一种环境水中铁离子的快速检测方法和系统

1.本发明属于分析检测技术领域，具体涉及一种环境水中铁离子的快速检测方法和系统。


背景技术：

2.铁(fe)元素是生态环境中重要的常量元素，也是人体的必需微量元素。自然水体中，fe是水体氧化能力传递的重要媒介，其价态及含量对维持水环境质量具有重要作用。因此，自然水体中fe的浓度信息在环境科学、环境毒理学、生命科学、以及食品安全相关等领域中起着重要的作用。
3.现有的检测水体中fe元素的分析方法主要包括光谱法和质谱法，这些方法精度高、灵敏度好，但存在分析设备笨重、价格昂贵、以及对实验环境条件有较高要求等普遍问题，很难适用于现场环境下的fe元素的检测。因此，研究建立一种分析精度高、成本低、操作简单、测定快速的自然水体中fe元素的分析方法具有重要意义。
4.fe的化学显色检测是一种成本低、简单、快速测定水中fe元素的方法(许夏伟等，铁显色检测片测定水体中铁)。其原理是利用盐酸羟胺将水中的三价铁离子还原成二价铁，然后利用二价铁与1,10-菲啰啉的显色反应结果进行铁元素的检测。然而，由于显色反应是以颜色的变化来体现检测的结果，若要对显色结果进行准确、定量的分析，通常还是需要光谱仪等设备。这对化学显色检测fe元素的方法的成本和应用的便利性产生了很不利的影响。因此，如何用更加简单、快速的方法准确地分析化学显色的结果仍然是本领域亟需解决的问题。


技术实现要素：

5.针对现有技术的问题，本发明提供一种环境水中铁离子的快速检测方法和系统，目的在于利用多元性回归方程模型对化学显色体系的图片进行分析，实现高精度、低成本、简单、快速的铁元素含量检测。
6.一种环境水中铁离子的快速检测方法，包括如下步骤：
7.步骤1，采用化学显色体系处理待检测水样，使化学显色体系发生颜色变化，拍摄化学显色体系的图片；
8.步骤2，从所述图片中分割出感兴趣区域；
9.步骤3，计算所述感兴趣区域中rgb颜色空间和hsi颜色空间的各分量的变化值；
10.步骤4，以步骤3得到的至少两种分量的变化值作为特征，通过多元性回归方程模型分析待检测水样中铁离子的含量。
11.优选的，步骤1中，所述化学显色体系包括盐酸羟胺和1,10-菲啰啉。
12.优选的，步骤1中，所述化学显色体系附着在微流控纸芯片上，所述盐酸羟胺的附着量为0.622-1.243mg/cm2，所述1,10-菲啰啉的附着量为0.100-0.199mg/cm2，显色时间为15-25min。
13.优选的，步骤2中，采用边缘分割法分割出感兴趣区域。
14.优选的，步骤2中，对所述图片进行中值滤波后分割出感兴趣区域。
15.优选的，步骤3中，所述分量的变化值按照如下公式计算：
[0016][0017]
其中，m代表rgb颜色空间或hsi颜色空间的分量，可以是r、g、b、h、i或s中的一种；mi为n个平行实验组中第i组的m的值；m
n+1
为加入空白水样的化学显色体系m的空白对照值。
[0018]
优选的，步骤4中，选择作为特征的分量的变化值为和其中为r的变化值，为b的变化值，为s的变化值。
[0019]
优选的，步骤4中，所述多元性回归方程模型为：
[0020][0021]
本发明还提供一种环境水中铁离子的快速检测系统，包括：
[0022]
相机模块，用于拍摄化学显色体系的图片；
[0023]
分割模块，用于从所述化学显色体系的图片中分割出感兴趣区域；
[0024]
计算模块，用于计算所述感兴趣区域中rgb颜色空间和hsi颜色空间的各分量的变化值；并将至少两种分量的变化值作为特征，通过多元性回归方程模型分析待检测水样中铁离子的含量。
[0025]
本发明还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有用于实现上述环境水中铁离子的快速检测方法的计算机程序。
[0026]
本发明将待检测水样与化学显色体系反应后，通过工业相机拍摄化学显色体系的图片，然后利用多元性回归方程模型对图片中颜色的变化进行分析，进而实现了对待检测水样中铁元素含量的分析。在优选的方案中，本发明优化了化学显色体系中还原剂和显色剂的用量、分割感兴趣区域的方法和多元性回归方程模型，进一步提高了分析结果的准确性。本发明较佳的实施例中，检测结果的决定系数r2为0.9932，均方误差mse为5.6491，均方根误差rmse为2.3768，检出限为2.53μm，检测范围为5-100μm，10次平行测定的相对标准偏差rsd小于3.0％，加标回收率达到94％，单次检测成本约0.7元。此外，本发明的方法和系统检测操作简单、效率高，只需要将待测水样进行显色反应，拍摄图片并将图片输入计算机即可得到检测结果，检测周期约为18min，操作简便、获取结果快捷。可见，本发明具有成本低、操作简单、检测效率高、抗干扰能力强等显著优势，适用于自然水体中fe
