海水五參數(shù)原位營(yíng)養(yǎng)鹽分析儀的研制

郭翠蓮，張述偉，程永強(qiáng)，馬然，褚東志，張麗

(齊魯工業(yè)大學(xué)(山東省科學(xué)院)，山東省科學(xué)院海洋儀器儀表研究所， 山東省海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266001)

海水中的營(yíng)養(yǎng)鹽主要包括無機(jī)氮、活性磷酸鹽、活性硅酸鹽等成分，是海洋浮游植物生長(zhǎng)所必須的營(yíng)養(yǎng)元素。營(yíng)養(yǎng)鹽在海水中的不同濃度和組成，不僅會(huì)影響海洋初級(jí)生產(chǎn)力，而且會(huì)對(duì)浮游植物的群落結(jié)構(gòu)產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用[1]，進(jìn)而影響海洋生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。因此，監(jiān)測(cè)海水中營(yíng)養(yǎng)鹽的濃度分布和變化，對(duì)于評(píng)價(jià)水體富營(yíng)養(yǎng)化，了解海洋中氮、磷、硅元素的地球化學(xué)循環(huán)和海洋生態(tài)系統(tǒng)的關(guān)鍵過程，具有重要的科學(xué)意義[2-3]。

傳統(tǒng)海水中營(yíng)養(yǎng)鹽的分析主要根據(jù)海洋監(jiān)測(cè)規(guī)范，采用出?，F(xiàn)場(chǎng)采樣-實(shí)驗(yàn)室測(cè)定方法，該方法存在實(shí)時(shí)性差、待測(cè)樣品溶液易受污染、浪費(fèi)人力物力等缺點(diǎn)[4]，所以將實(shí)驗(yàn)室方法轉(zhuǎn)化為現(xiàn)場(chǎng)、在線、原位測(cè)量就顯得十分重要[5]。

目前我國(guó)所用的海洋營(yíng)養(yǎng)鹽現(xiàn)場(chǎng)分析儀多為進(jìn)口，如Green Eyes公司的Ecolab、Systea公司的WIZ、Subchem公司的APNA等，這些測(cè)量?jī)x價(jià)格一般比較昂貴，并且測(cè)量項(xiàng)目不夠全面。我國(guó)也在非原位營(yíng)養(yǎng)鹽儀器的研制方面做了一些研究工作[6-11],但是目前國(guó)內(nèi)暫無適用于海水原位長(zhǎng)期測(cè)量的營(yíng)養(yǎng)鹽五參數(shù)分析儀商業(yè)化產(chǎn)品。正在發(fā)展中的海水營(yíng)養(yǎng)鹽分析儀的研制主要是依據(jù)傳統(tǒng)的分光光度法[12]，為了更準(zhǔn)確、快速地檢測(cè)海水中的營(yíng)養(yǎng)鹽含量，分光光度法通常與先進(jìn)的流動(dòng)注射技術(shù)聯(lián)用[13-16]。海洋監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)程[17]中也把流動(dòng)分析法列為海水中營(yíng)養(yǎng)鹽分析的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)方法。

本文研制的五參數(shù)原位營(yíng)養(yǎng)鹽分析儀基于濕化學(xué)反應(yīng)原理，將分光光度法與流動(dòng)注射分析技術(shù)相結(jié)合，采用三通閥配合高精度微量蠕動(dòng)泵將樣品和化學(xué)試劑泵入優(yōu)化設(shè)計(jì)的微型環(huán)路中自動(dòng)完成光學(xué)檢測(cè)，并獲得原位數(shù)據(jù)，將實(shí)驗(yàn)室分析方法帶到測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)，建立水下微型實(shí)驗(yàn)室。該分析儀體積小、耗能低、數(shù)據(jù)穩(wěn)定，通過遠(yuǎn)程自動(dòng)控制可以實(shí)現(xiàn)在線進(jìn)樣、在線檢測(cè)、標(biāo)定、清洗等功能，減小了試劑用量和反應(yīng)時(shí)間，可以完成對(duì)亞硝酸鹽、硝酸鹽、銨鹽、磷酸鹽和硅酸鹽五個(gè)參數(shù)的原位、實(shí)時(shí)在線檢測(cè)。

