水中總磷小型自動(dòng)化檢測(cè)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)研究

馬靈威，孫楫舟，李 洋，佟建華，邊 超，夏善紅

(1.中國(guó)科學(xué)院電子學(xué)研究所，傳感技術(shù)聯(lián)合國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100190；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100190)

0 引言

磷是動(dòng)植物生長(zhǎng)的必要元素之一，但是當(dāng)水體中磷含量超標(biāo)時(shí)，就會(huì)發(fā)生諸如赤潮、水華等水體富營(yíng)養(yǎng)化事件[1]，為了及時(shí)控制和預(yù)防水體富營(yíng)養(yǎng)化事件的發(fā)生，快速準(zhǔn)確的總磷檢測(cè)對(duì)于環(huán)境污染的預(yù)防和治理十分重要[2]。

目前市場(chǎng)上已有的總磷自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)大多存在著依賴進(jìn)口、設(shè)備體積大、價(jià)格昂貴、操作復(fù)雜等問(wèn)題[3]。因此研制體積小、自動(dòng)化程度高、操作簡(jiǎn)單的水質(zhì)總磷檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)水環(huán)境污染的防治具有重要意義。水中總磷的檢測(cè)一般分為2步：第一步是總磷的消解預(yù)處理，將水樣中各種形式的磷轉(zhuǎn)換成正磷酸鹽的形式；第二步是磷酸根濃度的檢測(cè)[4]。本文面向水質(zhì)富營(yíng)養(yǎng)化關(guān)鍵指標(biāo)總磷的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，研制了基于順序注射分光光度法的水中總磷的小型自動(dòng)化檢測(cè)系統(tǒng)，系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)進(jìn)樣、流動(dòng)檢測(cè)、數(shù)據(jù)分析等功能?？偭椎南獠捎昧藢?shí)驗(yàn)室研制的基于紫外熱復(fù)合方法消解裝置[5]。對(duì)于磷酸鹽的檢測(cè)，系統(tǒng)選取了基于朗伯比爾定律的鉬酸銨分光光度法，它也是國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的總磷檢測(cè)方法，具有較高的檢測(cè)精度和準(zhǔn)確度。對(duì)于自動(dòng)化的進(jìn)樣，系統(tǒng)選用了順序注射法來(lái)進(jìn)行流路單元的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的樣品進(jìn)樣、試劑混合、流動(dòng)檢測(cè)等過(guò)程。此外，本文研究了溫度對(duì)系統(tǒng)檢測(cè)的影響。經(jīng)測(cè)試，研制系統(tǒng)可以對(duì)國(guó)家地表水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的I-V類水中的總磷含量進(jìn)行檢測(cè)。

1 總磷檢測(cè)原理

系統(tǒng)選用的檢測(cè)方法是應(yīng)用最為廣泛的鉬酸銨分光光度法[6]，其基本原理是：試樣中的磷酸鹽在酸性介質(zhì)中，在銻鹽存在的條件下，與鉬酸銨反應(yīng)生成磷鉬雜多酸，該化合物立即被抗壞血酸還原成藍(lán)色絡(luò)合物，在660 nm波長(zhǎng)的光源下測(cè)定相應(yīng)的吸光度值，吸光度的測(cè)量滿足朗伯比爾定律[7]。該定律是指當(dāng)一束單色光透過(guò)被測(cè)溶液時(shí)，由于溶質(zhì)分子對(duì)光的選擇性吸收，在一定的吸收光程下，被測(cè)溶液對(duì)光的吸收定律滿足式(1)。

(1)

式中：A為吸光度；I0為入射光強(qiáng)；I為出射光強(qiáng)；ε為摩爾吸光系數(shù)，對(duì)某一化合物在一定波長(zhǎng)下是常數(shù)；b為被光穿透的液層的厚度，即吸收光程；C為吸光物質(zhì)的濃度。

基于以上原理，當(dāng)光源波長(zhǎng)(660 nm)、被測(cè)物質(zhì)(磷酸鹽)以及吸收光程(20 mm)確定時(shí)，ε和b是常數(shù)，吸光度A與被測(cè)物質(zhì)的濃度C成線性關(guān)系，測(cè)定系列標(biāo)準(zhǔn)濃度(C1，C2，…)的磷酸鹽溶液的吸光度值(A1，A2，…)，通過(guò)線性擬合即可求出磷酸鹽在660 nm波長(zhǎng)下的標(biāo)準(zhǔn)工作曲線。水樣的測(cè)量只需在相同的條件下測(cè)得響應(yīng)的吸光度值，即可根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)工作曲線計(jì)算出水樣中磷的含量。

近年來(lái)，流動(dòng)分析技術(shù)作為一種溶液自動(dòng)化分析的方法被廣泛應(yīng)用于分析化學(xué)領(lǐng)域。對(duì)于磷酸鹽的檢測(cè)，V.Cerda 和 J.M.Estela[8]總結(jié)了各種適用于磷酸鹽檢測(cè)的流動(dòng)分析方法，其中順序注射法由于試劑消耗量低、易于控制、重復(fù)性好等特點(diǎn)，常被應(yīng)用于小型自動(dòng)化分析系統(tǒng)中。順序注射法的核心裝置由一個(gè)可以實(shí)現(xiàn)溶液抽吸注射泵和一個(gè)實(shí)現(xiàn)通道選擇的多位閥組成。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

