基于光纖和平面反射鏡改變光路的吸光度測定裝置設(shè)計及應(yīng)用

(桂林電子科技大學(xué)生命與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，桂林 541004)

吸光光度法因靈敏度高、儀器設(shè)備簡單、操作方便、快速等優(yōu)點，是環(huán)境監(jiān)測最常用的儀器分析方法之一[1,2]。采用吸光光度法檢測樣品時，為了避免環(huán)境水樣中顆粒物產(chǎn)生的折射、散射的影響，需事先濾除水樣中的顆粒物質(zhì)獲取澄清溶液。如今環(huán)境監(jiān)測的發(fā)展趨勢是在線、實時、自動[3-5]。要實現(xiàn)從采樣到測定全過程的自動分析，在線過濾不可或缺。然而，對于現(xiàn)場自動監(jiān)測儀器，在工作過程中，由于水質(zhì)渾濁，在線過濾器濾膜易受到顆粒物的堵塞，進(jìn)而導(dǎo)致現(xiàn)場自動監(jiān)測儀器的癱瘓[6]。目前，以吸光光度法為基礎(chǔ)的自動監(jiān)測儀器在現(xiàn)場的工作時長受限于過濾裝置的使用壽命[7]，在線過濾已然成了阻礙現(xiàn)場自動監(jiān)測的瓶頸。如能發(fā)展一種省去在線過濾步驟，水樣不過濾即可測定的吸光光度方法，將極大地延長現(xiàn)場自動監(jiān)測儀器的使用壽命。

固相反射吸光光度法[8-10]是基于有色物質(zhì)的表面反射吸收建立的分析方法，可直接測定不透明固體表面對光線的吸收程度。受此啟發(fā)，擬采用光纖改變光路，在比色皿背面加反射鏡改變光線傳播方向和吸收光程，可與商品化分光光度計匹配的吸光度測定新裝置，并應(yīng)用于水樣中亞硝酸根離子的測定。由于光路的改變，當(dāng)測定液濁度不大可透光時，測定吸光度是表面吸收和透光吸收之和；如果測定液渾濁不透光時，測定的主要是顯色液的表面反射吸光度。此裝置不僅延長了透光光程，且可測定溶液表面反射吸光度，即可應(yīng)用于澄清水樣的測定也可測定渾濁水樣的測定。

1 方法

1.1 基于光纖和比色皿背面反射鏡改變光路的吸光度測定裝置設(shè)計與制作

1.1.1 裝置設(shè)計

基于光纖和反射鏡改變光傳播路徑的特性，設(shè)計如圖1所示的與VIS-723N型可見分光光度計匹配使用的吸光度測定裝置，目的是改變儀器的入射光傳播方向，使得儀器光源的入射光不僅可透過溶液且可在溶液表面進(jìn)行反射，經(jīng)過平面鏡或溶液表面改變傳播方向的光束在儀器的檢測器端接收，測得吸光度。

圖1 吸光度測定裝置光路示意圖

1.1.2 裝置設(shè)計圖

根據(jù)1.1.1中圖1設(shè)計要求，在AutoCAD 2014中繪制出測定裝置3D圖，其3D示意圖如圖2所示。圖2中1，2，3，4為底座固定孔；5，6為光纖固定孔；7為平面鏡與比色皿支撐臺，且平面鏡槽中的鏡面與比色皿面緊貼。吸光度測定裝置三視尺寸圖見圖3，其中注釋的長度單位為mm。

圖2 吸光度測定裝置3D示意圖

圖3 吸光度測定裝置三視圖a.主視圖 ；b .左視圖 ；c.俯視圖

1.2 利用裝置建立水樣中亞硝酸根離子吸光光度方法

方法的總思路：水樣不經(jīng)過濾直接加入顯色劑，反應(yīng)平衡后，測定樣品液的吸光度。通過實驗考察吸光度與濁度的關(guān)系，分析濁度對樣品溶液吸光度測定的影響規(guī)律，獲得樣品溶液吸光度修正公式。利用修正公式，對樣品溶液的吸光度進(jìn)行修正，基于標(biāo)準(zhǔn)方法的標(biāo)準(zhǔn)曲線定量水樣中亞硝酸根離子濃度。詳細(xì)介紹如1.2.1～1.2.3。此外，實驗所用試劑均為國產(chǎn)分析純試劑。

