本发明属于光学和材料科学领域，涉及二氧化钛纳米管结构和图像处理方法，提出了一种便捷，效率高、能够即时检测液体中四环素含量装置的设计方案。
背景技术：
四环素是最常见的抗生素之一，也是新兴污染物药品及个人护理用品(ppcps)中的一种，因其广谱性和价格低廉被广泛地应用于畜禽饲养业、临床以及畜禽的生长促进剂。四环素类抗生素对革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌有着很强大的抗菌活性，但是如果大量使用四环素会容易导致四环素类抗生素在人体和环境中残留。这些未反应的母体化合物以及代谢产物具有较强的副作用，可以诱导人体产生抗药性基因，甚至可以引发人体产生严重的过敏反应。此外，在自然环境中过量使用抗生素会容易导致环境的抗生素污染，即抗生素在环境中过度残留，如在土壤和水体中的抗生素残留。因此，加强对四环素类抗生素残留物的检测具有十分重要的意义。传统的检测四环素类抗生素的方法主要有微生物法、免疫法、理化分析法(如气相色谱法和和毛细管电泳等)，其中，微生物法检测抗生素涉及到微生物的培养实验，其实验步骤会比较复杂、耗时且其特异性较差。免疫测定法抗生素需要的实验步骤也会比较复杂，同时其需要的检测费用昂贵。理化分析法通常需要大型仪器，样品需要经过预处理。另外这些方法都不能够实现四环素类抗生素的实时、在线检测。因此，探究灵敏度高、效率高且速度快的检测方法具有至关重要的意义。
我们设计了一种可以即时检测液体中四环素含量的装置，由二氧化钛纳米管结构、智能手机、光纤等组成。该方法利用二氧化钛纳米管结构的光催化性能，通过控制二氧化钛纳米管的表面形貌，调整该检测装置的灵敏度，检测范围，检测效率等；充分利用智能手机本身来减少测量所需的各种设备，可以进一步发展为集成的四环素检测仪器。
技术实现要素：
光催化简单的说就是在光照条件下通过催化剂加速反应的进程。光照条件下二氧化钛材料，通过吸收大于或等于其带隙能量的光子来激活光催化反应。在紫外光的照射下，二氧化钛中价带(vb)区域电子吸收光子能量跃迁到导带(cb)区域，从而生成自由电子
二氧化钛纳米管结构的光催化性能可以使液体中的四环素得以降解，从而改变液体的折射率等光学性质，智能手机的手电筒作为光源照射到二氧化钛纳米管结构上发生反射，反射光经光栅分光后通过手机照相机记录以及后期图像处理技术，当液体中四环素含量变化时，光栅上呈现的rgb图像通过智能手机的相机拍摄，捕获的rgb图像通过标准matlab函数转换为灰度图像，可以获得相应的灰度强度分布光谱。该光谱可视为反射光谱，然后对该光谱进行滤光，以获得更平滑的反射光谱。通过测量峰值的偏移等光谱数据，我们可以对液体中四环素的含量进行标定，进而实现对液体中四环素含量的精准即时检测。
本发明的优点和积极效果：
本装置利用二氧化钛纳米结构的光催化性能，通过降解液体中的四环素改变液体的光学性质，从而检测液体中四环素的含量。采用智能手机及光纤进行了整体设计，所以体积较小，设计简单；图像处理系统利用计算机程序，而不是传统的光电探测器，整个设计没有外接电路，避免了由电路中电学元件的精度及电流的波动导致的光强测量不准确，提高了系统的可靠性；不需要额外的电学硬件，处理速度非常快，降低了系统成本的同时也节省了光谱处理时间；同时操作步骤简单，且能实现四环素类抗生素的实时、在线检测。该方法不仅提供了方便、低成本、智能的分析平台，而且通过减小光纤直径、提高摄像机分辨率、调控二氧化钛纳米管的表面形貌等手段，也可以进一步提高传感器的灵敏度和精度。
