一种溶液比色分析快速检测装置、系统和检测方法

本发明涉及生物化学传感器技术领域，具体涉及一种溶液比色分析快速检测装置、系统和检测方法。

背景技术：

比色分析法是利用被测溶液本身的颜色，或加入试剂后呈现的颜色，用眼睛(或目测比色计)观察、比较溶液颜色深度进行定性检测，或用光电比色计进行测量以确定溶液中被测物质浓度的方法。比色分析具有简单、快速、灵敏度高等优点，因此已成为工农业生产、医药卫生、环境保护和科学实验等方面测定微量及痕量组分广泛应用的方法。几乎所有的无机离子和许多有机化合物都可直接或间接用比色法测定。

目前，因为手机的普及，已经开发出基于手机的各种便携式传感器，其中基于手机的光学传感器通过使用智能终端的摄像头作为检测器，可以对所有能产生光学变化的物质进行检测，如物质的透光度、吸光度，荧光，生物化学发光，表面等离子体共振(spr)，和电化学发光等。基于手机的光学传感器不仅配备了高分辨率摄像头和强大的处理器，而且是一个完全自动化的设备，可以在传感过程中采集光学信号，并发挥光谱仪、甚至显微镜的作用。利用智能终端强大的计算优势，色彩量化可以通过智能终端中的应用程序完成。没有额外的设备或复杂的检测，因此近年来得到广泛的关注。

近几年很多科研工作者研发了各种基于智能终端的比色生物传感装置，这些装置有针对试纸条进行检测的，有针对某一溶液进行检测的，都能实现对待测物定性或定量的检测。但目前这些方法也存在一些不足，无论是对试纸条还是溶液检测，大多采用反射式，即光源和手机位于样本的同侧，手机采集样本反射光源的光，这种方法最大缺点是拍出的照片会因为样品表面特别是溶液对光源的镜面反射而出现光源本身的像，由于光源本身亮度远高于样本本身，从而会严重影响成像质量。为了改善成像质量，也有将手机和光源置于样本的两侧，这样手机采集的是光源通过样本后的透射光，此方法尤其适用于溶液比色分析。但是即使在暗室里，手机每次成像也无法保证光线一致、曝光一致，所以即使同一浓度样本不同次拍照提取rgb也会有偏差，从而对最终精度造成影响。然而目前针对溶液的比色分析方法中鲜有提出相应的色彩校准方法。

技术实现要素：

本发明的目的是为了克服以上现有技术存在的不足，提供了一种精度低的溶液比色分析快速检测装置、系统和检测方法。

本发明的目的通过以下的技术方案实现：

一种溶液比色分析快速检测装置，包括：光学暗箱，光学暗箱后面板设置有照明单元，光学暗箱内照明单元前设置有样品器皿，上面板设置可闭合的窗口，窗口在样品器皿正上方；前面板设置开孔，前面板的两侧分别与左侧板、左侧板右之间设置有滑轨；暗箱前面板的开孔中心、样品器皿的中心与照明单元的中心在同一水平线上。

优选地，照明单元是光照均匀光亮可调的面光源，照明单元包括led阵列和柔光板，柔光板设置在led阵列外。

优选地，样品器皿是两个相同的方形器皿，一个方形器皿，用于加待测试剂，另一个方形器皿，用于加黑色可溶试剂作为参照试剂。

优选地，方形器皿下部为实心。

优选地，待测试剂是任何颜色随浓度变化的试剂或者加入传感探针后颜色会随浓度变化的试剂，参照试剂是黑色墨水。

一种溶液比色分析快速检测系统，包括：智能终端和上述的溶液比色分析快速检测装置，智能终端，用于放置在光学暗箱前面板的开孔，对样品器皿的试剂进行拍照，并对拍照图像进行处理，得到待测溶液的浓度。

