秦永乐，张校亮，谭 慷，李晓春

(新型传感器与智能控制教育部与山西省重点实验室，太原理工大学物理与光电工程学院，山西太原 030024)

0 引言

光谱分析法是检测物质成分及其含量的常用方法之一，广泛应用于生物、化学、医学、环境等方面的检测[1-3]。光谱仪是进行光谱分析时所需的基本仪器，传统光谱仪结构复杂、体积大、价格昂贵。研究开发小型、便携式的光谱仪已经成为光谱分析中重要的发展方向[1,4]。

近年来，随着智能手机技术的快速发展及广泛普及，基于智能手机的光谱分析技术引起了众多研究人员的关注[5-6]。2013年，Gallegos等人通过外置白光光源、衍射光栅和智能手机开发了光谱分析装置，利用抗原抗体特异性结合引起光子晶体的禁带偏移的原理，通过分析光子晶体的禁带的移动实现了对猪免疫球蛋白的免标记定量检测[7]。2014年，Long等人以卤素灯为光源，采用准直透镜组和商用衍射光栅，结合智能手机摄像头，搭建了可用于ELISA反应的光谱分析装置[8]。2016年，Wang等人以外置LED灯为光源，DVD光盘中具有周期沟槽结构的聚碳酸酯层作为衍射光栅，搭建了基于智能手机光谱仪，通过对溶液吸收光谱的分析，实现了罗丹明溶液和神经毒素对氧磷的定量检测[9]。2017年，Ozdemir等人以手机自带LED灯为光源，分别以PMMA塑料光纤和商用光栅为导光介质和分光原件，结合智能手机实现了废水中染料污染物的定量检测[10]。2018年，Zhang等人开发了基于光栅耦合的表面等离子体共振智能手机生物传感器，选择基于CD光盘结构用紫外固化压印法来制得检测基底，最后实现了对脂多糖的定量检测[11]。由于智能手机自身有LED光源，设计相应的折返光路，可以将其用作光谱仪的宽带光源。DVD光盘中的具有周期凹槽结构的聚碳酸酯层可以用作光谱仪的衍射光栅。因此，以手机内置LED灯为光源，用DVD光盘中的聚碳酸酯层作为衍射光栅所开发的智能手机光谱分析检测装置具有设计简易、操作简单、成本低等优点。

六价铬是水中重金属污染物之一，易被人体吸收和蓄积并具有致癌作用。其污染源主要来自于含铬矿石的加工、金属表面处理、皮革鞣制、印染等行业[12]。随着近几年工业污染加重，对于水中重金属六价铬离子含量的检测也变得更加重要。国家严格规定生活饮用水中六价铬的水质标准为0.05 mg/L[13]，因此，对水中的六价铬含量进行快速定量检测具有重要意义。目前，对于水中铬的测定方法主要有基于二苯碳酰二肼显色剂的分光光度法、原子吸收分光光度法、等离子发射光谱法、阳极溶出伏安法和硫酸亚铁铵滴定法等[14-16]。其中，基于显色的分光光度法操作简单，被广泛应用[17-18]。

本文以手机内置LED灯为宽带白光光源，利用DVD光盘中具有周期沟槽结构的聚碳酸酯层作为衍射光栅进行分光，搭建了一套基于智能手机的吸收光谱分析装置，以二苯碳酰二肼为显色剂，结合显色反应与分光光度法实现了对水中六价铬离子的定量检测，其检测限为0.02 mg/L。

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

智能手机(畅享7 Plus TRT-AL00A)，双胶合消色差透镜，紫外可见分光光度计(UV-3100)，SK-1快速混均器，Pipet-Lite XLS手动单通道移液枪，超纯水仪，DVD-R光盘(4.5 GB)，窄带滤光片及其他光学元件及支架，10 mm石英比色皿，实验用的红色墨水为喷墨打印机(R270系列)原供墨水，铬酸钾标准液和乙醇，显色剂二苯碳酰二肼、硫酸、磷酸和丙酮。

1.2 样品的配置

配置不同浓度的红色墨水样品，分别取10、20、30、40、50 μL的原供红墨水，加超纯水至10 mL，得到稀释后墨水的体积分数分别为0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%。

将标准铬离子溶液用超纯水依次稀释为500、20、1 mg/L；进一步分别取1、2、4、6、8 mL的质量浓度为1 mg/L溶液，均加水至10 mL配得浓度梯度为0.1、0.2、0.4、0.6、0.8 mg/L的标准铬离子溶液；同理，分别取2、4、5、 6、8 mL质量浓度为0.1 mg/L的溶液，加超纯水至10 mL，配得浓度梯度为0.02、0.04、0.05、0.06、0.08 mg/L的铬离子标准液。

铬离子显色反应：先取不同浓度的铬离子标准溶液各1 000 μL，加入1∶1的硫酸和磷酸溶液各20 μL，然后再加入50 μL显色剂(显色剂由0.2 g二苯碳酰二肼溶入10 μL丙酮和10 μL乙醇制得)。混匀后使其均匀显色约10 min。