2+
和fe
3+
浓度的快速检测，具有很好的应用前景。
[0027]
显然，根据本发明的上述内容，按照本领域的普通技术知识和惯用手段，在不脱离本发明上述基本技术思想前提下，还可以s做出其它多种形式的修改、替换或变更。
[0028]
以下通过实施例形式的具体实施方式，对本发明的上述内容再作进一步的详细说明。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实例。凡基于本发明上述内容所实现的技术均属于本发明的范围。
附图说明
[0029]
图1为μpads设计图。
[0030]
图2为添加噪声前后的μpads图像与滤波处理效果图，样品中fe
3+
浓度为100μm。(a)添加噪声前的原图；(b)添加噪声后的图像；(c)添加噪声的图像经均值滤波后的图像；(d)添加噪声的图像经中值滤波后的图像。
[0031]
图3为添加噪声前后的μpads图像与滤波处理效果图的直方图。(a)添加噪声前的直方图；(b)添加噪声后的直方图；(c)均值滤波后的直方图；(d)中值滤波后的直方图。
[0032]
图4为μpads检测区域灰度原图以及不同分割法的效果，样品中fe
3+
浓度为100μm。(a)μpads检测区域灰度原图；(b)阈值分割法处理效果；(c)边缘分割效果；(d)区域生长法效果。
[0033]
图5为盐酸羟胺浓度与色差d的关系图。
[0034]
图6为1,10-菲啰啉浓度与色差d的关系图。
[0035]
图7为不同浓度fe
3+
样品溶液的μpads图像(经分割后)。
[0036]
图8为单一特征值与fe
3+
溶液浓度之间的关系图。(a)与fe
3+
溶液浓度之间的关系图；(b)与fe
3+
溶液浓度之间的关系图。
[0037]
图9为单一特征值与fe
3+
溶液浓度之间的关系图。(a)与fe
3+
溶液浓度之间的关系图；(b)与fe
3+
溶液浓度之间的关系图。
[0038]
图10为单一特征值与fe
3+
溶液浓度之间的关系图。(a)与fe
3+
溶液浓度之间的关系图；(b)与fe
3+
溶液浓度之间的关系图。
[0039]
图11为不同干扰离子对100.0μm fe
3+
显色图像的影响；图中虚线表示对照组浓度。
具体实施方式
[0040]
需要特别说明的是，实施例中未具体说明的数据采集、传输、储存和处理等步骤的算法，以及未具体说明的硬件结构、电路连接等均可通过现有技术已公开的内容实现。
[0041]
实施例1基于多元性回归方程模型的铁离子检测方法和系统
[0042]
本实施例提供一种基于多元性回归方程模型的铁离子检测系统，包括：
[0043]
相机模块，用于拍摄化学显色体系的图片；
[0044]
分割模块，用于从所述化学显色体系的图片中分割出感兴趣区域；
[0045]
计算模块，用于计算所述感兴趣区域中rgb颜色空间和hsi颜色空间的各分量的变化值；并将至少两种分量的变化值作为特征，通过多元性回归方程模型分析待检测水样中铁离子的含量。
[0046]
所述化学显色体系所述化学显色体系包括附着在微流控纸芯片上的盐酸羟胺和1,10-菲啰啉，所述盐酸羟胺的附着量为0.622mg/cm2，所述1,10-菲啰啉的附着量为0.100mg/cm2。
[0047]
微流控纸芯片(μpads)的设计如下：
[0048]
μpads的具体结构如图1所示。μpads基底为5cm
×
5cm的疏水化纸张(见图中灰色区域)，疏水化纸张上粘贴着4个直径16mm的圆形亲水性纸片(见图中白色区域)，4个圆形纸片的圆心构成边长为2cm的正方形。其中，1-3号圆片为检测区域，用于进行3次平行测量，4号圆片用于对照空白试验。
[0049]
采用上述系统进行铁元素含量检测的方法包括如下步骤：
[0050]
步骤1，采用化学显色体系处理待检测水样，使化学显色体系发生颜色变化，拍摄化学显色体系的图片。具体步骤如下：
[0051]
(1)首先，取一张空白μpads，接着，在4个圆形纸片上分别添加25μl的盐酸羟胺/1,10-菲啰啉混合溶液，静置25min。
[0052]