1.2.1 吸光度測定方法

將按照1.1設(shè)計方法制作的吸光度測定裝置安裝在VIS-723N型可見分光光度計的比色池架基座上，安裝好平面鏡，通過前后滑動吸光度測定裝置微調(diào)裝置位置，當(dāng)檢測器接收到最大光強時，即可固定吸光度測定裝置。利用儀器的實時測量功能，以超純水為參比，測得值即為吸光度。

1.2.2 濁度對吸光度影響的修正公式推導(dǎo)

配制不同濁度(T)基底的的系列亞硝酸根離子標(biāo)準(zhǔn)溶液，參照亞硝酸根離子標(biāo)準(zhǔn)測定方法[11]加入顯色劑溶液，反應(yīng)20min，采用1.2.1介紹方法測定各溶液的吸光度。分析吸光度與亞硝酸根離子濃度和濁度的關(guān)系，采用回歸分析方法，獲得濁度對吸光度影響的修正公式AT=f(T)。

1.2.3實際水樣中亞硝酸根離子的測定方法

以超純水為基底配制濃度為0～0.64 mg/L范圍內(nèi)的系列亞硝酸根離子標(biāo)準(zhǔn)溶液50.00mL，參照亞硝酸根離子標(biāo)準(zhǔn)測定方法[11]加入顯色溶液，反應(yīng)20min，按1.2.1介紹方法，在540nm波長下，測定各標(biāo)準(zhǔn)溶液的吸光度A，以亞硝酸根離子濃度(C)為橫坐標(biāo)，吸光度A為縱坐標(biāo)，繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線。取實際水樣50.00mL，不經(jīng)過濾，按標(biāo)準(zhǔn)曲線測定方法，加入相同量的顯色試劑和反應(yīng)相同時間后，測定吸光度AS；同時，按照濁度的標(biāo)準(zhǔn)測定方法[12]測定水樣的濁度T，由AT=f(T)計算AT。將AS-AT代入標(biāo)準(zhǔn)曲線回歸方程即可計算水樣中亞硝酸根離子濃度。

2 結(jié)果與討論

2.1 裝置制作成型及性能

根據(jù)1.1設(shè)計方法和要求，采用3D打印制作吸光度測定裝置，并安裝上反光鏡與比色皿，得到裝置實物圖如圖4所示。

圖4 吸光度測定裝置實物圖

通過測試，所制作的裝置具有以下性能：(1)測定裝置底座尺寸與可見分光光度計匹配，可方便固定與拆卸；(2)儀器光源發(fā)出的光經(jīng)過裝置后，可在檢測器端接收；(3)重復(fù)測定時，吸光度變化在±0.010 范圍內(nèi)變化。

2.2 裝置的應(yīng)用結(jié)果

2.2.1 吸光度與濁度以及亞硝酸根離子濃度的關(guān)系

按照1.2方法，測定了0～0.64 mg/L的系列亞硝酸根離子標(biāo)準(zhǔn)溶液在不同濁度基底(0～200NTU)下的吸光度。結(jié)果表明，在相同濁度基底下，吸光度與亞硝酸根離子濃度成正比，它們的線性回歸方程如表1所列，各回歸方程的斜率為1.360 ± 0.095(n=12)，斜率基本保持一致，說明，濁度不會影響方法的靈敏度，即每增加單位濃度的亞硝酸根離子產(chǎn)生的吸光度增值不受濁度的影響?？梢?，因亞硝酸根離子產(chǎn)生的吸光度與因濁度基底產(chǎn)生的吸光度具有加和性。如能探尋到吸光度與濁度的關(guān)系式AT=f(T)，那么在測定不過濾水樣中亞硝酸根離子濃度時，只需按照標(biāo)準(zhǔn)方法測定總吸光度(AS)和濁度(T)，根據(jù)公式AT=f(T)計算出AT，將AS-AT代入標(biāo)準(zhǔn)曲線回歸方程即可計算水樣中亞硝酸根離子濃度。