1.3 实验装置及原理

所设计的智能手机光谱仪光路结构如图1所示，以手机内置LED灯为白光光源，光经过一个孔径光阑进入一个100 μm的针孔中，然后通过消色差透镜，准直为平行光，依次通过比色皿、反射镜1、光学衰减片、反射镜2、柱透镜，最后通过自制的DVD衍射光栅后进入手机摄像头中。窄带滤光片用于实验前的波长校准。利用CMOS感光传感器在智能手机上捕获到相应的光谱图，然后利用Image J软件，将光谱图像转化为灰度值，用灰度值代替光强值，扣除纯水背景后得到对应样品吸收光谱强度曲线。最后，基于朗伯比尔定律，在浓度与吸光度之间建立定量检测的标准曲线。

图1 智能手机光谱仪装置示意图

2 结果与讨论

2.1 基于DVD光栅的制备

将DVD-R光盘剪切一块40 cm×40 cm的光盘盘片，从中间机械剥离成2片，将其中带有蓝色染料的聚碳酸酯盘片放入乙醇溶液中，然后超声处理15 min以除去染料层，用乙醇和超纯水清洗后吹干后，用作文中智能手机光谱仪装置的衍射光栅。图2为DVD光栅的原子力显微镜下的周期结构表征图以及凹槽结构的截面图，该光栅周期约740 nm(1 351 mm-1)与常见的商用光栅(周期1 200 mm-1)相当。

(a)衍射光栅的AFM结构表征

(b)横截面图图2 衍射光栅的AFM表征及横截面图

2.2 光谱图的像素位置与波长关系的校准

在开始测量样品溶液实验前，通过3种不同波长的窄带滤光片(中心波长分别为630、535、430 nm)，获得相应的光谱图像如图3(a)所示，图3(b)为校准前滤光片的像素位置与透光率的关系图。

(a)用于仪器校准的3种滤光片的光谱图像

(b)3种滤光片的透射谱图3 用于仪器校准的3种滤光片的光谱

通过建立像素-波长关系将从智能手机相机读取的光谱图像的像素位置转换为波长。转换为波长后，该智能手机光谱仪装置的波长分辨率为0.22 nm/像素。在这里，可以通过使用具有更小像素尺寸和更大像素数量的智能手机，来进一步提高仪器分辨率，同时，该分辨率也与光栅周期有关，周期越小，其分辨率越高。

2.3 红墨水的检测

为了评估和验证该光谱分析装置的性能，首先以红墨水作为实验样品。图4为智能手机光谱仪装置对空白及不同浓度红墨水溶液采集到的光谱图像。从图4可以看出，随着墨水浓度增加，其光谱图像中间绿光成分的吸收增强，即在某特定波长范围内溶液的吸光度在逐渐增强。

图4 不同浓度红墨水的实验光谱图片

用Image J软件对光谱图像分析后，用SigmaPlot得到如图5(a)所示的吸收光谱。图5(b)为相同样品溶液用紫外-可见分光光度计的吸收光谱，可以看出，二者所得样品吸收光谱具有良好的一致性，说明通过该手机光谱仪装置可以得到比较准确的样品吸收光谱。

2.4 铬离子的检测

在酸性条件下，六价铬可与二苯碳酰二肼反应，生成紫红色络合物，其最大吸收波长为540 nm[12]。图6(a)为用本文装置采集到的光谱图像经过数据处理后得到的吸收光谱图，图中展示的是部分浓度样品的数据。从图中可以看出，其最大吸收峰在约540 nm处，随着铬离子浓度的增大，吸光度逐渐增大。如图6(b)所示，吸光度与铬离子浓度之间具有良好的线性关系，拟合得到的线性方程为y=0.963 0x+0.000 6，其中R2=0.996 7，检测限为0.02 mg/L。

(a)智能手机光谱仪测得的红墨水样品的吸收光谱

(b)分光光度计测得的红墨水样品的吸收光谱图5 智能手机光谱仪和分光光度计测得的红墨水样品的吸收光谱对比

2.5 自来水中六价铬的检测

以自来水为溶剂，分别配制了5份添加了铬离子的自来水水样作为待测样品，其中铬离子浓度分别为0、0.05、0.1、0.15、0.2 mg/L，编号依次为1、2、3、4、5。分别采用智能手机光谱仪装置和紫外-可见分光光度计对样品进行定量检测。如图7所示，铬离子的检测量与水中加标的浓度有明显的正比关系，从图7可见，该装置的检测结果与紫外可见分光光度计的结果基本一致。

3 结论

(a)不同浓度铬离子的显色产物的吸收光谱

(b)铬离子浓度与吸光度的关系图6 不同浓度铬离子的显色产物的吸收光谱及铬离子浓度-吸光度关系

本文开发了一套基于智能手机和DVD光盘光栅的光谱仪装置，选择3种不同波长窄带滤光片来进行波长校准。利用该装置，结合显色反应和分光光度法，实现了水中重金属六价铬离子的定量检测。其检测限为0.02 mg/L，满足国标对饮用水中六价铬的水质检测标准0.05 mg/L的要求。本方法及装置具有灵敏度高、成本低、易推广等优点，可用于生物、化学、医学、环境检测等领域。

图7 智能手机光谱仪与紫外可见分光光度计检测结果对比图