專利名稱：一種基于圖像分析土壤中總磷含量的測定方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及土壤化學(xué)分析，具體涉及一種基于圖像分析土壤中總磷含量的測定方法。
背景技術(shù)：
磷對作物生長發(fā)育具有重要影響，磷是作物體內(nèi)核酸、磷脂、植素和磷酸腺苷的組成元素。這些有機(jī)磷化合物對作物的生長與代謝起重要作用。正常的磷素營養(yǎng)有利于核酸與核蛋白的形成，加速細(xì)胞的分裂與增殖。促進(jìn)營養(yǎng)體的生長，尤其在作物生長早期，充足的磷素營養(yǎng)尤為重要，生長前期作物吸收的磷，可以再利用，參與新生組織的形成與代謝。磷與水稻植株體內(nèi)糖、氮和脂肪代謝有密切關(guān)系。土壤供磷不足，影響稻株與體內(nèi)代謝過程，尤其影響光合作用的正常進(jìn)行。有試驗(yàn)表明，施磷肥能促進(jìn)水稻作物的CO，同化和蛋白質(zhì)合成，稻株的生長正常籽粒重量增加，從而提高產(chǎn)量。在作物高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、高效栽培中，磷對養(yǎng)分協(xié)調(diào)供應(yīng)，也有不可取代的作用。因此測定土壤中的總磷含量是土壤監(jiān)測的重要指標(biāo)之一。其測定主要以分光光度法(鑰藍(lán)法)為主，該方法靈敏度高，顯色穩(wěn)定，干擾少，但儀器不便于攜帶，常用于實(shí)驗(yàn)室分析。因而，開發(fā)一種靈敏度高、簡單、便捷且易推廣的監(jiān)測分析方法具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。在人們的日常生活、納米材料的表征及生物學(xué)研究等領(lǐng)域，各種成像技術(shù)如直接數(shù)碼成像、熒光顯微成像、電子顯微成像起了非常重要的作用。數(shù)碼相機(jī)以其強(qiáng)大的功能、操作便捷和出色的拍攝效果，不僅受到廣大消費(fèi)者的喜愛，而且在藥材的顯微鑒定、土壤形態(tài)分析及考古學(xué)、評價(jià)食物顏色等方面也得到了廣泛的應(yīng)用。數(shù)碼成像是基于CXD電荷耦合器件記錄影像，再把CXD器件的電子信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。由于數(shù)碼相機(jī)不能分光，從而限制了它在分析化學(xué)中的應(yīng)用。然而大多數(shù)的顏色可以通過紅、綠、藍(lán)3色按照不同的比例合成產(chǎn)生，如綠色+藍(lán)色=青色、紅色+藍(lán)色=品紅等，即三基色(RGB)原理?；赗GB原理，Maleki利用數(shù)碼成像建立人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，并成功地用于Al3+和Fe3+的同時(shí)測定。有研究表明，在酸性介質(zhì)中，磷酸二氫鉀與鑰酸鈉及抗壞血酸作用，生成藍(lán)色的絡(luò)合物，溶液的顏色隨著KH2PO4濃度的增加而逐漸變淺，并呈現(xiàn)一定的顏色梯度，根據(jù)這一原理本發(fā)明利用圖片處理軟件Photoshop讀出圖片RGB值得到測定總磷的標(biāo)準(zhǔn)方程，用自編軟件計(jì)算出總磷濃度，實(shí)現(xiàn)測定土壤中總磷含量的目的。Gaiao等在特制的塑料盒內(nèi)用光源照射流通池，把數(shù)碼相機(jī)作為檢測器用于酸堿滴定分析，取得了較好的效果。顯然，數(shù)碼成像用于分析化學(xué)已成為可能。為此，本發(fā)明提出利用自然光，在有效避免光的反射、側(cè)光及投影的情況下使標(biāo)準(zhǔn)試樣和待測樣品成像。由于在酸性介質(zhì)中，磷酸二氫鉀與鑰酸鈉及抗壞血酸作用，生成藍(lán)色的絡(luò)合物，隨著KH2PO4濃度的增加而逐漸變淺，并呈現(xiàn)一定的顏色梯度。根據(jù)顯色強(qiáng)度的RGB值即可定量分析土壤中的總磷含量，從而研究出一種便捷、快速，低成本且適于現(xiàn)場分析的土壤總磷含量測定新方法。

發(fā)明內(nèi)容
