便攜式銨氮熒光檢測(cè)儀

鄭 蕓，曹毅成，梁 英，胡鴻志，郭 慶，許 睿

(1．桂林電子科技大學(xué)生命與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，廣西桂林 5410041；2 桂林電子科技大學(xué)電子工程與自動(dòng)化學(xué)院，廣西桂林 541004)

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便攜式銨氮熒光檢測(cè)儀

鄭 蕓1，2，曹毅成1，2，梁 英1，2，胡鴻志2，郭 慶2，許 睿1，2

(1．桂林電子科技大學(xué)生命與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，廣西桂林 5410041；2 桂林電子科技大學(xué)電子工程與自動(dòng)化學(xué)院，廣西桂林 541004)

基于銨氮的熒光分析方法研制了一種便攜式銨氮熒光檢測(cè)儀，由樣品檢測(cè)模塊、信號(hào)放大與壓頻轉(zhuǎn)換模塊、測(cè)頻模塊、數(shù)據(jù)顯示與存儲(chǔ)模塊和電源模塊組成。儀器的基線和恒定信號(hào)響應(yīng)可穩(wěn)定2 h；銨氮濃度在0～4 000 nmol/L范圍內(nèi)時(shí)，其測(cè)定結(jié)果與通用儀器測(cè)定結(jié)果有線性相關(guān)性；儀器可測(cè)定實(shí)際水樣中的銨氮濃度，與通用儀器的測(cè)定結(jié)果無(wú)顯著差異。

便攜式；銨氮；熒光；LED；光電二極管

0 引言

現(xiàn)有的便攜式銨氮測(cè)定儀多基于分光光度法，靈敏度偏低[5]。熒光分析法是目前測(cè)定銨氮最為靈敏的方法，但尚未見(jiàn)基于此法開(kāi)發(fā)的便攜式銨氮檢測(cè)儀。本課題組合成了銨氮檢測(cè)的熒光新試劑二甲氧基鄰苯二甲醛，其與銨氮反應(yīng)生成的熒光產(chǎn)物的最大激發(fā)波長(zhǎng)在379～382 nm、最大發(fā)射波長(zhǎng)在482～486 nm[6]，基于此成功研制出了一臺(tái)高精度、低檢測(cè)限、低成本的便攜式銨氮熒光檢測(cè)儀，對(duì)其性能進(jìn)行檢測(cè)，并成功應(yīng)用于實(shí)際水樣的測(cè)定。

1 設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1．1 裝置系統(tǒng)組成

本文設(shè)計(jì)的便攜式銨氮熒光檢測(cè)儀通過(guò)檢測(cè)熒光光強(qiáng)來(lái)定量待測(cè)液的銨氮濃度。儀器結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括樣品檢測(cè)模塊、信號(hào)放大與壓頻轉(zhuǎn)換模塊、測(cè)頻模塊、數(shù)據(jù)顯示與存儲(chǔ)模塊和電源模塊。

圖1 儀器整體結(jié)構(gòu)圖

樣品檢測(cè)模塊將比色皿中待測(cè)溶液發(fā)出的熒光信號(hào)轉(zhuǎn)換成微弱電流信號(hào)，等效于一個(gè)光電傳感器。信號(hào)放大與壓頻轉(zhuǎn)換模塊的功能是將微弱電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為頻率信號(hào)，即放大器將微弱電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)并放大，濾波電路濾除干擾信號(hào)，壓轉(zhuǎn)頻芯片將處理后的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成頻率信號(hào)輸出。等精度頻率測(cè)量模塊基于STM32等精度頻率測(cè)量法，對(duì)頻率進(jìn)行測(cè)量并對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行處理。數(shù)據(jù)顯示與存儲(chǔ)模塊使用OLED或者連接計(jì)算機(jī)顯示所測(cè)頻率，并將其存儲(chǔ)在SD卡中，方便對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)一步分析。電源模塊為儀器提供電能，可采用碳性電池、USB或電源適配器供電。