根據(jù)總磷的檢測(cè)原理，系統(tǒng)主要由4部分組成：基于紫外熱復(fù)合方法的消解系統(tǒng)、基于順序注射法的流路系統(tǒng)、基于分光光度法的光學(xué)系統(tǒng)和基于STM32微控制器的控制系統(tǒng)。消解單元對(duì)總磷水樣進(jìn)行消解，流路單元結(jié)合控制單元實(shí)現(xiàn)水樣的自動(dòng)混合，檢測(cè)單元結(jié)合控制單元實(shí)現(xiàn)磷酸鹽濃度的自動(dòng)檢測(cè)。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 總磷自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)框圖

2.2 消解單元

消解單元選用的是本實(shí)驗(yàn)室研制的小型消解裝置，示意圖如圖2所示，由消解管、紫外燈、電熱片和熱電偶組成。該裝置是基于紫外熱復(fù)合的消解方法，選取高透紫外光特性的螺旋石英管作為消解管，通過(guò)柔性電熱片對(duì)消解管內(nèi)部水樣進(jìn)行加熱，采用熱電偶進(jìn)行實(shí)時(shí)溫度監(jiān)測(cè)，當(dāng)溫度達(dá)到80 ℃時(shí)，開(kāi)啟紫外燈，對(duì)水樣進(jìn)行消解，消解30 min。

2.3 流路單元

流路單元由工業(yè)級(jí)精密注射泵、10通道的多位閥和配套的管路組成，示意圖如圖3所示。與平衡態(tài)的化學(xué)反應(yīng)不同，利用順序注射法在狹窄管路中發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)是非平衡態(tài)的[9]。在檢測(cè)之前，需要對(duì)系統(tǒng)中的管路進(jìn)行預(yù)處理，需要將管路中的空氣排空，將定量環(huán)和檢測(cè)池的相應(yīng)管路中充滿載液(去離子水)，其余管路中應(yīng)充滿對(duì)應(yīng)液體。檢測(cè)時(shí)，多位閥和注射泵順序?qū)?05 μL鉬酸銨、75 μL磷酸鹽試樣、105 μL抗壞血酸連續(xù)抽取到2 mL定量環(huán)中，試樣帶在載流的攜帶下在管路中連續(xù)流動(dòng)，發(fā)生層流和擴(kuò)散效應(yīng)，使各溶液間發(fā)生交疊，進(jìn)而發(fā)生反應(yīng)。隨后使試樣帶在定量環(huán)處?kù)o置40 s并且將其流向連續(xù)反轉(zhuǎn)2次，以增加展寬和擴(kuò)散效應(yīng)。然后將試樣帶連續(xù)推送到檢測(cè)池進(jìn)行吸光值的檢測(cè)，本系統(tǒng)中檢測(cè)池的光路出口連接光學(xué)檢測(cè)單元光電轉(zhuǎn)換模塊，將光強(qiáng)信號(hào)轉(zhuǎn)換成光電壓值進(jìn)行表征，因此檢測(cè)到的信號(hào)是一個(gè)連續(xù)變化的電壓信號(hào)。在這一流動(dòng)檢測(cè)過(guò)程中，由于反應(yīng)是非平衡態(tài)的，鉬酸銨、磷酸鹽形成的雜多酸部分被抗壞血酸還原成藍(lán)色絡(luò)合物，但是由于順序注射法是高度時(shí)機(jī)重現(xiàn)的，即反應(yīng)時(shí)間、溶液量都是精確控制和嚴(yán)格一致的，這就使得反應(yīng)過(guò)程中每個(gè)樣品中被還原的雜多酸的百分比總是相同的。

圖3 流路單元系統(tǒng)示意圖

每個(gè)水樣的測(cè)試過(guò)程都需要將75 μL的磷酸鹽試樣替換為75 μL的去離子水進(jìn)行基線的檢測(cè)。將磷酸鹽檢測(cè)的光電壓曲線與基線作差，得到的峰差曲線的峰值與試樣中磷酸鹽的濃度成比例關(guān)系。

2.4 光學(xué)檢測(cè)單元

光學(xué)檢測(cè)單元由LED驅(qū)動(dòng)器、660 nm波長(zhǎng)光源、流通檢測(cè)池和光電檢測(cè)模塊組成，各器件之間由光纖耦合。該檢測(cè)單元具有光路簡(jiǎn)單、易于維護(hù)、體積小等特點(diǎn)。光電檢測(cè)模塊基于單片二極管放大器OPT101進(jìn)行設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)將光強(qiáng)信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)的功能。影響該模塊輸出信號(hào)大小的因素有光源強(qiáng)度、光源距芯片感光單元的垂直距離以及角度，為了準(zhǔn)確測(cè)量，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的電路板夾具對(duì)模塊進(jìn)行固定，以確保距離和角度的一致性。光電探測(cè)器的輸出信號(hào)交由A/D檢測(cè)模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。A/D轉(zhuǎn)換模塊選用的AD7790進(jìn)行設(shè)計(jì)，該芯片是低功耗低噪聲的16位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，最高采樣頻率為120 Hz，適合對(duì)低頻信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)。參考電壓為2.5 V，因此電壓的分辨率為0.076 mV。