(2)当μpads完全干燥后，再向4个圆形纸片分别添加15μl的1.4g/l的聚丙烯酸溶液，静置25min，当μpads完全干燥时，完成μpads的预处理过程。
[0053]
经预处理后的μpads可直接用于检测水体中的fe
3+
浓度。具体检测步骤如下：
[0054]
(1)取一张经过预处理的μpads，接着，在μpads的1-3号检测区域中分别添加25μl的待测样品，然后，在4号空白对照区域中添加25μl的ph＝1.5的稀盐酸溶液。
[0055]
(2)将μpads静置15min后，用工业相机采集μpads化学显色后的图像。采集系统如图1-3所示，具体过程如下：将化学显色后的μpads放在载物台上，载物台与工业相机镜头之间的距离为10cm，环形光源与镜头表面位于同一高度。之后，调整相机的光圈和光源的亮度，使图像亮度适宜，并保持该拍摄环境和条件始终一致。最后，使用电脑端visionbank mv机器视觉测量软件控制工业相机，拍摄化学显色后的μpads图像，图像存储格式为tiff，大小为1944
×
2592。
[0056]
步骤2，对所述图片进行中值滤波处理，从所述图片中分割出感兴趣区域，分割方法为边缘分割法。
[0057]
步骤3，计算所述感兴趣区域中rgb颜色空间和hsi颜色空间的各分量的变化值；
[0058]
所述分量的变化值按照如下公式计算：
[0059][0060]
其中，m代表rgb颜色空间或hsi颜色空间的分量，可以是r、g、b、h、i或s中的一种；mi为n个平行实验组中第i组的m的值；m
n+1
为加入空白水样的化学显色体系m的空白对照值。本实施例中，μpads上设置有三个用于平行实验组的圆形纸片，故n＝3。
[0061]
步骤4，以步骤3得到的至少两种分量的变化值作为特征，通过多元性回归方程模型分析待检测水样中铁离子的含量。
[0062]
作为一种优选的方案，本实施例中多元性回归方程模型为：
[0063][0064]
其中，y为铁元素的含量，单位为μm。为r的变化值，为b的变化值，为s的变化值。
[0065]
下面通过实验对本发明的技术方案作进一步的说明。以下实验例中未具体说明的步骤与实施例1相同。
[0066]
实验例1滤波方法筛选
[0067]
本实验例对步骤2中的滤波方法进行筛选。
[0068]
利用工业相机采集的μpads化学显色图像中通常含有噪声信号，噪声信号主要来源于光照和工业相机，通常以孤立点的形式，随机出现在图像中。本实验例利用matlab软件，对μpads化学显色后的图像分别进行均值滤波和中值滤波处理，并将处理后的图像进行
对比分析研究。实验步骤如下：
[0069]
(1)首先，用matlb软件中的imread函数读取μpads的显色图像。
[0070]
(2)接着，在图像中添加均匀随机分布的噪声，原图与添加噪声后的图像见图2(a)和图2(b)。
[0071]
(3)之后，将图像的颜色空间由rgb转换为hsi，再对hsi的3个分通道图像分别进行滤波处理。
[0072]
(4)将滤波后的分通道图像从hsi颜色空间转换到rgb颜色空间。
[0073]
均值滤波处理。采用matlab中的fspecial函数生成2维数字图像滤波器，参数type、parameters分别设置为average和3，再利用filter2函数对添加噪声后的图像进行均值滤波，滤波窗口为3
×
3的方形窗口，滤波后的图像见图2(c)。
[0074]
中值滤波处理。采用matlab中的medfilt2中值滤波器对添加噪声后的图像进行中值滤波，参数设置为[3,3]，滤波窗口为3
×
3的方形窗口，滤波后的图像见图2(d)。
[0075]
使用均值滤波平滑预处理图像时，随着窗口的扩大，图像的模糊程度越大，这种情况在图像轮廓边缘表现最为明显。中值滤波降噪能力相对较好，保留了图像更多的细节。从图3中可看出，中值滤波后的图像直方图(见图3(d))与原图形最为接近。因此，中值滤波对原始数据图像进行平滑预处理是较优的选择。
[0076]
实验例2感兴趣区域分割方法的筛选
[0077]
本发明获取的原始数据图像(拍摄的图片)上包含了μpads和拍摄背景，而颜色特征数据集中分布在μpads的4个圆形区域上。为准确获取这4个区域的图像数据，需要对原始图像进行分割，提取图像中的感兴趣区域(region of interest，roi)。
[0078]
为此，本实验例研究了阈值分割法、边缘分割法、区域生长法对分离出μpads图像中的roi区的效果。用于分割的图像均为μpads显色后的部分区域，该区域包含一个圆形亲水区域(即roi区)。