1 儀器測(cè)試原理與分析流程

1.1 儀器測(cè)試原理

表1 營(yíng)養(yǎng)鹽分析儀測(cè)定原理Table 1 Detection principle of the nutrients analyzer

1.2 分析工作流程

用系列標(biāo)準(zhǔn)溶液代替樣品依次建立各項(xiàng)營(yíng)養(yǎng)鹽的標(biāo)準(zhǔn)工作曲線，然后依據(jù)工作曲線計(jì)算被測(cè)樣品營(yíng)養(yǎng)鹽含量，五項(xiàng)營(yíng)養(yǎng)鹽參數(shù)依次進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量完畢用蒸餾水沖洗整個(gè)管路。每項(xiàng)營(yíng)養(yǎng)鹽的分析工作流程如圖1所示。

圖1 分析工作流程Fig.1 Flow chart for the analysis process

2 儀器研制

圖2 營(yíng)養(yǎng)鹽分析儀實(shí)物圖Fig.2 Physical map of the nutrients analyzer

海水原位五參數(shù)營(yíng)養(yǎng)鹽分析儀整體包括3個(gè)單元：主機(jī)單元、過濾單元和試劑單元。3個(gè)單元的外殼采用PVC材質(zhì)的圓筒設(shè)計(jì)，具有耐壓、抗腐蝕、密封性好等特點(diǎn)。3個(gè)單元的尺寸(直徑×高)分別為：16 cm×58 cm,13 cm×16 cm,14 cm×24 cm。3個(gè)單元錯(cuò)落安裝在33 cm×112 cm的不銹鋼支架上(圖2)，方便布放在浮標(biāo)、臺(tái)站、科考船等平臺(tái)上進(jìn)行實(shí)時(shí)原位監(jiān)測(cè)，用于實(shí)驗(yàn)室測(cè)量也十分方便快捷。

2.1 主機(jī)單元

主機(jī)單元為整個(gè)分析儀的核心單元，包括化學(xué)反應(yīng)和檢測(cè)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和信號(hào)處理系統(tǒng)。

2.1.1 化學(xué)反應(yīng)和檢測(cè)系統(tǒng)

化學(xué)反應(yīng)和檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖3所示。該系統(tǒng)主要由高精度微量蠕動(dòng)泵(保定蘭格恒流泵有限公司)、石英材質(zhì)的“U型”光度流動(dòng)比色皿(定制，20 mm光程)、電磁閥(SMC，兩位三通)、亞力克材質(zhì)閥板(定制)和聚四氟乙烯管(IDEX，內(nèi)徑1.0 mm)組成。

系統(tǒng)利用蠕動(dòng)泵控制流體的輸送速度(0～25 mL/min)，通過程序控制輸送時(shí)間從而控制輸送體積。通過蠕動(dòng)泵泵速變化、停轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)樣品和試劑完全混合，利用兩位三通電磁閥控制流體的選擇性輸送。為了減少漏點(diǎn)和縮小體積，所用的15個(gè)兩位三通電磁閥固定在刻蝕有內(nèi)部通道的閥板上[18]。