1．2 各模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1．2．1 樣品檢測(cè)模塊

如圖2所示，本模塊以比色池架為骨架，嵌入了激發(fā)光源、比色皿、濾光片和光電二極管。激發(fā)光源的光激發(fā)比色皿中的待測(cè)溶液發(fā)射出特定波長(zhǎng)的熒光。熒光信號(hào)經(jīng)窄帶濾光片濾光后射入硅光電二極管接收窗口，被轉(zhuǎn)換成微弱電流信號(hào)后輸出，其電流大小與熒光強(qiáng)度成正比。

圖2 樣品檢測(cè)模塊俯視剖圖

基于二甲氧基鄰苯二甲醛與銨氮反應(yīng)生成的熒光產(chǎn)物最大激發(fā)波長(zhǎng)在379～382 nm，最大發(fā)射波長(zhǎng)在482～486 nm以及便攜式這些條件，選用單色性好、體積小、功耗低的LED作為激發(fā)光源[3]。選擇LED需考慮2個(gè)因素：波長(zhǎng)應(yīng)盡可能接近熒光產(chǎn)物的最大激發(fā)波長(zhǎng)，光強(qiáng)應(yīng)盡可能強(qiáng)。經(jīng)篩選和驗(yàn)證，選用TJ-LF5WVGYMC-AC型LED，其波長(zhǎng)為390～400 nm，光強(qiáng)為150～300 mcd。選用S1226-8BK型硅光電二極管作為光電傳感器。在比色皿和光電二極管之間放置BP485/9 K型窄帶干涉濾光片，確保其只接收最大發(fā)射波長(zhǎng)左右(476．5～493．5 nm)的熒光。比色池架為黑色，具備較高的硬度和質(zhì)密性，用3D打印技術(shù)加工，不僅能放置比色皿，還能在壁上鑲嵌LED、濾光片和光電二極管。使用Solidworks軟件繪制的比色池架三維效果圖如圖3所示。

圖3 比色池架三維效果圖

為避免干擾，提高檢測(cè)的準(zhǔn)確度，制作過(guò)程中還需注意如下要點(diǎn)：

(1)選用2個(gè)LED相對(duì)放置，提高激發(fā)光強(qiáng)。

(2)在LED的光不進(jìn)入硅光電二極管的前提下，LED盡可能地靠近比色皿，實(shí)現(xiàn)方法為將其固定于中空螺絲中，經(jīng)比色池架壁上的圓孔旋入，這樣既有很好的封閉性，也能靈活調(diào)整兩者之間的距離。

(3)只讓通過(guò)濾光片的光盡可能多地射入光電二極管，實(shí)現(xiàn)方法為在光電二極管外包裹黑色電膠布，掏出與感應(yīng)窗口尺寸相同的方形洞，濾光片緊貼在光電二極管前，兩者盡可能地靠近比色皿。

(4)濾光片和光電二極管垂直于LED放置，減少散射光進(jìn)入光電二極管。

1．2．2 信號(hào)放大與壓頻轉(zhuǎn)換模塊、測(cè)頻模塊

信號(hào)放大與壓頻轉(zhuǎn)換模塊將弱電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)并放大濾波，再轉(zhuǎn)換為頻率信號(hào)輸出。測(cè)頻模塊基于STM32[7]的定時(shí)器，結(jié)合D觸發(fā)器實(shí)現(xiàn)對(duì)頻率的等精度測(cè)量。兩個(gè)模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)詳見(jiàn)本課題組前期的論文和專(zhuān)利[8-9]。

1．2．3 數(shù)據(jù)顯示與存儲(chǔ)模塊

選用OLED為顯示器，采用8080并口方式與STM32連接；還可將數(shù)據(jù)通過(guò)USB轉(zhuǎn)串口傳輸至上位機(jī)顯示。選擇SD卡作為外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，使用SPI模式驅(qū)動(dòng)SD卡[10]。