表1 不同濁度基底下，吸光度與濃度關(guān)系

續(xù)表1

2.2.2 濁度對吸光度影響的修正公式推導(dǎo)及驗證

表1中各回歸方程截距，理論上是亞硝酸根離子濃度為0時，待測溶液的吸光度。實際上，各回歸方程的截距實際上最主要是待測溶液中的濁度產(chǎn)生的吸光度AT。因此，以AT為縱坐標(biāo)，濁度T為橫坐標(biāo)，畫關(guān)系曲線(圖5)，即為濁度對吸光度影響曲線。圖5表明，AT與濁度T成顯著線性相關(guān)(P= 4.46×10-3)，線性關(guān)系曲線回歸方程為AT= 7×10-4T+ 0.011(n=12，R2= 0.9617)，回歸方程即為濁度對吸光度影響的修正公式。

圖5 濁度對吸光度的影響

為了進(jìn)一步驗證修正公式的普適性和可靠性。隨機(jī)配制了10個不同濃度不同濁度基底的亞硝酸根離子標(biāo)準(zhǔn)溶液，按1.2.3方法，制作標(biāo)準(zhǔn)曲線，測定各溶液中亞硝酸根離子濃度，以配制濃度為真值計算測量值的誤差，結(jié)果見表2。表2數(shù)據(jù)表明，測量值誤差在-5.83% ～ 3.33%范圍內(nèi)，說明本研究推導(dǎo)的吸光度修正公式是可靠的，具有一定的普適性。

表2 隨機(jī)濃度、隨機(jī)濁度水樣的測定結(jié)果

2.2.3 實際水樣中亞硝酸根離子的測定結(jié)果

2017年6月24日，在桂林電子科技大學(xué)花江校區(qū)景觀湖和桂林市靈田鎮(zhèn)花江采集了10個水樣。每個水樣分成兩份，一份經(jīng)過濾，采用標(biāo)準(zhǔn)方法[11]測定其中的亞硝酸根離子含量，另一份用本研究提出的方法測定。以經(jīng)典方法測定結(jié)果(X)為橫坐標(biāo)，本研究方法測定結(jié)果(Y)為縱坐標(biāo)，畫關(guān)系曲線，如圖6所示。圖6表明兩者呈現(xiàn)顯著的線性相關(guān)關(guān)系(P= 1.72×10-11)，線性回歸方程為Y= 1.0087X- 0.0005(n=10，R2= 0.9926)，回歸方程斜率接近1，說明，兩者測定結(jié)果無顯著性差異，說明本論文提出的方法可應(yīng)用于實際水樣中亞硝酸根離子的測定。

圖6 標(biāo)準(zhǔn)方法和本研究方法測定結(jié)果關(guān)系

3 結(jié)論

本研究自制了與商用分光光度計相匹配的基于光纖和比色皿背面反射鏡改變光路的吸光度測定裝置，并使用該裝置研究了濁度對亞硝酸根離子吸光度的影響，發(fā)現(xiàn)試樣因濁度產(chǎn)生的吸光度與亞硝酸根離子的吸光度具有加和性，通過對大量實驗數(shù)據(jù)的回歸分析，獲得了濁度對吸光度影響的修正公式。進(jìn)而，建立了實際水樣中亞硝酸根離子的吸光度測定方法。建立的方法與標(biāo)準(zhǔn)方法測定結(jié)果無顯著差異。如將其發(fā)展成在線檢測方法，可避免在線過濾這一瓶頸問題。

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