通過上位機(jī)軟件控制電磁閥的通斷，可以實(shí)現(xiàn)試劑選擇性流入，并可以利用電磁閥切換形成封閉環(huán)路或者打開環(huán)路。氨氮檢測(cè)采用光程為20 mm的“U型”熒光流動(dòng)比色皿測(cè)量熒光強(qiáng)度，其他4個(gè)參數(shù)采用光程為20 mm的“U型”光度流動(dòng)比色皿測(cè)量吸光度。這種“U型”流動(dòng)比色皿使液體自下而上壓入檢測(cè)倉(cāng)，能有效避免氣泡對(duì)檢測(cè)的干擾。5項(xiàng)營(yíng)養(yǎng)鹽依次完成測(cè)量，也可以根據(jù)需要檢測(cè)其中部分參數(shù)。為保證氨氮與OPA充分反應(yīng)，在反應(yīng)液流入熒光流動(dòng)比色皿之前設(shè)置有加熱及混合裝置，這種裝置是將聚四氟乙烯管纏繞在恒溫加熱棒上制成的。在硝酸鹽的檢測(cè)中，采用還原效率穩(wěn)定，可以重復(fù)激活利用的管狀鎘線圈(購(gòu)自美國(guó)Green Eyes公司)作為還原介質(zhì)?；瘜W(xué)反應(yīng)系統(tǒng)備有清洗液和校準(zhǔn)液入口，可定期(一個(gè)月)或根據(jù)需要進(jìn)行自動(dòng)沖洗和校正。5項(xiàng)營(yíng)養(yǎng)鹽順序完成測(cè)量和沖洗僅需45 min，除了硝酸鹽測(cè)量時(shí)間較長(zhǎng)，大約10 min之外，其他4項(xiàng)均在5 min中完成測(cè)量，節(jié)省了時(shí)間。每項(xiàng)測(cè)量需要的試劑用量大約為100～200 μL，存儲(chǔ)的試劑量最多可以完成250次的測(cè)量，方便快捷，省時(shí)省力。分析儀待機(jī)時(shí)功耗為2 W，工作時(shí)功耗小于12 W，能耗低。

檢測(cè)選用響應(yīng)時(shí)間短、光強(qiáng)穩(wěn)定、功耗低的LED燈為光源，波長(zhǎng)分別為543 nm(亞硝酸鹽和硝酸鹽)，365 nm(銨鹽),880 nm(磷酸鹽)和810 nm(硅酸鹽)。LED發(fā)出的光經(jīng)濾光片后經(jīng)塑料光纖進(jìn)行傳輸，由硅光電二極管檢測(cè)透射光強(qiáng)。分析儀利用自制的光纖耦合裝置，將光度法檢測(cè)所用的傳導(dǎo)543 nm，880 nm和810 nm波長(zhǎng)的3個(gè)光路的光纖耦合在一起。每個(gè)檢測(cè)光路采用1×2雙光路構(gòu)造，一路作為檢測(cè)光路，一路作為參比光路以消除LED 發(fā)光強(qiáng)度隨工作電壓和溫度而變化的影響?？傊舛葯z測(cè)光路采用三進(jìn)兩出的方式，熒光檢測(cè)光路采用一進(jìn)二出的方式。

圖3 化學(xué)反應(yīng)系統(tǒng)和檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Schematic diagram for the chemical reaction & detecting system

2.1.2 控制系統(tǒng)和信號(hào)處理系統(tǒng)

控制系統(tǒng)核心處理器選用的是ARM Cortex-M4架構(gòu)，嵌入μC-OSII實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。系統(tǒng)選用ITAE二次優(yōu)化控制對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制，并利用系統(tǒng)集中參數(shù)建模對(duì)系統(tǒng)控制過程進(jìn)行仿真研究。根據(jù)仿真結(jié)果，調(diào)整控制器參數(shù)，以實(shí)現(xiàn)控制過程的精準(zhǔn)度。

信號(hào)處理系統(tǒng)包含信號(hào)采集模塊和數(shù)據(jù)處理模塊。信號(hào)采集模塊通過光電二極管采集光信號(hào)，并利用前置信號(hào)處理電路模塊對(duì)信號(hào)進(jìn)行多級(jí)放大和低通濾波，如圖4所示；同時(shí)采用小波變換算法，提高信號(hào)的信噪比，突出信號(hào)的期望特征。