[0079]
首先用matlb软件中的imread函数，读取μpads的图像，再利用3
×
3的方形窗口对图像进行中值滤波。之后，利用rgb2gray函数，将图像转化为灰度图，如图4(a)所示。最后，对图4(a)进行分割。
[0080]
(1)阈值分割法。利用matlab软件中的graythresh函数，通过直方图法对灰度图进行了分割，然后利用im2bw函数对灰度图进行二值化处理，结果见图4(b)。其中白色代表圆形亲水区域，黑色代表蜡纸背景区域。此方法计算简单，但分割后的图像边缘区域存在较多毛刺，且背景区域可能存在部分白色孤立区域，目标与背景之间的识别效果不足。
[0081]
(2)边缘分割法。根据图像尺寸，经过计算测量，可知圆形区域半径范围为256-258。利用matlab软件，通过hough变换检测圆形轮廓圆心。根据得到半径和圆心位置作圆形，分割图像见图4(c)。图中的白色区域代表亲水区所在区域，黑色区域代表背景位置。此方法分离出的目标区域为完整的圆形，但在识别圆心的过程中，有时可能会出现偏差，导致最终分割出的区域偏离圆形区域的真实位置。
[0082]
(3)区域生长法。利用matlab软件中的graythresh函数，确定了灰度阈值。之后，选定了背景区域中的一点作为初始像素点，根据阈值判断相似性，进行区域像素的合并，即可得实现图像分割。图4(d)为分割结果的二值化图，其中白色代表圆形亲水区域，黑色代表蜡纸背景区域。此方法可以消除目标区域与背景区域内部的孤立点，但分离后的目标图像边
缘轮廓存在毛刺。
[0083]
对三种分割方法进行比较后发现，边缘分割法为较优的选择，其可以确保分离后目标区域为圆形，有效地保留μpads检测区域中的有效颜色信息。
[0084]
实验例3显色条件优化
[0085]
一、实验方法
[0086]
1、最优条件判断方法
[0087]
在同一颜色空间中，色差表示两种颜色之间的差异程度，可以通过两种颜色参数坐标之间的欧式距离来度量。在二维数字图像中，利用区域内各颜色分量的均值，可以产生一种新的颜色，该颜色代表区域的平均颜色。区域平均颜色之间的色差代表着区域之间的颜色差异。对于μpads显色图像，显色程度可以色差d来衡量，具体计算方法见如下公式：
[0088][0089]
其中，分别表示μpads显色图像检测区域与空白对照区域颜色分量r、g、b的平均值之差。
[0090]
在本方法中，色差d越大，μpads的显色情况越明显，显色图像中的有效信息越多，更有利于后续颜色特征的提取。因此，在显色条件优化实验中，选择最大d值对应的显色条件为最优条件。
[0091]
2、盐酸羟胺用量优化
[0092]
(1)溶液的配制
[0093]
首先，利用6.3m ph＝4.5的醋酸盐缓冲液稀释200g/l的盐酸羟胺溶液，得到浓度分别为100g/l、50g/l、20g/l、2g/l的盐酸羟胺溶液。
[0094]
然后，精确移取1ml的ph＝4.5的6.3m醋酸盐缓冲液至2ml 2g/l的盐酸羟胺溶液中，经均匀混合后，再向混合溶液中加入1ml的32g/l的1,10-菲啰啉溶液，混合均匀后，所得混合液记为1号混合液。
[0095]
之后，利用另外4种浓度的盐酸羟胺溶液，重复上述配制过程，制得4种混合液，分别记为2-5号混合液。
[0096]
实验配制得到的1-5号混合液中的盐酸羟胺浓度分别为1g/l、10g/l、25g/l、50g/l、100g/l，1,10-菲啰啉的浓度均为8g/l。
[0097]
(2)μpads的预处理
[0098]
取5组空白μpads，每组3张，记为1-5组。首先，在μpads的4个亲水圆形区域上分别滴加盐酸羟胺/1,10-菲啰啉混合液25μl，每组μpads上滴加的混合液标号与组号相同，同组μpads的实验流程相同。静置25min，待μpads完全晾干后，再在4个亲水区上分别滴加15μl的聚丙烯酸溶液。最后，将μpads静置晾干，所得μpads可用于盐酸羟胺浓度优化实验的样本测试。
[0099]
(3)μpads显色图像的采集与处理
[0100]
取一张经步骤(2)处理的μpads，在μpads上的3个检测区域上分别添加25μl 100μm的fe
3+
溶液，在对照区域添加的25μl ph＝1.5的稀盐酸溶液作为空白对照。随着溶液在毛细作用下的逐渐扩散，显色区域开始显现橙红色，越靠近亲水区的边缘位置，橙红色越浅，随