傳統(tǒng)測定土壤中總磷含量的方法為分光光度法，分光光度法檢測成本高，對操作人員要求也高，本發(fā)明通過數(shù)碼成像和圖像分析軟件獲取土壤中總磷含量，降低了檢測成本，是一種快捷、簡單、準(zhǔn)確的測定方法。本發(fā)明提供了一種基于圖像分析土壤中總磷含量的測定方法，包括氫氧化鈉熔融法預(yù)處理土壤樣品的步驟、磷標(biāo)樣配制的步驟、顯色的步驟、獲取濃度值c的步驟，所述獲取濃度值c的步驟為顯色后溶液室溫下放置IOmin數(shù)碼成像，利用圖像分析軟件獲取土壤樣品和磷標(biāo)樣RGB值，根據(jù)已知公式I Gr=O. 3R+0. 59G+0.1lB獲取土壤樣品灰度值Gr，分別建立磷標(biāo)樣的濃度c與磷標(biāo)樣的RGB值的線性方程II R=alC+b1； B1, b,為常數(shù)，線性方程III G=a2c+b2, a2，b2為常數(shù)，線性方程IVB=a3c+b3，a3，b3為常數(shù)，將線性方程I1、III和IV代入公式I獲取公式V Gr=a4c+b4, a4，b4為常數(shù)，將灰度值Gr代入公式V獲取濃度值C。本發(fā)明所述測定方法優(yōu)點(diǎn)在于不需要傳統(tǒng)方法中用到的分光光度計(jì)測定土壤中總磷含量，比傳統(tǒng)方法更快捷，檢測成本低，適合現(xiàn)場分析；采用RGB值能科學(xué)、準(zhǔn)確的獲取灰度值Gr和濃度值C。本發(fā)明所述的測定方法包括如下步驟①氫氧化鈉熔融法預(yù)處理土壤樣品；稱取O. 25g經(jīng)過研磨、過60目篩的風(fēng)干土壤樣品于坩堝內(nèi)，加入O. 05ml無水乙醇潤濕樣品，再加入2. OOg氫氧化鈉平鋪在樣品上；將坩堝放入高溫電爐中，先升溫至200°C，切斷電源15min，再升溫至300°C，恒溫15min，取出坩堝冷卻至室溫，用80°C IOml去離子水溶解熔塊后轉(zhuǎn)移至IOOml容量瓶，用3mol/L硫酸和去離子水依次洗滌坩堝并轉(zhuǎn)移至IOOml容量瓶，冷卻至室溫后 定容，除去不溶物，將澄清液再次定容至100ml，得到土壤待測溶液；②磷標(biāo)樣配制；將磷標(biāo)準(zhǔn)忙備溶液分別配制成濃度為O. 00mg/L、31. 51mg/L、34. 84mg/L、48. 54mg/L、53. 45mg/L和64. 39mg/L的磷標(biāo)樣,分別取等量的磷標(biāo)樣倒入燒杯中；③顯色；分別向土壤待測溶液和磷標(biāo)樣中加入O. 025ml酚酞，滴加1. Omol/L氫氧化鈉溶液至淺紅色，再滴加1. Omol/L硫酸使淺紅色剛好褪去，充分混勻，用水稀釋至刻度線；加入1.Oml 100. Og/L抗壞血酸溶液混勻，30s后加2. 0ml 5g/L鑰酸鹽溶液充分混勻，得到顯色溶液；④獲取濃度值c ;顯色后溶液室溫下放置IOmin數(shù)碼成像，利用圖像分析軟件獲取土壤樣品和磷標(biāo)樣RGB值，根據(jù)已知公式I Gr=O. 3R+0. 59G+0.1lB獲取土壤樣品灰度值Gr，分別建立磷標(biāo)樣的濃度c與磷標(biāo)樣的RGB值的線性方程II R=alC+b1； B1, Id1為常數(shù)，線性方程III G=a2c+b2，a2，b2為常數(shù)，線性方程IV B=a3c+b3, a3，b3為常數(shù)，將線性方程I1、111和IV代入公式I獲取公式V Gr=a4c+b4, a4，b4為常數(shù)，將灰度值Gr代入公式V獲取濃度值C。本發(fā)明所述的測定方法中用到的藥品制成試劑包，試劑包由試劑包I和試劑包II組成；試劑包1:酚酞、111101/1氫氧化鈉溶液、111101/1硫酸、100.(^/1抗壞血酸溶液和5g/L鑰酸鹽溶液，用于土壤待測溶液和磷標(biāo)樣的顯色；
試劑包I1:無水乙醇、氫氧化鈉、去離子水和3mol/L硫酸，用于預(yù)處理土壤樣品。本發(fā)明所述試劑包優(yōu)點(diǎn)在于使用方便，出錯(cuò)率低，適用于現(xiàn)場快速測定土壤中總