圖4 電路設(shè)計(jì)圖Fig.4 Diagram for circuit

圖5 數(shù)據(jù)采集與處理界面Fig.5 The interface for data acquisition and processing

在數(shù)據(jù)處理模塊中，建立波長(zhǎng)-吸光度模型，運(yùn)用多元線性回歸和主成分分析等方法，計(jì)算各物質(zhì)的濃度。分析儀采用嵌入式系統(tǒng)，具有程序化采樣功能，能自動(dòng)進(jìn)行取樣、測(cè)量和數(shù)據(jù)處理，并保存測(cè)量數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)可以通過串口輸出或內(nèi)存卡直接讀取,儀器配有遠(yuǎn)程傳輸模塊，可以遠(yuǎn)程操控和傳輸，數(shù)據(jù)采集與處理界面如圖5所示。

2.2 過濾單元

過濾單元主要包括直流泵、囊式過濾器、蠕動(dòng)泵和緩沖試劑袋。直流泵泵入海水后，經(jīng)0.45 μm的囊式過濾器進(jìn)行過濾，該過濾器過濾通量大，結(jié)合反沖洗可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期在線過濾，不易堵塞。過濾的海水存在緩沖試劑袋里，通過蠕動(dòng)泵完成進(jìn)樣。

2.3 試劑單元

試劑單元為試劑存儲(chǔ)倉(cāng)，配制好的試劑通過注射器裝進(jìn)試劑袋后，懸掛在試劑倉(cāng)中的支架上并通過特氟龍管與主機(jī)單元各試劑入口相連。試劑存儲(chǔ)倉(cāng)可以整體拆卸，非常方便更換。儀器所用試劑按照表2所列方法配制，所用純水為milli-q超純水，所用化學(xué)試劑均為分析純。

表2 分析儀所用試劑列表Table 2 List of the reagent for the nutrients analyzer

3 儀器性能測(cè)試

3.1 線性范圍和檢出限

按照國(guó)標(biāo)法海洋監(jiān)測(cè)規(guī)范(GB17378.4—2007)的要求分別配制5項(xiàng)營(yíng)養(yǎng)鹽標(biāo)準(zhǔn)濃度系列溶液，以濃度對(duì)吸光度/熒光強(qiáng)度作圖，得到標(biāo)準(zhǔn)曲線。檢出限(DL)的考察采用去離子水空白溶液，平行測(cè)定11次，將測(cè)定所得信號(hào)值轉(zhuǎn)換為濃度值后計(jì)算測(cè)定結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)偏差(SD)。儀器的檢出限按照公式DL=3.3 SD進(jìn)行計(jì)算。線性范圍及檢出限結(jié)果列入表3中。從結(jié)果可以看出，所得標(biāo)準(zhǔn)工作曲線線性關(guān)系良好，相關(guān)系數(shù)符合海洋監(jiān)測(cè)規(guī)范(GB17378.2—2007)大于0.98的要求。所得標(biāo)準(zhǔn)工作曲線寫入程序中，以進(jìn)一步進(jìn)行下一步的檢測(cè)工作。亞硝酸鹽、硝酸鹽、銨鹽、磷酸鹽和硅酸鹽的檢出限分別為：0.81,3.01,1.79,2.54,3.02 μg/L，與HY/T093—2005實(shí)驗(yàn)室營(yíng)養(yǎng)鹽分析儀[19]對(duì)檢出限的要求對(duì)比，除了磷酸鹽高于其1.0 μg/L的要求之外，其他4項(xiàng)的檢出限均優(yōu)于其對(duì)檢出限的要求，靈敏度較高。

表3 線性范圍及檢出限Table 3 Data of linear range and detection limit

3.2 準(zhǔn)確度和精密度

每項(xiàng)營(yíng)養(yǎng)鹽取3個(gè)已知濃度的樣品用儀器平行檢測(cè)3次取平均值，然后用相對(duì)誤差公式δ=Δ/L×100%求相對(duì)誤差來考察儀器的準(zhǔn)確度，計(jì)算每組數(shù)據(jù)的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差來考察儀器精密度，結(jié)果見表4。結(jié)果表明看，亞硝酸鹽、銨鹽、磷酸鹽的相對(duì)誤差小于±5%，硝酸鹽和硅酸鹽的相對(duì)誤差小于±10%。亞硝酸鹽、銨鹽、硅酸鹽的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差在3%之內(nèi)，硝酸鹽和磷酸鹽的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差在5%之內(nèi)。準(zhǔn)確度和精密度完全滿足海水樣品分析的要求，指標(biāo)優(yōu)于HY/T093—2005實(shí)驗(yàn)室營(yíng)養(yǎng)鹽分析儀要求[19],表明該營(yíng)養(yǎng)鹽分析儀也可用于實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的快速測(cè)量。