着显色反应的进行，显色区域的橙红色逐渐加深。将μpads静置15min后，再利用工业相机拍摄μpads的显色图像。最后利用matlab软件处理显色图像并提取颜色特征计算色差d。
[0101]
3、1,10-菲啰啉用量优化
[0102]
(1)溶液的配制
[0103]
利用6.3m ph＝4.5的醋酸盐缓冲液稀释32g/l的1,10-菲啰啉溶液，得到浓度分别为16g/l、8g/l、1.6g/l的1,10-菲啰啉溶液。
[0104]
精确移取1ml的ph＝4.5的6.3m醋酸盐缓冲液，加入到2ml 1.6g/l的1,10-菲啰啉溶液中，经均匀混合后，再向混合溶液中加入1ml的200g/l的盐酸羟胺溶液，混合均匀后，所得混合液记为6号混合液。
[0105]
利用另外3种浓度的1,10-菲啰啉溶液，重复上述配制过程，制得3种混合液，分别记为7-9号混合液。
[0106]
实验配制的6-5号混合液中的1,10-菲啰啉浓度分别为0.08g/l、0.8g/l、8g/l、16g/l，盐酸羟胺的浓度均为50g/l。
[0107]
(2)μpads的预处理
[0108]
取5组空白μpads，每组3张，记为6-9组。首先，在μpads的4个亲水圆形区域上分别滴加混合液25μl，每组μpads上滴加的混合液标号与组号相同，同组μpads的实验流程相同。待μpads完全晾干后，再在4个亲水区上分别滴加15μl的聚丙烯酸溶液。最后，将μpads静置晾干，所得μpads可用于1,10-菲啰啉浓度优化实验的样本测试。
[0109]
(3)μpads显色图像的采集与处理
[0110]
取一张经步骤(2)处理的μpads，在μpads上的3个检测区域上分别添加25μl 100μm的fe
3+
溶液，在对照区域添加的25μl ph＝1.5的稀盐酸溶液作为空白对照。接着，将μpads静置15min，再利用工业相机拍摄μpads的显色图像。最后利用matlab软件处理显色图像并提取颜色特征取颜色特征计算色差d。
[0111]
二、实验结果
[0112]
1、盐酸羟胺用量优化
[0113]
结果如图5所示。实验表明，随着盐酸羟胺浓度的增大，色差d逐渐增大，当盐酸羟胺浓度为50g/l时，d值达到最大，当盐酸羟胺浓度超过50g/l时，d值减小，但变化趋势较平稳。综上，当盐酸羟胺浓度为50g/l时，为较优用量。经过换算，盐酸羟胺浓度为50g/l时，其在μpads上的用量为0.622mg/cm2。
[0114]
2、1,10-菲啰啉用量优化
[0115]
以色差d衡量显色差异程度，1,10-菲啰啉浓度对色差d的影响如图6所示。结果表明，随着1,10-菲啰啉浓度的增大，色差d逐渐增大，当1,10-菲啰啉浓度超过8g/l时，d值最大，当1,10-菲啰啉浓度超过8g/l时，d值变小，但相对于低浓度时的变化趋势较小。综上，当1,10-菲啰啉浓度为8g/l时，为较优用量。经过换算，1,10-菲啰啉浓度为8g/l时，其在μpads上的用量为0.100mg/cm2。
[0116]
实验例4多元性回归方程模型的构建
[0117]
一、铁离子纸芯片数字图像数据集的获取
[0118]
为构建定量检测模型，首先需要测定不同浓度的fe
3+
标准样品溶液，获取显色图像中roi的颜色特征值为定量模型的研究提供数据基础。具体步骤如下：
[0119]
(1)首先，取250μl 10mm的fe
3+
储备液，用ph＝1.5的稀盐酸溶液进行稀释，在250ml定容瓶中定容，得到浓度为100μm的fe
3+
工作液。然后，再用上述稀盐酸溶液对fe
3+
工作液作进一步稀释，得到一系列浓度在0-100μm之间的fe
3+
测试溶液，该系列fe
3+
测试溶液浓度分别为：0μm、5μm、10μm、15μm、20μm、25μm、30μm、35μm、40μm、45μm、50μm、55μm、60μm、65μm、70μm、75μm、80μm、85μm、90μm、95μm、100μm，梯度为5μm，共21个浓度梯度。
[0120]
(2)随后，取一张经过预处理的μpads，在1-3号检测区域上滴加25μl既定浓度的fe
3+
待测溶液，在4号对照区域上滴加25μl的上述稀盐酸溶液作为空白对照。待样品在纸芯片上显色后，静置15min，再将μpads置于载物台上进行拍摄，得到一幅tiff格式的数字图像。
[0121]
(3)接着，使用matlab软件，对图像进行中值滤波和边缘分割，然后提取1-4号亲水区的rgb颜色分量，并转换为hsi颜色分量。接着，对于每个圆片区域，分别取各个颜色分量的平均值，将3个检测区域颜色分量均值的算数平均值减去对照区域相应的颜色分量均值，得到得到这6个均量增值。
