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基于纸基纳米金的重金属检测系统算法研究及软件设计

  • 发布日期:2018-08-08
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本文是一篇硕士医学论文,医学论文格式由以下6部分组成:论文题目;作者署名、工作单位和邮编;摘要(目的、方法、结果、结论);关健词;正文(资料与方法、结果、结论)参考文献。(以上内容来自百度百科)今天为大家推荐一篇硕士医学论文,供大家参考。
 
1 绪 论
 
随着中国工农业及城市化的高速发展,重金属已对大气、土壤、水体等环境介质造成严重污染。且由于环境保护意识相对薄弱,治理措施落实不力,使得污染形势愈加严峻。同时,由于重金属具有累积性、持久性和潜伏性等特点,可在大气、土壤、水体和生物体之间不断迁移、转化和富集,使得“环境—农产品—人体”体系中各环节均存在潜在被污染风险。及时检出重金属含量,对追溯重金属污染来源、切断或阻止污染扩散、最大程度降低危害发生的概率具有重要意义。
 
1.1 重金属污染现状及危害
将原子密度大于 5g/cm3的金属元素称为重金属,主要包括铬(Cr)、镉(Cd)、铅(Pb)、汞(Hg)、铜(Cu)、钴(Co)、砷(As)、镍(Ni)等约 45 种[1]。从毒性角度上一般将硒(Se)和铝(Al)也包括在内[2]。重金属污染物通过在不同环境介质中的迁移,对环境中的任何环节均造成严重污染[3],重金属的迁移过程如下:在重金属迁移体系中,大气、土壤、水体等环境介质正受到重金属污染的威胁。在大气污染方面:秦俊法等人估算出中国 1953-2005 年间因燃煤累计向大气排放了 19.1 万吨铅[4],在 1980-2006 年间因燃油累计向大气排放了 20 万吨铅[5]。在土壤污染方面:据调查估计,中国受重金属污染的土地面积高达 3 亿亩[6],耕地的10%可能伴随重金属污染[7],在约 140 万 hm2的污灌区中遭受重金属污染的土地面积约占 64.8%[8]。在水体污染方面:国内发生过数起严重的水体重金属污染事件[9],如2006年湘江湖南株洲段镉污染事件、2011年云南曲靖南盘江铬渣污染事件、2012年广西宜州龙江镉超标事件等。重金属通过大气、土壤、水体等环境介质进行迁移,最终导致了农产品重金属含量超标:2002 年,由农业部进行的稻米安全性抽查结果显示 28.4%的稻米含铅量超标,10.3%的稻米含镉量超标[7]。此外,我国每年因重金属污染造成粮食减产 1000 多万吨,被污染的粮食高达 1200 万吨,合计造成经济损失 200 多亿元[10]。综上,我国当前的重金属污染严重,已对大气、土壤、水体及农产品造成严重危害。重金属还会通过“环境—农产品—人体”的途径进入人体内,对人体健康造成极大危害。过量重金属对人体的危害方式主要是通过与体内蛋白质中的羧基、羟基等酶活基团结合或置换活性酶中的其它金属离子从而导致酶失活[11,12],进而引发病变或疾病。在重金属元素中又以 Hg、Cd、Cr、As、Pb 毒性最大,称为“五毒”重金属。这些重金属元素很难在水中被分解,甚至还能与水中的其它毒素相结合,形成毒性更大的物质,对细胞、骨骼、神经等造成不可逆的损伤,其对人体的危害如表 1.1 所示[13]。
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1.2 重金属检测技术的研究与发展
重金属检测从传统检测方法不断发展而来,到目前为止已转变为以仪器检测为主的格局。最常用的检测技术主要有光谱/质谱法、电化学分析法等。近年来,生物学方法和新型纳米材料法也取得了迅猛发展。原子发射光谱法(Atomic Emission Spectrometry, AES)[15]根据试样中不同原子或离子在热激发或电激发下发射特征的电磁辐射进行元素的定性和定量分析。具有选择性好、分析速度快、分析灵敏的优点,但同时存在设备昂贵的不足,且在检测高含量元素时误差较大,对超微量元素的检测又不够灵敏。原子荧光光谱法(Atomic Fluorescence Spectrometry, AFS)[16]的原理是原子蒸汽吸收一定波长的光辐射时被激发而发射出一定波长的原子荧光,按荧光波长分布即可进行分析。具有试样少、选择性强的优点。但也存在检测范围窄的不足,且对于荧光的产生过程和化合物结构的关系还需深入研究。
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2 基于纸基纳米金的重金属检测系统
 