磷含量。本發(fā)明將上述獲取濃度值c的方法編為計(jì)算軟件，其優(yōu)點(diǎn)在于不僅省時(shí)省力還能降低出錯(cuò)率。本發(fā)明將上述計(jì)算軟件安裝在手機(jī)里，其優(yōu)點(diǎn)在于可隨時(shí)隨地測定土壤中總磷的含量，有利于現(xiàn)場測定。本發(fā)明有益效果為①與傳統(tǒng)的分光光度法測定土壤中總磷含量比不需要分光光度計(jì)，測定成本低，測定快捷適合現(xiàn)場分析，操作簡單適合農(nóng)民自行測定土壤中總磷含量；②采用RGB值獲取灰度值Gr和濃度值C，提高了測定精度；③通過自編計(jì)算軟件獲取灰度值Gr和濃度值C，不僅省時(shí)省力還能提高正確率；④將自編計(jì)算軟件安裝在手機(jī)里有利于隨時(shí)隨地測定土壤中總磷的含量。


本發(fā)明附圖6幅，圖1 (a)為實(shí)施例1中的土壤樣品I顯色后數(shù)碼成像。圖1 (b)為實(shí)施例1中的土壤樣品2顯色后數(shù)碼成像。圖2 (a)為對比例I中濃度為O. 00mg/L的磷標(biāo)樣顯色后數(shù)碼成像。圖2 (b)為對比例I中濃度為31. 51mg/L的磷標(biāo)樣顯色后數(shù)碼成像。圖2 (C)為對比例I中濃度為34. 84mg/L的磷標(biāo)樣顯色后數(shù)碼成像。圖2 (d)為對比例I中濃度為48. 54mg/L的磷標(biāo)樣顯色后數(shù)碼成像。圖2 (e)為對比例I中濃度為53. 45mg/L的磷標(biāo)樣顯色后數(shù)碼成像。圖2 (f)為對比例I中濃度為64. 39mg/L的磷標(biāo)樣顯色后數(shù)碼成像。圖3為對比例I中的磷標(biāo)樣濃度c與磷標(biāo)樣吸光度值A(chǔ)的關(guān)系曲線。
具體實(shí)施例方式下述非限制性實(shí)施例可以使本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員更全面地理解本發(fā)明，但不以任何方式限制本發(fā)明。下述實(shí)施例和對比例所用試劑與儀器為試劑包由試劑包I和試劑包II組成，試劑包1:酚酞、lmol/L氫氧化鈉溶液、lmol/L硫酸、100. Og/L抗壞血酸溶液和5g/L鑰酸鹽溶液；試劑包I1:無水乙醇、氫氧化鈉、去離子水和3mol/L硫酸；IXUS 31OHS型佳能相機(jī)，UV-2102PC型紫外可見分光光度計(jì)。實(shí)施例1利用本發(fā)明方法測定土壤中總磷含量；①氫氧化鈉熔融法預(yù)處理土壤樣品；分別稱取0. 25g經(jīng)過研磨、過60目篩的風(fēng)干土壤樣品兩份于坩堝內(nèi)，每份分別加入0. 05ml無水乙醇潤濕樣品，再加入2. OOg氫氧化鈉平鋪在樣品上；將坩堝放入高溫電爐中，先升溫至200°C，切斷電源15min，再升溫至300°C，恒溫15min，取出坩堝冷卻至室溫，用800C IOml去離子水溶解熔塊后轉(zhuǎn)移至IOOml容量瓶，用3mol/L硫酸和去離子水依次洗滌坩堝并轉(zhuǎn)移至IOOml容量瓶，冷卻至室溫后定容，除去不溶物，將澄清液再次定容至100ml，得到土壤待測溶液1、2 ;預(yù)處理所用到的試劑來源于試劑包I ;②磷標(biāo)樣配制；將磷標(biāo)準(zhǔn)忙備溶液分別配制成濃度為O. 00mg/L、31. 51mg/L、34. 84mg/L、48. 54mg/L、53. 45mg/L和64. 39mg/L的磷標(biāo)樣,分別取等量的磷標(biāo)樣倒入燒杯中；③顯色；分別向土壤待測溶液1、2和六個(gè)磷標(biāo)樣中加入O. 025ml酚酞，滴加1. Omol/L氫氧化鈉溶液至淺紅色，再滴加1. Omol/L硫酸使淺紅色剛好褪去，充分混勻，用水稀釋至刻度線；加入1. Oml 100. Og/L抗壞血酸溶液混勻，30s后加2. 0ml 5g/L鑰酸鹽溶液充分混勻，得到顯色溶液；顯色所用到的試劑來源于試劑包II ；④獲取濃度值c ；顯色后溶液室溫下放置IOmin數(shù)碼成像，數(shù)碼成像的圖像見圖1和圖2，利用圖像分析軟件獲取土壤樣品1、2和六個(gè)磷標(biāo)樣RGB值，見表I和表2 ;表I 土壤樣品1、2的RGB值
權(quán)利要求
