基于机器视觉的纸基分析装置：实现地下水中铁离子精准现场测定的创新系统

本研究成果报道了一种创新型便携式设备CoPADA（Colorimetric Paper-based Analytical Device Analyzer），通过融合纸基分析装置（PAD）与先进机器视觉技术，实现了地下水中可溶性铁浓度的高精度现场检测。该系统采用多维色彩空间特征回归模型（R2 = 0.9932）和霍夫变换边缘分割算法，具备0.84 μM检测限、优异重现性（RSD < 2.0%）与94%以上回收率，为环境水样重金属监测提供了低成本（$0.108/测试）、便携（0.5 kg）的现场解决方案。

　　

亮点

• 开发出首个集成机器视觉的便携式PAD分析仪（CoPADA）

• 采用霍夫变换边缘分割与中值滤波提升图像处理精度

• 基于多维色彩空间构建高精度回归模型（R² = 0.9932）

• 实现0.84 μM检测限与低于2.0%的相对标准偏差

• 现场测定结果与标准光谱法高度吻合（斜率=0.9870）

引言

铁作为关键微量营养素，在氧传输、DNA合成和细胞呼吸中发挥核心作用。然而地下水中过量铁离子会导致环境污染与健康风险。传统实验室分析方法如原子吸收光谱（AAS）、电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）虽精度高，但受限于实验室基础设施。现有便携式比色试剂盒又存在离子干扰和主观判读问题。

近年来纸基分析装置（PAD）与数字图像处理技术的结合为现场检测带来突破，但仍面临多维色彩信号利用不足、定量模型可靠性低等挑战。本研究推出的CoPADA通过先进机器视觉算法与多维色彩空间建模，成功解决了现场铁离子检测的灵敏度与可靠性问题。

试剂与方法

使用六水合三氯化铁（FeCl₃·6H₂O）配制1.0 mM铁(III)储备液，以盐酸溶液调节至pH=1.50。采用盐酸羟胺将铁(III)还原为铁(II)，随后在pH=4.50的6.3 M醋酸钠缓冲体系中与邻菲罗啉（o-phen）形成橙红色络合物[Fe(o-phen)₃]²⁺。

结果与讨论

CoPADA通过机器视觉系统精准捕获PAD表面化学反应产生的色彩信号。经中值滤波去噪和霍夫变换边缘分割处理后，提取HSV、RGB、LAB等多维色彩空间特征值构建回归模型。该模型展现极佳预测能力（MSE=5.6491, RMSE=2.3768），与标准分光光度法测定结果高度一致（误差±4.7%），且通过标准物质验证。

结论

CoPADA成功解决了PAD技术在现场铁离子检测中的图像处理与信号提取瓶颈，为资源有限地区提供了实验室精度的现场检测方案。该设备的一键式操作模式和便携特性，使其成为环境监测领域具有重要应用价值的创新工具。