一种溶液比色分析快速检测方法，包括：

s1,将传感试剂放入未知浓度的待测溶液中得到相应的显色试剂；将装有待测试剂的显色溶液的样品器皿和装有参照试剂的器皿同时通过窗口放入光学暗箱中，调整光学暗箱前面板距离样品的距离；

s2,安装对应应用程序的智能终端的摄像头对准暗箱前面板开孔，进行调焦拍照，得到检测图像；

s3,智能终端将检测图像自动切割出待测试剂感兴趣区roi1、参照试剂感兴趣区roi2以及样品器皿无溶液区的感兴趣区roi3；

s4,提取待测试剂感兴趣区roi1、参照试剂感兴趣区roi2以及样品器皿无溶液区的感兴趣区roi3图像所有像素的r、g、b颜色参数分量中值，根据参照试剂感兴趣区roi2以及样品器皿无溶液区的感兴趣区roi3图像所有像素的r、g、b颜色参数分量中值对待测试剂感兴趣区roi1图像所有像素的r、g、b颜色参数分量中值进行校准，得到该未知浓度的待测溶液对应的roi1图像校准后的r、g、b颜色分量中值；

s5,选则标定曲线，将roi1校准后的r、g、b颜色分量中值转换成相应颜色空间信息；

s6,颜色空间信息代入待测浓度标定曲线，求得待测溶液的浓度。

优选地，步骤s4还包括：将待测试剂感兴趣区roi1、参照试剂感兴趣区roi2以及样品器皿无溶液区的感兴趣区roi3的图像转换成位图，提取roi1、roi2、roi3图像中每个像素的r、g、b颜色参数分量，分别得到roi1、roi2、roi3图像所有像素的r、g、b颜色参数分量中值。

优选地，步骤s4的根据参照试剂感兴趣区roi2以及样品器皿无溶液区的感兴趣区roi3图像所有像素的r、g、b颜色参数分量中值对待测试剂感兴趣区roi1图像所有像素的r、g、b颜色参数分量中值进行校准公式为：

其中，为待测试剂感兴趣区roi1图像所有像素的r、g、b颜色参数分量中值，为参照试剂感兴趣区roi2图像所有像素的r、g、b颜色参数分量中值，为样品器皿无溶液区的感兴趣区roi3图像所有像素的r、g、b颜色参数分量中值，为本次检测前拍照得到的参照试剂roi2的颜色参数分量中值，为本次检测前拍照得到的透明玻璃roi3的颜色参数分量中值，i＝1，2，3…。

优选地，绘制标定曲线包括：配制能使样品溶液显色的传感试剂，将传感试剂放入n个已知浓度样品溶液中，得到相应的显色样品溶液；n＞1；样品溶液和待测溶液是同一种溶液；依次将n个显色样品溶液放在中间样品器皿中，通过智能终端的摄像头采集图像进行检测，记录数据并进行分析处理，得到检测的图像所有像素经校准后的各个分量关于样品溶液浓度的标定曲线，其中，各个分量包括r、g、b、h、s、v、l、c、m、y和k。

优选地，通过智能终端的摄像头采集图像进行检测，记录数据并进行分析处理的步骤包括：

s01,将装有显色样品溶液的样品器皿和装有参照试剂器皿同时通过窗口放入暗箱中，调整暗箱前面板距离样品的距离；智能终端的摄像头对准暗箱前面板开孔，进行调焦拍照，得到检测图像；

s02,智能终端将拍的照片自动切割出待测试剂感兴趣区roi1、参照试剂感兴趣区roi2以及样品器皿无溶液区的感兴趣区roi3；

s03,将roi1、roi2、roi3的图像转换成位图，提取roi1、roi2、roi3图像中每个像素的r、g、b颜色参数分量，分别得到roi1、roi2、roi3图像所有像素的r、g、b颜色参数分量中值，然后根据参照试剂感兴趣区roi2和样品器皿无溶液区的感兴趣区roi3的图像所有像素的r、g、b颜色参数分量中值对roi1的图像所有像素的r、g、b颜色参数分量中值进行校准，得到roi1图像所有像素经过校准后的r、g、b颜色分量中值；