1.一種基于圖像分析土壤中總磷含量的測定方法，包括氫氧化鈉熔融法預(yù)處理土壤樣品的步驟、磷標(biāo)樣配制的步驟、顯色的步驟、獲取濃度值C的步驟，其特征在于所述獲取濃度值c的步驟為顯色后溶液室溫下放置IOmin數(shù)碼成像，利用圖像分析軟件獲取土壤樣品和磷標(biāo)樣RGB值，根據(jù)已知公式I Gr=O. 3R+0. 59G+0.1lB獲取土壤樣品灰度值Gr，分別建立磷標(biāo)樣的濃度c與磷標(biāo)樣的RGB值的線性方程II R=alC+b1； B1, b,為常數(shù)，線性方程III G=a2c+b2, a2，b2為常數(shù)，線性方程IVB=a3c+b3，a3，b3為常數(shù)，將線性方程I1、III和IV代入公式I獲取公式V Gr=a4c+b4, a4，b4為常數(shù)，將灰度值Gr代入公式V獲取濃度值C。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測定方法，其特征在于所述的測定方法包括如下步驟 ①氫氧化鈉熔融法預(yù)處理土壤樣品； 稱取O. 25g經(jīng)過研磨、過60目篩的風(fēng)干土壤樣品于坩堝內(nèi)，加入O. 05ml無水乙醇潤濕樣品，再加入2. OOg氫氧化鈉平鋪在樣品上；將坩堝放入高溫電爐中，先升溫至200°C，切斷電源15min，再升溫至300°C，恒溫15min，取出坩堝冷卻至室溫，用80°C IOml去離子水溶解熔塊后轉(zhuǎn)移至IOOml容量瓶，用3mol/L硫酸和去離子水依次洗滌坩堝并轉(zhuǎn)移至IOOml容量瓶，冷卻至室溫后定容，除去不溶物，將澄清液再次定容至100ml，得到土壤待測溶液； ②磷標(biāo)樣配制； 將磷標(biāo)準(zhǔn)貯備溶液分別配制成濃度為O. 00mg/L、31. 51mg/L、34. 84mg/L、48. 54mg/L、53. 45mg/L和64. 39mg/L的磷標(biāo)樣,分別取等量的磷標(biāo)樣倒入燒杯中； ③顯色； 分別向土壤待測溶液和磷標(biāo)樣中加入O. 025ml酚酞，滴加1. Omol/L氫氧化鈉溶液至淺紅色，再滴加1. Omol/L硫酸使淺紅色剛好褪去，充分混勻，用水稀釋至刻度線；加入1. Oml100. Og/L抗壞血酸溶液混勻，30s后加2. 0ml 5g/L鑰酸鹽溶液充分混勻，得到顯色溶液； ④獲取濃度值c； 顯色后溶液室溫下放置IOmin數(shù)碼成像，利用圖像分析軟件獲取土壤樣品和磷標(biāo)樣RGB值，根據(jù)已知公式I Gr=O. 3R+0. 59G+0.1lB獲取土壤樣品灰度值Gr，分別建立磷標(biāo)樣的濃度c與磷標(biāo)樣的RGB值的線性方程II R=alC+b1； B1, b,為常數(shù)，線性方程III G=a2c+b2，a2,b2為常數(shù)，線性方程IVB=a3c+b3，a3，b3為常數(shù)，將線性方程I1、III和IV代入公式I獲取公式V Gr=a4c+b4, a4，b4為常數(shù)，將灰度值Gr代入公式V獲取濃度值C。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的測定方法，其特征在于所述的測定方法中用到的藥品制成試劑包，試劑包由試劑包I和試劑包II組成； 試劑包1:酚酞、lmol/L氫氧化鈉溶液、lmol/L硫酸、100. 0g/L抗壞血酸溶液和5g/L鑰酸鹽溶液，用于土壤待測溶液和磷標(biāo)樣的顯色； 試劑包I1:無水乙醇、氫氧化鈉、去離子水和3mol/L硫酸，用于預(yù)處理土壤樣品。
全文摘要
一種基于圖像分析土壤中總磷含量的測定方法，涉及土壤化學(xué)分析，包括氫氧化鈉熔融法預(yù)處理土壤樣品的步驟、磷標(biāo)樣配制的步驟、顯色的步驟、獲取濃度值c的步驟，所述獲取濃度值c的步驟為顯色后數(shù)碼成像，利用圖像分析軟件獲取土壤樣品RGB值；根據(jù)RGB值獲取灰度值Gr；根據(jù)灰度值Gr獲取濃度值c，本發(fā)明有益效果為本測定方法方便快捷，操作簡單，測定成本低，適合現(xiàn)場分析。
文檔編號G01N21/78GK103063663SQ20121056706
公開日2013年4月24日 申請日期2012年12月24日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月24日
發(fā)明者弓曉杰, 魏婷, 申貴雋, 趙婷 申請人:大連大學(xué)