[0122]
(4)最后，重复上述实验步骤(2)和(3)，采集0-100μm浓度范围内每个浓度梯度样品的数字图像，每种浓度梯度开展10次平行实验，共采集210个fe
3+
的μpads数字图像。
[0123]
不同浓度fe
3+
的μpads数字图像如图7所示。表观上，当待测样品中fe
3+
溶液浓度增大时，μpads检测区域呈现出明显的颜色变化。
[0124]
利用matlab软件对采集到的μpads化学显色图像进行进一步处理，提取并计算roi中这6类均量增值。然后对10次平行实验中所得的6类均值增量数据分别进行算术平均，所得均值分别代表每种浓度fe
3+
溶液对应的颜色特征值不同浓度fe
3+
样品的μpads化学显色数字图像颜色特征值见表1。
[0125]
表1不同浓度fe
3+
样品的μpads化学显色数字图像颜色特征值
[0126][0127]
二、铁离子浓度的数字图像定量模型
[0128]
fe
3+
浓度的μpads数字图像定量模型是实现水体样品中fe
3+
浓度测量的关键，其可靠性直接影响定量分析的精准度。本实验例采用靠性直接影响定量分析的精准度。本实验例采用这6个颜色特征，研究了它们与样品中fe
3+
浓度的定量关系，建立相应的定量模型。
[0129]
首先，分别采用一元回归和多元回归来构建检测模型，通过决定系数r2、均方误差(mean square error，mse)以及均方根误差(root mean square error，rmse)来评价回归效果，计算公式如下：
[0130][0131]
[0132][0133]
其中，yi表示第i个样本浓度的真实值，yi表示第i个样本浓度的预测值，表示所有样本浓度的平均值，m表示样本总数。
[0134]
(1)一元回归分析
[0135]
为研究各特征值与fe
3+
浓度之间的线性相关程度，本实验例利用matlab软件中的regress函数，对6个颜色特征值分别进行了一元回归分析。单一特征值与fe
3+
浓度之间的关系图分别见图8-10。
[0136]
经计算，在这些单一分量中，与fe
3+
浓度之间的线性相关关系明显，其一阶线性回归方程为：
[0137][0138]
其中y为待测溶液中fe
3+
浓度，单位为μm。拟合方程的决定系数r2为0.9912，均方误差mse为7.3386，均方根误差rmse为2.7090。
[0139]
(2)多元线性回归
[0140]
经上述的一元回归分析可知，单一特征值分量中，除外，其他的5个特征值与fe
3+
浓度之间的线性关系不明显。为此，本实验例根据rgb和hsi颜色空间，将这6个特征分成两类，对这两个颜色空间各自的分量进行多元线性回归，分析拟合方程的预测效果。
[0141]
本文利用matlab软件中的regress函数，对分量进行多元线性回归，之后，再对分量进行多元线性回归，回归方程如下：
[0142][0143][0144]
其中y表示待测样品中fe
3+
浓度，单位为μm。的回归方程的决定系数r2为0.9209，均方误差mse为65.7714，均方根误差rmse为8.1100。的回归方程的决定系数r2为0.9932，均方误差mse为5.6916，均方根误差rmse为2.3857。
[0145]
实验结果表明，hsi颜色空间的多元线性回归效果优于所有单一分量的拟合效果。对于单一颜色空间内的多元线性回归，hsi的拟合效果更佳。
[0146]
为进一步探究特征值与fe
3+
浓度之间关系模型，本实验例研究分析了二元线性回归的拟合效果。为同时考虑两种颜色空间的分量，本文从rgb和hsi两个颜色空间内的分别选取1个分量，进行二元线性回归。对于hsi颜色空间，只有与fe
3+
浓度之间的线性相关关系明显。因此，在hsi颜色空间中，应优先选择特征值
[0147]
三种不同的特征选择方式得到的回归方程如下：
[0148][0149]
[0150][0151]
的回归方程决定系数r2为0.9931，均方误差mse为5.7127，均方根误差rmse为2.3901。的回归方程决定系数r2为0.9930，均方误差mse为5.7976，均方根误差rmse为2.4078；的回归方程决定系数r2为0.9931，均方误差mse为5.7295，均方根误差rmse为2.3936。由实验结果可知，两类颜色空间内的二元线性回归的拟合优度相似。