1．2．4 電源模塊

儀器需使用3．3 V，5 V和±15 V電壓。本模塊的設(shè)計(jì)思路是：當(dāng)使用9 V電源適配器或碳性電池供電時(shí)，ASM1117-5芯片將9 V電壓轉(zhuǎn)換成5 V；當(dāng)USB口與電腦連接進(jìn)行調(diào)試或串口通信時(shí)，USB口供應(yīng)5 V電壓；ASM1117-3．3芯片將5 V電壓換為3.3 V；MAX743芯片將5 V電壓轉(zhuǎn)換為±15 V[9]。

1．3 儀器的成型

為滿(mǎn)足小型化和集成化要求，除樣品檢測(cè)模塊外，其余模塊均集成在一塊PCB主板上。主板的尺寸為10 cm×10 cm，在滿(mǎn)足儀器要求的同時(shí)，保證一定的擴(kuò)展性。主板、樣品檢測(cè)模塊、儀器外殼、電池及電源適配器組裝后成為一臺(tái)完整的便攜式銨氮檢測(cè)儀，儀器布局如圖4所示，尺寸為200 mm×163 mm×90 mm。

2 試驗(yàn)驗(yàn)證

2．1 儀器的穩(wěn)定性

通過(guò)基線穩(wěn)定性和恒定信號(hào)穩(wěn)定性考察儀器的穩(wěn)定性。基線穩(wěn)定性考察方法為：比色皿中不放置溶液，打開(kāi)儀器，每分鐘記錄1次數(shù)據(jù)，持續(xù)記錄一長(zhǎng)段時(shí)間，得到儀器的基線。恒定信號(hào)穩(wěn)定性考察方法為：外加一恒定光信號(hào)照射光電二極管，打開(kāi)儀器，每1 min記錄1次數(shù)據(jù)，持續(xù)記錄一長(zhǎng)段時(shí)間，得到儀器對(duì)恒定信號(hào)的響應(yīng)。

(a)正視圖

(b)頂視圖圖4 儀器布局圖

圖5、圖6為熒光強(qiáng)度(IF)隨時(shí)間變化圖，可見(jiàn)，從儀器的基線和對(duì)恒定光信號(hào)的輸出響應(yīng)值來(lái)看，儀器在開(kāi)機(jī)15 min后穩(wěn)定，可持續(xù)穩(wěn)定2 h以上，穩(wěn)定時(shí)間可完全滿(mǎn)足一般測(cè)定要求。

圖5 儀器的基線穩(wěn)定性

圖6 儀器對(duì)恒定信號(hào)穩(wěn)定性

2．2 儀器響應(yīng)與通用儀器的比對(duì)

配置濃度為0 nmol/L、500 nmol/L、1 000nmol/L、2 000 nmol/L、4 000 nmol/L的銨氮熒光反應(yīng)液，分別用通用儀器RF-5301PC熒光分光光度計(jì)和本儀器測(cè)定其熒光強(qiáng)度，得到如表1所示數(shù)據(jù)，兩儀器測(cè)得的響應(yīng)信號(hào)與銨氮濃度分別成顯著線性相關(guān)。雖然兩儀器測(cè)得熒光強(qiáng)度絕對(duì)值不同，但是如圖7所示兩者具有顯著的線性相關(guān)性。用儀器分析樣品時(shí)，一般先做工作曲線，根據(jù)工作曲線定量未知樣的濃度。因此，熒光強(qiáng)度絕對(duì)值大小并不影響儀器的定量功能。本儀器的響應(yīng)信號(hào)與通用儀器顯著相關(guān)，說(shuō)明本儀器可用于未知樣中銨氮濃度的分析。

