关键词:
VOCs
AIE
便携式设备
定量与定性
机器学习
摘要:
本文针对VOCs高效便携检测应用需求,成功开发了一种基于聚集诱导发光(AIE)效应的荧光薄膜便携式VOCs定性定量检测系统。便携式设备的传感单元主要运用高灵敏度、快速响应和可视化特性的荧光传感技术。设计传感单元结构,器件化传感材料,使用Python语言和C++整合上位机的两个系统,使用Solid Works设计检测设备的整体结构,结合3D打印技术将建模内容打印搭建,利用光电转换模块与网络将整个系统串联起来,使用基于优化的粒子群随机森林模型实现VOCs的定性定量检测,通过与安捷伦光谱仪的测试数据和理论计算进行结果对比,验证设备的可行性与准确性。主要内容包括:
(1)针对传统荧光传感器在分散状态下荧光强度弱的问题,本研究采用AIE材料来增强荧光强度,提升传感器性能的同时便于器件化。通过偶联与取代反应等合成技术,制备了基于二苯并噻吩(DBT)结构的AIE荧光材料DBT-Cb-Fl,该材料不仅稳定且抗光漂白,非常适合用于制造荧光薄膜传感器。实验表明,DBT-Cb-Fl薄膜对多种VOCs如三乙胺、正己烷、四氢呋喃和乙酸乙酯有良好响应。不同极性的VOCs展现出独特的响应规律,可用于定量和定性分析。其中,四氢呋喃在110 mg/L至440.2 mg/L的浓度范围内,其荧光发射峰最大红移波长为547 nm;乙酸乙酯在111.65 mg/L至446.57 mg/L的浓度范围内,最大红移波长为544 nm。而三乙胺(89.87 mg/L至269.6 mg/L)和正己烷(81.57 mg/L至326.31 mg/L)则未出现红移现象。
(2)本研究的机械结构设计旨在低成本,高效率的便携式集成检测设备,设备总体重量约为950 g。利用三维建模软件Solid Works进行建模,设计了一套便携式荧光检测系统。该系统利用3D打印技术,整合了外部设备和信息交互通道。其中,便携式荧光设备作为系统核心,包含激发,检测和数据传输三个模块。激发模块提供特定波长的光(345 nm)以激发目标化合物产生荧光;检测模块负责收集荧光信号并转换为电信号;数据传输模块则将信号上传至上位机进行处理分析。
(3)本研究将Python模型集成至系统中,通过机器学习的K-近邻算法逐步寻找最优数据处理方式,最终通过添加KD树的方式找到基于优化粒子群的随机森林算法模型,并通过与实验室荧光分光光度计的对比实验来评估设备性能。实验结果显示,该便携式荧光检测设备在检测挥发性有机化合物时表现出良好的稳定性,定性检测的准确率高达95%。在定量分析中,其响应时间约为10 s,恢复时间约为15 s,误差范围控制在1-15 mg/L,这进一步证实了设备数据处理系统的准确性和可靠性,为VOCs的检测提供了一种新结合技术手段思路。