s04,将roi1图像所有像素经过校准后的r、g、b颜色分量中值通过计算转换成hsv、hsl或cmyk颜色空间，分别得到roi1图像所有像素校准后的h、s、v、l、c、m、y、k颜色参数分量中值，最后分别用最小二乘法拟合出r、g、b、h、s、v、l、c、m、y、k关于样品溶液浓度的标定曲线；

s05,依次将n个显色样品溶液放在中间样品器皿中，重复执行步骤s01-s04，得到n个关于样品溶液浓度的标定曲线，将线性度最好的标定曲线作为样品试剂检测的标定曲线。

本发明相对于现有技术具有如下优点：

本发明的智能手机和照明单元位于待测溶液或者样品溶液的两侧，对待测溶液或者样品溶液的透射光进行成像，避免了因溶液对照明光源的反射光造成的干扰。样品器皿是两个相同的方形器皿，左边方形器皿用于加待测试剂，右边方形器皿用于加黑色可溶试剂作为参照试剂，对不同次拍照所得图像消除因曝光不同造成的颜色参数分量误差。此外，样品器皿下方是实心的，可以减少试剂用量。本发明的智能手机实现拍照、自动截取兴趣区、绘制校准曲线、显示试剂浓度等功能，更重要的是可以对不同次曝光的试剂颜色进行校准，消除曝光不同造成的颜色误差，提高了检测精度。实际使用中，将待测试剂放入样品器皿中，打开手机app进行拍照后即可显示待测试剂浓度。本发明能够用于定量分析多种基于比色法测定的试剂，具有成本低，便携，操作简单，精度高、稳定等优点。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明的溶液比色分析快速检测装置的结构图。

图2是本发明的溶液比色分析快速检测方法的流程示意图。

图3(a)为不同浓度三氯化铁溶液对应的颜色示意图。

图3(b)为未对颜色进行校准前所得的标定曲线图。

图3(c)为使用本发明的校准方法对颜色进行校准后所得的拟合直线图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

参见图1、一种溶液比色分析快速检测装置，包括：光学暗箱1，光学暗箱1后面板设置有照明单元3，光学暗箱1内照明单元3前设置有样品器皿2，上面板设置可闭合的窗口4，窗口4在样品器皿2正上方；暗箱前面板中央位置有圆形开孔5，前面板的两侧分别与左侧板、左侧板右之间设置有滑轨6；暗箱前面板的开孔5中心、样品器皿2的中心与照明单元3的中心在同一水平线上。

一种溶液比色分析快速检测系统，包括：智能终端和上述的溶液比色分析快速检测装置，智能手机，用于放置在光学暗箱1前面板的开孔5，对样品器皿2的试剂进行拍照，并对拍照图像进行处理，得到待测溶液的浓度。

在本实施例，智能终端内安装有app(应用程序)，智能终端实现拍照、自动截取兴趣区、绘制校准曲线、显示试剂浓度等功能，更重要的是可以对不同次曝光的试剂颜色进行校准，消除曝光不同造成的颜色误差，提高了检测精度。实际使用中，将待测试剂放入样品器皿2中，打开手机app进行拍照后即可显示待测试剂浓度。

在本实施例，光学暗箱1是一个不透光的长方体盒子，暗箱为不透光材质，暗箱上窗口4也是不透光材质，窗口4在拍照时关闭，保证整个暗箱的暗环境。暗箱尺寸4cm*4cm*8cm。此外，也可以在智能手机摄像头的正前方放置凸透镜，这样就可以减少暗箱的宽度。暗箱上面板窗口4尺寸为1cm*2cm，圆形开孔5的直径为1cm。