表1 本儀器與通用儀器測(cè)得熒光強(qiáng)度對(duì)比表

圖7 本儀器測(cè)得熒光強(qiáng)度與通用儀器測(cè)得熒光強(qiáng)度關(guān)系圖

此外，改變本儀器放大器的放大倍數(shù)，進(jìn)行了3次試驗(yàn)，所得熒光強(qiáng)度與濃度之間的線性R2值分別達(dá)到了0．996 2、0．990 6、0．996 2，滿(mǎn)足測(cè)定要求。綜上可見(jiàn)，本儀器對(duì)0～4 000 nml/L的銨氮溶液具有很好的線性響應(yīng)，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，可用于銨氮濃度分析，與通用儀器相比，不存在顯著差異。

2．3 儀器的應(yīng)用

在桂林花江和桂林電子科技大學(xué)花江校區(qū)景觀湖采集實(shí)際水樣，分別用本儀器和通用儀器測(cè)定其銨氮濃度。兩者測(cè)得濃度值關(guān)系圖如圖8所示，本儀器與通用儀器測(cè)得濃度值之間的線性R2值為0．940，曲線斜率為1．253 4，說(shuō)明本儀器測(cè)定結(jié)果與通用儀器測(cè)定結(jié)果無(wú)顯著差異，可應(yīng)用于實(shí)際水體中銨氮濃度的測(cè)定。

圖8 本儀器測(cè)得濃度值與通用儀器測(cè)得濃度值關(guān)系圖

3 結(jié)束語(yǔ)

基于熒光光譜法研制了便攜式銨氮熒光檢測(cè)儀。該儀器具有良好的基線穩(wěn)定性和恒定信號(hào)響應(yīng)穩(wěn)定性，在開(kāi)機(jī)15 min后穩(wěn)定，可持續(xù)穩(wěn)定2 h以上；銨氮濃度在0～4 000 nmol/L范圍內(nèi)時(shí)，本儀器測(cè)定結(jié)果與通用儀器測(cè)定結(jié)果有線性相關(guān)性；可應(yīng)用于實(shí)際水體中銨氮濃度的測(cè)定，與通用儀器的測(cè)定結(jié)果無(wú)顯著差異。該儀器的體積小，可用于現(xiàn)場(chǎng)分析，且檢測(cè)時(shí)間短，可在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)水體中的銨氮進(jìn)行快速準(zhǔn)確檢測(cè)，具有良好的應(yīng)用前景。

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Design of Portable Fluorescence Analyzer of Ammonium

ZHENG Yun1，2，CAO Yi-cheng1，2，LIANG Ying1，2，HU Hong-zhi2，GUO Qing2，XU Rui1，2

(1．Shcool of Life and Environmental Sciences，Guilin University of Electronic Technology，Guilin 541004，China；2．School of Electronic Engineering and Automatization，Guilin University of Electronic Technology，Guilin 541004，China)

A portable fluorescence analyzer of ammonium was developed based on fluorescence analysis method．The analyzer was made of sample detection module，signal amplifying and voltage-frequency converting module，frequency measurement module，data displaying and memory module and power module．Both the baseline and response to a constant signal of the analyzer can maintain stable for 2 hours．The signals of ammonium solutions whose concentration were in the range of 0～4 000 nmol/L were separately detected by both the analyzer and a universal apparatus，and the results of the analyzer had a linear correlation with those of the universal apparatus．The analyzer is used to determine ammonium concentration in actual water samples，and the results have no significant differences with those of the universal apparatus．

portable；ammonium；fluorescence；LED；photodiode

胡坤(1989— )，在讀碩士生，主要從事光電精密測(cè)量方面的研究。E-mail：304735127@qq．com 黎堯(1989—)，在讀博士生，主要從事光電精密測(cè)量方面的研究。E-mail：hustliyao@hust．edu．cn

國(guó)家自然科學(xué)青年基金項(xiàng)目(41206077)

2014-07-30 收修改稿日期：2015-03-24

TP216

A

1002-1841(2015)06-0031-03