本发明的智能手机监测的四环素含量检测装置，可实现液体中四环素含量的即时检测，同时具有体积小、集成化、智能化、成本低和大批量生产的优点，在环境保护和食品安全领域有着重要的应用价值和前景。
附图说明
图1是智能手机监测的水中四环素含量测试装置的原理图。
图2是智能手机监测的水中四环素含量测试装置的示意图，其中：(a)是整体结构的示意图；(b)是中光纤与光学检测装置连接并保护光纤的丙烯酸基底的设计示意图。
图3是图像处理过程的流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施方式进行详细的描述。
(1)利用阳极氧化法采取多种加工条件制备二氧化钛纳米管结构，主要步骤如下：
a)首先将高纯钛箔(99％)裁剪成与设计制作的塑料外壳相匹配的大小并进行压平处理，然后将样品分别放在丙酮、无水乙醇、去离子水中各超声清洗15min后干燥备用。预处理后的样品表面光洁无污物。
b)采用含有氟离子的乙二醇溶液作为电解液，其中nh4f的质量分数为5wt％，去离子水的质量分数为3wt％。
c)电解过程室温下进行，实验系统采用250ml烧杯作为反应容器，直流稳压稳流电源供电，阳极接预处理后的纯钛片，阴极接与钛片面积相近的铂片电极，两电极相对，控制两电极之间的距离，开启磁力搅拌器进行搅拌，分别改变电解电压和电解时间制备不同样品。
d)电解过后的样品在分别在丙酮和去离子水中超声清洗3min并干燥备用。
(2)根据智能手机型号和光纤尺寸设计并制作用于光纤与光学检测装置的连接的丙烯酸材料的基底，如图1(b)所示，丙烯酸基底包括光纤凹槽、基座和圆形界面，使用时粘贴在手电筒和相机前方。
(3)根据光纤尺寸和检测需求设计并制作用于连接光纤端面与二氧化钛纳米管结构的外壳。
(4)将含有四环素的液体滴在二氧化钛纳米管结构上，将外壳与光纤端面结合。
(5)与手电筒和摄像头相连的两根光纤通过同一个光纤耦合器。在太阳光充分照射后，通过智能手机的相机拍摄光栅上呈现的rgb图像。使用标准matlab函数将rgb图像转换为灰度图像。由于衍射光栅将传感器的光分散成线谱，因此得到的灰度图像可以被解释为传感器光谱，然后对该光谱进行滤光，以获得更平滑的反射光谱。
(6)将不同含量的四环素液体下获得的反射光谱数据进行对比分析，对四环素含量进行定标。
(7)采用不同制备条件下的二氧化钛纳米管结构重复进行测试，对比不同二氧化钛纳米管结构对检测装置灵敏度、检测范围和反应速度的影响，选取综合效果最好的二氧化钛纳米管结构。
1.智能手机监测的水中四环素含量测试装置，其特征在于对四环素敏感的特殊材料和传感器整体结构的设计集成。
2.根据权利要求1所述的智能手机监测的水中四环素含量测试装置，其特征在于选择了二氧化钛纳米管结构，二氧化钛纳米管结构具有优良的光催化性能，可以在紫外光的激发下，二氧化钛纳米管可以降解四环素。
3.根据权利要求1或2所述的智能手机监测的水中四环素含量测试装置，其特征在于二氧化钛纳米管选择阳极氧化法进行制备加工。
4.根据权利要求1或2或3所述的智能手机监测的水中四环素含量测试装置，其特征在于选择利用太阳光，为了增加激发效率，在设计上增加了凸透镜。
5.根据权利要求1或2或3或4所述的智能手机监测的水中四环素含量测试装置，其特征在于整体结构包括照相机接口、手电筒接口、光纤耦合器和二氧化钛纳米管结构及外壳。
6.根据权利要求1或2或3或4或5所述的智能手机监测的水中四环素含量测试装置，其特征在于设计丙烯酸材料的基底并用于连接光纤与照相机和手电筒。
7.根据权利要求1或2或3或4或5或6所述的智能手机监测的水中四环素含量测试装置，其特征在于设计了包含凸透镜的外壳用于二氧化钛纳米管结构与光纤端面的结合。
技术总结