在本实施例，照明单元3是光照均匀光亮可调的面光源，照明单元3包括led阵列7和pmma制作的柔光板，柔光板设置在led阵列7外，并设置可调电源控制照明单元3的发光亮度。面光源尺寸4cm*4cm*1cm，柔光板尺寸4cm*4cm*0.1cm。led灯发出的光经过柔光板之后变得均匀地照到样品中，透射之后的光到达手机的摄像头上。前面板的两侧分别与左侧板、左侧板右之间设置有滑轨6，前面板可以自由滑动，以适应不同焦距手机进行拍照。智能手机和照明单元3位于待测溶液或者样品溶液的两侧，对待测溶液或者样品溶液的透射光进行成像，避免了因溶液对照明光源的反射光造成的干扰。

在本实施例，样品器皿2是两个相同的方形器皿，左边方形器皿，用于加待测试剂，右边方形器皿，用于加黑色可溶试剂作为参照试剂。为减少试剂用量且将摄像头对准试剂中间拍照，方形器皿下部有1/3为实心，待测溶液或者样品溶液加满至中间1/3处。样品器皿22选择透光玻璃制作，如聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)，两个相同的方形器皿并排放置。样品器皿22选择透光玻璃，尺寸1cm*0.5cm*4cm。

在本实施例，待测试剂是任何颜色随浓度变化的试剂或者加入传感探针后颜色会随浓度变化的试剂，参照试剂是黑色墨水。

参见图2，适用溶液比色分析快速检测装置的一种溶液比色分析快速检测方法，包括：

s1,将传感试剂放入未知浓度的待测溶液中得到相应的显色试剂；将装有待测试剂的显色溶液的样品器皿2和装有参照试剂的器皿同时通过窗口4放入光学暗箱1中，调整光学暗箱1前面板距离样品的距离；

s2,安装对应应用程序的智能终端的摄像头对准暗箱前面板开孔5，进行调焦拍照，得到检测图像；

s3,智能终端将检测图像自动切割出待测试剂感兴趣区roi1、参照试剂感兴趣区roi2以及样品器皿2无溶液区的感兴趣区roi3；roi1、roi2、roi3的像素范围分别是10*10；

s4,提取待测试剂感兴趣区roi1、参照试剂感兴趣区roi2以及样品器皿2无溶液区的感兴趣区roi3图像所有像素的r(红)、g(绿)、b(蓝)颜色参数分量中值，根据参照试剂感兴趣区roi2以及样品器皿2无溶液区的感兴趣区roi3图像所有像素的r、g、b颜色参数分量中值对待测试剂感兴趣区roi1图像所有像素的r、g、b颜色参数分量中值进行校准，得到该未知浓度的待测溶液对应的roi1图像校准后的r、g、b颜色分量中值；步骤s4还包括：将待测试剂感兴趣区roi1、参照试剂感兴趣区roi2以及样品器皿2无溶液区的感兴趣区roi3的图像转换成位图(bitmap格式)，提取roi1、roi2、roi3图像中每个像素的r、g、b颜色参数分量，分别得到roi1、roi2、roi3图像所有像素的r、g、b颜色参数分量中值。

在本实施例，根据参照试剂感兴趣区roi2以及样品器皿2无溶液区的感兴趣区roi3图像所有像素的r、g、b颜色参数分量中值对待测试剂感兴趣区roi1图像所有像素的r、g、b颜色参数分量中值进行校准公式为：

其中，为待测试剂感兴趣区roi1图像所有像素的r、g、b颜色参数分量中值，为参照试剂感兴趣区roi2图像所有像素的r、g、b颜色参数分量中值，为样品器皿2无溶液区的感兴趣区roi3图像所有像素的r、g、b颜色参数分量中值，为本次检测前拍照得到的参照试剂roi2的颜色参数分量中值，为本次检测前拍照得到的透明玻璃roi3的颜色参数分量中值，i＝1，2，3…。