[0152]
在上述二元线性回归的基础上，本文从rgb颜色空间内选取2个分量，结合与hsi空间中的分量研究其多元回归的拟合效果。不同分量组合对应的回归方程如下：
[0153][0154][0155][0156]
的回归方程决定系数r2为0.9931，均方误差mse为5.7031，均方根误差rmse为2.3881；的回归方程决定系数r2为0.9931，均方误差mse为5.7044，均方根误差rmse为2.3884；的回归方程决定系数r2为0.9932，均方误差mse为5.6491，均方根误差rmse为2.3768。
[0157]
三、浓度计算模型的选择
[0158]
上述9种回归方程的拟合效果如表2所示。经对比分析，基于上述9种回归方程的拟合效果如表2所示。经对比分析，基于的多元线性回归方程mse和rmse最小，且r2最大，拟合程度最佳。
[0159]
表2不同回归方法性能对比
[0160][0161]
因此，选择颜色特征分量来计算fe
3+
浓度是较优的选择。
[0162]
实验例5方法分析性能
[0163]
本实验例研究实施例1的方法的分析性能。
[0164]
一、抗干扰能力
[0165]
实际自然水体样品基体复杂，含有许多的干扰离子，可能会对本方法的测量结果产生干扰。为此，本实验例考察了本方法抗其他金属离子的干扰能力。具体实验步骤如下：
[0166]
(1)首先，用移液枪移取20μl 1000mg/l的mg
2+
溶液至2ml的100μm的fe
3+
溶液中，混合均匀后，所得溶液记为1号样本，此时mg
2+
干扰离子的浓度为10.0mg/l。
[0167]
(2)重复步骤(1)，利用pb
2+
、ni
2+
、cu
2+
、zn
2+
、co
2+
、ca
2+
这6种单一干扰离子溶液进行样本溶液的配制，所得样本溶液分别记为2-7号样本，样本中的干扰离子浓度均为10.0mg/l。然后，用移液枪移取20μl超纯水至2ml的100μm的fe
3+
溶液中，混合均匀后，所得溶液记为8号样本，用作对照实验。
[0168]
(3)接着，用μpads检测1-8号样本其中8号样本用于空白对照实验，利用工业相机采集显色图像。
[0169]
(4)最后，利用matlab软件处理1-8号样本对应的μpads数字图像并提取图像颜色特征值，计算fe
3+
浓度测定值。
[0170]
实验结果表明(如图11)，当样本中干扰离子浓度为10.0mg/l时，μpads的fe
3+
浓度测定值无明显变化，相对标准偏差rsd为2.93％.。实验结果表明，在10.0mg/l浓度的金属离子干扰下，本发明提出的μpads具有较好的抗干扰能力。
[0171]
增加干扰离子的量，当样本溶液中干扰离子浓度为100.0mg/l时，对于mg
2+
、pb
2+
、ni
2+
、zn
2+
、ca
2+
这5种重金属离子，μpads依旧具有较好的抗干扰能力，但无法克服cu
2+
、co
2+
的影响。此时，co
2+
与1,10-菲啰啉反应，生成桔黄色络合物，cu
2+
则会使μpads呈现明显的蓝色。但在，在自然水体中，cu
2+
和co
2+
的浓度水平一般低于10.0mg/l。因此，本发明的方法并不会受到样本中cu
2+
和co
2+
的影响。
[0172]
综上，本发明提出的方法可以满足自然水体中fe
3+
的定量分析，且具有较好的金属离子抗干扰能力。
[0173]
二、检出限
[0174]
根据国际纯粹与应用化学联合会(iupac)规定，检出限(limit of detection，lod)定义为分析信号的3倍信噪比对应的浓度测定值。对本发明方法的检出限进行了考察，实验步骤如下：
[0175]
(1)以ph＝1.5的盐酸溶液为空白样本，利用μpads检测空白样本10次，并用工业相机采集显色图像。
[0176]
(2)利用matlab软件对显色图像进行处理并提取显色图像的颜色特征值，计算10次实验中各颜色特征值的标准偏差。
[0177]
(3)计算3倍标准偏差的颜色特征值对应的fe元素含量测定值，该测定值即为检出限。
[0178]
通过μpads的空白样品实验，计算得到本文提出的检测方法检出限为2.53μm。生活饮用水卫生标准(gb 5749-2006)和地表水环境质量标准(gb3838-2002)规定，fe含量不应超过0.3mg/l，转换成质量浓度则为5.37μm。因此，本发明提出的方法的检出限满足自然水体中的fe元素检测的需求。
[0179]
三、加标回收率