纸基纳米金用于重金属检测具有稳定、精确、检测限低的优势。在纸基纳米金检测重金属的化学原理和操作流程基础上,介绍了检测系统的总体结构和设计。在检测系统中,算法研究和软件设计是系统的核心,因此对检测系统中的算法和软件进行了重点介绍。
 
2.1 基于纸基纳米金的重金属检测原理
纳米金颗粒 Au-NPs 是指直径在 1~100nm 的微小金颗粒[92]。Au-NPs 在较高的消光系数下(108-1010M-1cm-1)具有很强的表面等离子共振吸收效应(SurfacePlasmon Resonance, SPR)[53],发生肉眼可辨的颜色变化。由于 Au-NPs 与入射光之间存在自由电子相互作用,当入射光与自由电子发生共振耦合时,会产生表面等离子体共振,显示出较强的吸收峰,通过该吸收峰即可确定 Au-NPs 的尺寸范围和颗粒的聚集程度。Au-NPs 的特征等离子体吸收峰(510~550nm)随粒子间距的减小或粒子尺寸的增加发生红移[93]。Au-NPs 在宏观上表现为暗红色,当 Au-NPs聚集到一定程度时,即 2 个颗粒的间距小于粒径的 2 倍时,Au-NPs 的颜色就会发生明显的变化[94]。利用 Au-NPs 的 SPR 特性可进行重金属离子检测,当重金属离子在特定的反应溶液中与 Au-NPs 发生反应时,重金属离子促使 Au-NPs 发生聚集,从而产生颜色变化,如图 2.1 所示。颜色的变化程度与重金属离子的浓度相关。
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2.2 系统功能分析
为对基于纸基纳米金的重金属检测系统进行研究,需在纸基纳米金检测重金属的流程基础上进行系统功能设计。针对图 2.3 所示的检测流程,从设备工作流程的角度可分为前处理阶段和分析阶段:前处理阶段主要包含加液、水浴、清洗、烘干步骤;分析阶段主要包含图像采集、特征提取和特征分析步骤。如图 2.4 所示:系统功能主要包含:实现稳定前处理流程的前处理阶段和精确提取特征值并进行分析的分析阶段,具体的:前处理阶段可自动实现前处理流程中的各功能,主要包含:1)加液功能:对加入的液体体积进行精确控制,实现多种液体的加入,可根据加液需求设置加液顺序和体积;2)水浴功能:包含有专门的水浴腔,可对水浴腔中的液体温度进行调控,并可设定水浴的时间,实现恒温和定时控制;3)清洗功能:在水浴完成后自动取出纸基或排出反应腔内的反应液,用去离子水清洗纸基,设定合适的去离子水的单位体积流量,并可实现清洗时间设定;4)纸基烘干功能:清洗完成后自动取出纸基或排出清洗液,采用干燥气体进行纸基烘干,可设定烘干温度和时间。
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3 基于 HSI 和 SRG 的两阶段图像处理算法........ 21
3.1 纸基纳米金阵列图像......... 21
3.2 图像处理算法框架............. 22
3.3 第一阶段处理算法............. 22
3.4 第二阶段处理算法............. 28
3.5 图像处理算法效果评价..... 32
3.5.1 精度和稳定性评价...... 32
3.5.2 自适应效果评价.......... 34
3.6 本章小结......... 35
4 基于 ν-SVR 的浓度识别算法 ......... 37
4.1 支持向量回归机....... 37
4.2 数据选取及处理....... 43
4.3 基于软 ε-SVR 的浓度识别.......... 44
4.4 基于 ν-SVR 的浓度识别.... 47
4.5 浓度识别效果评价............. 49
4.6 本章小结......... 55
5 系统软件设计.... 57
5.1 开发环境介绍........... 57
5.1.1 S3C6410 处理器简介 ............. 57
5.1.2 Linux 开发环境搭建 .... 58
5.2 软件需求分析........... 59
5.3 软件总体设计........... 61
5.4 软件功能模块设计............. 62
 