表4 海水五參數(shù)原位營(yíng)養(yǎng)鹽分析儀的準(zhǔn)確度和精密度數(shù)據(jù)

續(xù)表4

項(xiàng)目標(biāo)準(zhǔn)值/(μg·L-1)儀器檢測(cè)值/(μg·L-1)123平均值相對(duì)誤差/%相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差/%硅酸鹽2018．8618．7819．0318．89-5．550．68200204．45206．56207．41206．143．070．74500516．74514．36520．36517．153．430．58

3.3 現(xiàn)場(chǎng)比測(cè)

2015年10月12日—18日期間將研制的海水五參數(shù)原位營(yíng)養(yǎng)鹽分析儀，置于我所位于青島中苑碼頭的海洋岸邊實(shí)驗(yàn)站(坐標(biāo)36°06'N，120°31'E)進(jìn)行一周現(xiàn)場(chǎng)比測(cè)，每天09:00和15:00在線測(cè)樣，同時(shí)將現(xiàn)場(chǎng)海水采集并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室分析。實(shí)驗(yàn)室分析中亞硝酸鹽、硝酸鹽、銨鹽、正磷酸鹽和可溶性硅酸鹽分別依據(jù)海洋監(jiān)測(cè)規(guī)范GB17378.4—2007中的萘乙二胺分光光度法、鋅-鎘還原法、次溴酸鹽氧化法、磷鉬藍(lán)分光光度法、硅鉬藍(lán)法進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)室分析中所用的儀器為紫外-可見分光光度計(jì)(Agilent Cary 100)。儀器法與國(guó)標(biāo)法比對(duì)結(jié)果如圖6所示，可見五項(xiàng)營(yíng)養(yǎng)鹽儀器法與國(guó)標(biāo)法所得結(jié)果基本一致，能反應(yīng)營(yíng)養(yǎng)鹽含量的變化趨勢(shì)，適合原位在線監(jiān)測(cè)。

圖6 儀器法與國(guó)標(biāo)法測(cè)定結(jié)果比對(duì)Fig.6 Comparison between instrument method and national standard method

4 結(jié)論

本文研制的原位營(yíng)養(yǎng)鹽分析儀，在高精度微量蠕動(dòng)泵驅(qū)動(dòng)下完成5種營(yíng)養(yǎng)鹽的順序分析，方法簡(jiǎn)單快速，耗能低，靈敏度、精密度、準(zhǔn)確度都較高，與國(guó)標(biāo)方法進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)比對(duì)，結(jié)果顯示吻合度較高，能反映各項(xiàng)營(yíng)養(yǎng)鹽含量變化。應(yīng)用儀器操作，可減少人為誤差，減輕人員工作量。因使用試劑量少，廢液排放量少，無氣泡干擾，而且環(huán)流設(shè)計(jì)穩(wěn)定性高，適用于海水營(yíng)養(yǎng)鹽現(xiàn)場(chǎng)原位快速檢測(cè)。原位營(yíng)養(yǎng)鹽分析儀可以布放到科考船、臺(tái)站、浮標(biāo)等平臺(tái)上單獨(dú)使用，也可以與其他傳感器整合實(shí)現(xiàn)協(xié)同監(jiān)測(cè)，應(yīng)用在實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)也十分方便。該研究對(duì)推動(dòng)我國(guó)海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)和海洋調(diào)查的進(jìn)一步開展，具有重大的意義。

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