[0180]
为考察本方法的准确性和实际样品分析能力，本实验例从成都市高新西区的清水河中采取水体样本，开展实际样品加标回收实验。具体步骤如下：
[0181]
(1)首先，从清水河中取水样500ml，利用抽滤机和0.45μm孔径的滤膜过滤水样后保存，然后移取250μl的浓盐酸溶液至250ml水样中，混合均匀后，得到酸化水样。
[0182]
(2)移取100μl ph＝1.5的10mm fe
3+
溶液至99.90ml水样中，均匀混合后，得到1号加标样本。之后，移取200μl的上述fe
3+
溶液至99.8ml水样中，均匀混合后，得到2号加标样本。移取400μl的上述fe
3+
溶液至99.6ml水样中，均匀混合后，得到3号加标样本。移取800μl的上述fe
3+
溶液至99.2ml水样中，均匀混合后，得到4号加标样本。此时，1-4号加标样品中fe
3+
的加标浓度分别为10μm、20μm、40μm、80μm。
[0183]
(3)用采用本课题提出的方法分别检测酸化水样和4种加标水样中的fe
3+
含量。计算4种加标情况下的加标回收率，计算方法见如下：
[0184][0185]
其中，r代表加标回收率，y0代表酸化水样中的加标浓度，y1代表酸化水样检测到的fe元素含量，y2代表加标水样检测到的fe元素含量。5种水样通过μpads测定出的fe元素浓度值以及加标回收率见表3。
[0186]
表3基于μpads的实际水样及其加标样品中fe
3+
的检测结果
[0187][0188]
由表可知，加标回收率达到94％以上。因此，本方法准确率高，具有较好的实际检测能力，可用于自然水体的fe
3+
浓度的定量检测。
[0189]
四、方法精密度
[0190]
精密度表示测量的再现性，是保证准确度的先决条件。为此，本实验例对本方法的精密度进行了考察，实验步骤如下：
[0191]
(1)首先，用μpads分别检测20μm、40μm、80μm浓度的fe
3+
溶液，每种浓度测定10次，并用工业相机采集显色图像。
[0192]
(2)接着，通过中值滤波和图像分割，提取显色图像的颜色特征值按照。计算显色图像对应的浓度测定值。
[0193]
(3)计算同一浓度水平下的10次实验测定值的标准偏差。
[0194]
在3种浓度水平下，检测结果的标准偏差见表4。由表可知，相对标准偏差在3.0％以内，方法精密度良好。
[0195]
表4基于μpads的不同浓度fe
3+
溶液的10次测量值的相对标准偏差
[0196][0197]
五、成本分析
[0198]
根据试剂和耗材的使用量，本实验例对μpads的单次检测成本进行了研究分析。检测方法的成本可分为3个部分。
[0199]
(1)空白μpads的制作。μpads主要由一张5cm
×
5cm的疏水化纤维素纸片以及4个直径16mm的圆形纤维素纸片构成，利用一张20cm
×
20cm纤维素纸片可以制作出8张空白μpads，纸片的疏水化处理则需要消耗约0.2g的白石蜡.
[0200]
(2)μpads的预处理。空白μpads需要经过两次试剂的添加，第一次共需消耗100μl的混合液，混合液中含有50g/l的盐酸羟胺以及8g/l的1,10-菲啰啉。第二次共需消耗60μl的1.4g/l的聚丙烯酸溶液。混合液和聚丙烯酸溶液中都是采用6.3m的醋酸盐缓冲液配制的。
[0201]
(3)样本的检测。μpads用于检测水体中的fe元素含量时，需要对水样进行酸化。检测时共需消耗75μl的水样以及25μl的ph＝1.50的稀盐酸溶液，相当于共消耗100ul的稀盐酸溶液。
[0202]
统计上述3个部分中各项试剂与耗材的总使用量，结合购买价格，对检测成本进行分析。结果如表5所示，本发明所提出的方法的单次检测成本约为0.70元。现有的基于仪器分析检测水体样品中fe
3+
浓度的方法的成本约为5.0～35元/样不等，可见本发明所提出的方法的分析成本远低于现有方法。
[0203]
表5μpads的单次检测成本分析
[0204][0205][0206]
通过上述实施例和实验例可以看到，本发明构建了一种水样中fe元素含量的检测方法，优化了检测过程中的显色条件、图像处理方法和用于计算结果的模型，实现了高准确度的检测。本发明的方法在保证抗干扰能力、检测限、加标回收率和精密度等性能的基础
上，大幅降低了检测成本。此外，与现有检测水体中fe
3+
浓度的方法相比，本发明还具有操作简单化、使用便携化以及检测结果快速化的独特优势，具有很好的应用前景。