的碳量子点用尽。

S7：人眼在远处观察被检测水域中水质检测浮标发光情况，判断水质情况；浮标发光颜色随水质情况的变化而变化。

综上所述，本实施例相对于现有技术，具有如下有益效果：

(1)、本实施例中，所有元件均由微型太阳能电池板供电，十分环保，可长时间工作而不需要维护。

(2)、本实施例中，采用碳量子点作为水质检测材料，其无毒无害，对环境友好，并且具有较高的检测效率。

(3)、本实施例中，水质检测浮标可长期漂浮于水体上，对该流域水质实施长期监控。

(4)、本实施例中，水质检测结果通过光色显示，人眼可从远处轻易观察得知。当水质达标时，浮标发出白光；当水质不达标时，浮标发出具有警示作用的红光。根据水质变化，光色实时变化。

在一些可选择的实施例中，在方框图中提到的功能/操作可以不按照操作示图提到的顺序发生。例如，取决于所涉及的功能/操作，连续示出的两个方框实际上可以被大体上同时地执行或所述方框有时能以相反顺序被执行。此外，在本发明的流程图中所呈现和描述的实施例以示例的方式被提供，目的在于提供对技术更全面的理解。所公开的方法不限于本文所呈现的操作和逻辑流程。可选择的实施例是可预期的，其中各种操作的顺序被改变以及其中被描述为较大操作的一部分的子操作被独立地执行。

此外，虽然在功能性模块的背景下描述了本发明，但应当理解的是，除非另有相反说明，所述的功能和/或特征中的一个或多个可以被集成在单个物理装置和/或软件模块中，或者一个或多个功能和/或特征可以在单独的物理装置或软件模块中被实现。还可以理解的是，有关每个模块的实际实现的详细讨论对于理解本发明是不必要的。更确切地说，考虑到在本文中公开的装置中各种功能模块的属性、功能和内部关系的情况下，在工程师的常规技术内将会了解该模块的实际实现。因此，本领域技术人员运用普通技术就能够在无需过度试验的情况下实现在权利要求书中所阐明的本发明。还可以理解的是，所公开的特定概念仅仅是说明性的，并不意在限制本发明的范围，本发明的范围由所附权利要求书及其等同方案的全部范围来决定。

所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备(如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统)使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。就本说明书而言，“计算机可读介质”可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。

计算机可读介质的更具体的示例(非穷尽性列表)包括以下：具有一个或多个布线的电连接部(电子装置)，便携式计算机盘盒(磁装置)，随机存取存储器(RAM)，只读存储器(ROM)，可擦除可编辑只读存储器(EPROM或闪速存储器)，光纤装置，以及便携式光盘只读存储器(CDROM)。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印所述程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得所述程序，然后将其存储在计算机存储器中。

应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。

在本说明书的上述描述中，参考术语“一个实施方式/实施例”、“另一实施方式/实施例”或“某些实施方式/实施例”等的描述意指结合实施方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施方式或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施方式，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明并不限于上述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。