5 系统软件设计
 
软件作为系统的控制核心,需按照软件开发规范流程进行软件设计,确保软件符合规范和要求。本论文按需求分析、软件设计、编码实现、软件测试等步骤进行重金属检测系统的软件设计和开发[107]。软件测试结果表明设计的软件功能正常,现实可用。
 
5.1 开发环境介绍
本课题设计的基于纸基纳米金的重金属检测系统中的上位机由 ARM11(S3C6410)核心板搭建,上位机系统由 Linux 系统构成,因此对 S3C6410 核心板和 Linux 系统进行简要介绍。作为一款智能检测设备,选择合适的嵌入式处理器至关重要。考虑本系统的集成度、需求、体积等因素,选用友善之臂公司的 Tiny6410 开发板作为主控系统。Tiny6410 开发板的核心是由 Samsung 公司生产的基于 ARM1176JZF-S 核设计的16/32 位 RISC 微处理器 S3C6410,具有强大的多媒体和图像处理能力,还可通过一个优化接口连接外部存储器,整体功能较强,且成本较低。开发平台如图 5.1 所示,其中,图 5.1(a)为 S3C6410 核心板的内部结构图,图 5.1(b)为本系统采用的Tiny6410 开发板实物图。
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总结
 
及时检出重金属含量对重金属污染防治具有重要意义,本论文在纸基纳米金检测重金属的优异性能基础上,针对基于纸基纳米金的重金属检测系统中的算法进行了深入研究,并对软件进行了详细设计。在算法研究方面:针对纸基纳米金阵列的颜色特征提取,提出了一种基于 HSI 和 SRG 的两阶段图像处理算法,实现了纸基特征的精确、稳定及自适应提取。此外,针对基于纸基纳米金的重金属离子浓度定量识别,采用 ν-SVR 模型实现浓度识别,并与多项式非线性回归识别和BP 神经网络识别效果进行对比评价,结果表明基于 ν-SVR 模型的识别精度较高,具有较高的适用性;在软件设计方面:按照软件设计流程,在 Tiny6410 开发板上搭建了 Linux 系统,采用 Qt-Creator 编程实现了软件的界面设计及功能模块设计。具体的,本论文完成的主要内容及创新点如下:
① 针对当前手动提取纸基纳米金颜色特征时存在的低效、不稳定、不精确的不足,提出了一种基于 HSI 颜色空间和 SRG 算法的两阶段图像处理算法。在第一阶段中,将图像由 RGB 空间转换到 HSI 空间,在 HSI 空间中完成阵列点粗分割,采用数学形态学算法对噪声进行去除,并在滤波结果上采用自适应投影算法完成网格划分;第二阶段在第一阶段的基础上采用改进的 SRG 算法对每个反应点进行精细分割,最后将提取到的特征值存储到色谱图中。结果表明本算法具有稳定、精确、自适应性强的优点。论文提出的图像处理算法对阵列图像处理具有较强的实用价值和借鉴意义。其中,基于 HSI 的粗分割和基于 SRG 的细分割在图像处理领域具有一定的理论价值。
② 针对浓度定量识别,提出采用 SVR 模型进行回归分析,进而实现浓度识别。选取了合适的训练集和测试集,并采用全序列法实现了数据归一化,采用 6-折交叉验证法实现了最优参数选取。采用 RBF 核、Sigmod 核及多项式核分别对软ε-SVR 模型和 ν-SVR 模型进行训练和识别,并与多项式非线性回归识别和 BP 神经网络识别效果进行对比评价。结果表明采用 ν-SVR 模型进行浓度识别的精度最高,因此选用ν-SVR模型实现基于纸基纳米金的重金属浓度识别。论文提出采用ν-SVR模型进行浓度识别,取得了较好结果,具有较强的实用性。
③ 针对检测系统软件设计,进行了软件需求分析、总体设计和功能模块设计。采用 Tiny6410 开发板作为目标板,搭建 Linux 系统,并采用 Qt 编程实现了软件的用户界面和功能模块设计。最后对软件进行了功能测试,测试结果表明设计的软件功能正常,现实可用。
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参考文献(略)
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