2.5 控制單元

控制單元采用STM32F407作為主控芯片。搭載 μC/OS-III嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制。外圍驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)包括注射泵和多位閥驅(qū)動(dòng)電路、溫度測(cè)控單元、紫外燈驅(qū)動(dòng)電路、液晶屏驅(qū)動(dòng)電路等?？刂茊卧饕獜能浻布蠈?shí)現(xiàn)對(duì)其他3個(gè)單元的驅(qū)動(dòng)和控制，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

3 結(jié)果與討論

3.1 光電探測(cè)器的性能測(cè)試

光電探測(cè)器是光學(xué)檢測(cè)系統(tǒng)的核心模塊，其檢測(cè)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性直接影響磷酸鹽的檢測(cè)結(jié)果。因此分別采用設(shè)計(jì)的光電檢測(cè)電路和光電流放大器對(duì)相同光源強(qiáng)度的信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，將光學(xué)檢測(cè)模塊輸出的光電壓值進(jìn)行處理后得到相應(yīng)的光電流值，對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示，從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，光電壓檢測(cè)電路具有較大的輸出響應(yīng)，并且與商用光電檢測(cè)儀器之間具有較好的一致性。

圖4 光電探測(cè)器與商用檢測(cè)器結(jié)果比較

3.2 溫度對(duì)系統(tǒng)檢測(cè)的影響

由于光學(xué)部分的檢測(cè)過(guò)程受溫度影響較大，本文重點(diǎn)研究了溫度對(duì)順序注射-分光光度法的影響，通過(guò)水浴加熱控制定量環(huán)處的溫度從25 ℃變化至65 ℃，在不同溫度下分別測(cè)量0.5 mg/L磷酸鹽對(duì)應(yīng)的光電壓曲線的峰值信號(hào)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在25～59 ℃溫度范圍內(nèi)，隨著溫度增加，輸出信號(hào)隨之增大；59 ℃之后隨之減小；當(dāng)溫度到達(dá)65 ℃時(shí)，光電壓曲線產(chǎn)生了畸變，無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)磷酸鹽的測(cè)量。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析認(rèn)為反應(yīng)部分定量環(huán)的環(huán)境溫度應(yīng)控制在59 ℃以下。

圖5 峰值信號(hào)隨溫度變化情況

3.3 重復(fù)性與標(biāo)準(zhǔn)曲線

配制系列標(biāo)準(zhǔn)濃度的磷酸鹽溶液(0.05、0.01、0.25、0.5、1.0 mg/L)，用研制系統(tǒng)分別測(cè)量相應(yīng)的光電壓峰值信號(hào)，結(jié)果如圖6所示，從結(jié)果可以看出，在660 nm波長(zhǎng)的光源下，系統(tǒng)的輸出信號(hào)與磷酸鹽的濃度成良好的線性關(guān)系[靈敏度為0.850 2 V/(mg·L-1)，R2=0.999 9]，檢測(cè)下限為0.014 mg/L。使用研制系統(tǒng)對(duì)磷酸鹽濃度為0.5 mg/L的溶液在不同時(shí)間進(jìn)行5次峰電壓值的測(cè)量，測(cè)量結(jié)果如表1所示，從表1可以看出，系統(tǒng)具有較好的重復(fù)性，多次測(cè)量的相對(duì)偏差不超過(guò)6%。

圖6 磷酸鹽檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)工作曲線

序號(hào)0.5 mg/L磷酸鹽的測(cè)量值相對(duì)偏差/%10.498-0.420.493-1.430.471-5.840.519+3.850.470-6.0

4 結(jié)論

本文基于鉬酸銨分光光度法，設(shè)計(jì)了基于朗伯比爾定律的總磷光學(xué)檢測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)磷酸鹽溶液的準(zhǔn)確檢測(cè)；基于順序注射法，設(shè)計(jì)了重復(fù)性好、試劑消耗量少的流路控制系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)溶液的自動(dòng)進(jìn)樣和流動(dòng)檢測(cè)。研究了溫度對(duì)光學(xué)檢測(cè)系統(tǒng)的影響，對(duì)日后應(yīng)用于在線監(jiān)測(cè)具有參考意義。最后，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了曲線標(biāo)定和重復(fù)性測(cè)量的實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，研制的總磷自動(dòng)化檢測(cè)系統(tǒng)具有良好的線性和重復(fù)性，并且具有體積小、操作簡(jiǎn)單、試劑消耗量少的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)總磷的在線監(jiān)測(cè)具有重要意義。