因此，本系统通过增加浓度不变的黑色试剂实现颜色校准。所述校准方法在提取不同颜色空间各个颜色参数分量值时、结合黑色试剂和样品器皿2的颜色信息对不同次曝光求得的试剂颜色信息进行校准，可对每次拍照所得图像消除因曝光不同造成的颜色参数分量误差。

s5,选则标定曲线，将roi1校准后的r、g、b颜色分量中值转换成相应颜色空间信息；

s6,颜色空间信息代入待测浓度标定曲线，求得待测溶液的浓度。

在本实施例，绘制标定曲线包括：配制能使样品溶液显色的传感试剂，将传感试剂放入n个已知浓度样品溶液中，得到相应的显色样品溶液；n＞1；样品溶液和待测溶液是同一种溶液；依次将n个显色样品溶液放在中间样品器皿2中，通过智能终端的摄像头采集图像进行检测，记录数据并进行分析处理，得到检测的图像所有像素经校准后的各个分量关于样品溶液浓度的标定曲线，其中，各个分量包括r(红)、g(绿)、b(蓝)、h(色调)、s(饱和度)、v(明度)、l(亮度)、c(青色)、m(品红)、y(黄色)、k(黑色)。

更进一步地，通过智能终端的摄像头采集图像进行检测，记录数据并进行分析处理的步骤包括：

s01,将装有显色样品溶液的样品器皿2和装有参照试剂器皿同时通过窗口4放入暗箱中，调整暗箱前面板距离样品的距离；智能终端的摄像头对准暗箱前面板开孔5，进行调焦拍照，得到检测图像；

s02,智能终端将拍的照片自动切割出待测试剂感兴趣区roi1、参照试剂感兴趣区roi2以及样品器皿2无溶液区的感兴趣区roi3；

s03,将roi1、roi2、roi3的图像转换成位图，提取roi1、roi2、roi3图像中每个像素的r、g、b颜色参数分量，分别得到roi1、roi2、roi3图像所有像素的r、g、b颜色参数分量中值，然后根据参照试剂感兴趣区roi2和样品器皿2无溶液区的感兴趣区roi3的图像所有像素的r、g、b颜色参数分量中值对roi1的图像所有像素的r、g、b颜色参数分量中值进行校准，得到roi1图像所有像素经过校准后的r、g、b颜色分量中值；

s04,将roi1图像所有像素经过校准后的r、g、b颜色分量中值通过计算转换成hsv、hsl或cmyk颜色空间，分别得到roi1图像所有像素校准后的h(色调)、s(饱和度)、v(明度)、l(亮度)、c(青色)、m(品红)、y(黄色)、k(黑色)颜色参数分量中值，最后分别用最小二乘法拟合出r(红)、g(绿)、b(蓝)、h(色调)、s(饱和度)、v(明度)、l(亮度)、c(青色)、m(品红)、y(黄色)、k(黑色)关于样品溶液浓度的标定曲线；

s05,依次将n个显色样品溶液放在中间样品器皿2中，重复执行步骤s01-s04，得到n个关于样品溶液浓度的标定曲线，将线性度最好的标定曲线作为样品试剂检测的标定曲线。

实验数据

为了验证本校准方法的有效性，用三氯化铁试剂配备不同浓度的溶液，用本系统进行拍照并绘制校准曲线，其中三氯化铁溶液的浓度为0.05-1mol/l，试剂对应颜色如图3(a)所示，通过做三组平行实验并对所有的数据进行线性拟合，未对颜色进行校准前所得的标定曲线如图3(b)所所示，其中r²＝0.98708，利用本发明的校准方法对颜色进行校准后所得的拟合直线如图3(c)所示，其中r²＝0.99047，可以看出，随着浓度的增加，g通道强度的变化值呈现直线上升的趋势，校准后的拟合精度更高，表明可以利用本系统和本校准方法进行比色分析。

上述具体实施方式为本发明的优选实施例，并不能对本发明进行限定，其他的任何未背离本发明的技术方案而所做的改变或其它等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。