基于微流控技術(shù)的氨氮總氮總磷在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

(杭州綠潔環(huán)境科技股份有限公司，杭州 310015)

1 前言

水環(huán)境監(jiān)測(cè)參數(shù)種類(lèi)繁多，氨氮、總氮、總磷是水質(zhì)監(jiān)測(cè)的重要常規(guī)指標(biāo)。水體中的總氮指的是水中有機(jī)氮、氨氮、亞硝酸鹽氮、硝酸鹽氮的總和，主要來(lái)自農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的化肥流失。氨氮主要來(lái)自人和動(dòng)物的排泄物，農(nóng)用化肥的流失等，以及化工、冶金、油漆顏料、照相、煤氣、煉焦、鞣革、化肥等工業(yè)廢水。總磷是水中各種形態(tài)磷的總和，主要來(lái)自生活污水、化肥、有機(jī)磷農(nóng)藥及近代洗滌劑所用的磷酸鹽增潔劑等。

氮和磷是湖泊水體生產(chǎn)力的限制因子。氮磷的超標(biāo)會(huì)引起湖泊、河流等水體富營(yíng)養(yǎng)化，藻類(lèi)過(guò)度生長(zhǎng)，水質(zhì)變壞，發(fā)生水華或者赤潮，破壞水環(huán)境生態(tài)平衡。

環(huán)境中有毒物質(zhì)的快速檢測(cè)是目前快速檢測(cè)領(lǐng)域的重點(diǎn)和難點(diǎn)之一。微流控芯片用于操作微小網(wǎng)絡(luò)通道(5～500微米)中的流體，傳輸微升至毫微升量級(jí)的流體。和常規(guī)的儀器系統(tǒng)相比，微流控芯片技術(shù)極大降低了試劑、樣品的消耗量、降低了成本[1,2]。而且在微流控通道中，傳熱、傳質(zhì)速度比常規(guī)體系快，反應(yīng)時(shí)間或分析時(shí)間大大縮短。微流控芯片技術(shù)在化學(xué)、生物、生物醫(yī)學(xué)工程有著廣泛的應(yīng)用[2]，近年也逐步應(yīng)用于環(huán)保領(lǐng)域[3]。

采用微流控芯片研發(fā)的在線分析儀器能夠最大限度的把采樣、稀釋、加試劑、反應(yīng)等功能集成為一體，微流控芯片是實(shí)現(xiàn)常規(guī)化學(xué)或生物實(shí)驗(yàn)室的各種功能的芯片統(tǒng)稱(chēng)，其中的流體是可控的，通過(guò)芯片的設(shè)計(jì)與控制，可以調(diào)整和優(yōu)化反應(yīng)物的量、反應(yīng)時(shí)間以及流速、溫度等其它條件。此外，采用多通道微流控芯片微管路定量、微量注射泵定量可避免各種試劑的交叉污染。

2 檢測(cè)原理

氨氮檢測(cè)基于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)水楊酸分光光度法，通過(guò)系統(tǒng)控制，自動(dòng)完成水樣采集。水樣進(jìn)入反應(yīng)池在恒溫條件下經(jīng)氧化作用，在堿性介質(zhì)中，氨與二氯異三聚氰酸鈉、水楊酸反應(yīng)生成一種穩(wěn)定的藍(lán)色化合物，該絡(luò)合物的吸光度與氨氮的含量成正比。在特定波長(zhǎng)下，反應(yīng)后的混合液體進(jìn)入比色池，用光電比色法檢測(cè)與色度相關(guān)的信號(hào)，通過(guò)測(cè)定其吸光度即可計(jì)算水樣中氨氮含量。

總氮檢測(cè)基于過(guò)硫酸鉀消解-硫酸肼還原鹽酸萘乙二胺分光光度法，在堿性環(huán)境中，通過(guò)紫外燈和過(guò)硫酸鉀協(xié)同消解，產(chǎn)生氧化性極強(qiáng)的羥基自由基將試樣中的氮全部氧化成硝基氮。硝基氮在堿性介質(zhì)中，銅催化劑存在時(shí)，被硫酸肼還原生成亞硝基氮。亞硝基氮在酸性條件下與磺胺生成重氮化合物，后者與鹽酸萘乙二胺偶合，生成紫紅色偶氮化合物，該物質(zhì)在波長(zhǎng)540nm下，定量比色分析。總氮檢測(cè)分為堿性過(guò)硫酸鹽消解、還原劑還原，通過(guò)比色法檢測(cè)亞硝酸氮。

總磷檢測(cè)基于國(guó)標(biāo)法-鉬酸銨分光光度法，中性條件下用過(guò)硫酸鉀消解試樣，將磷物質(zhì)全部氧化為正磷酸鹽，酸性介質(zhì)條件下，磷酸鹽與鉬酸銨在銻鹽存在下生成磷鉬雜多酸，被抗壞血酸還原，形成藍(lán)色的絡(luò)合物，進(jìn)行吸光度檢測(cè)，根據(jù)不同吸光度對(duì)應(yīng)不同濃度求出磷酸鹽的含量。

3 系統(tǒng)的研制

3.1 總體設(shè)計(jì)

微流控在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是基于微流控芯片技術(shù)研發(fā)的在線檢測(cè)設(shè)備，檢測(cè)指標(biāo)包括總氮、總磷和氨氮。儀器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)集總氮、總磷和氨氮監(jiān)測(cè)儀于一體，可同時(shí)檢測(cè)3個(gè)指標(biāo)，亦可進(jìn)行單指標(biāo)檢測(cè)或者任意組合指標(biāo)檢測(cè)。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的操作界面顯示實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，可進(jìn)行各項(xiàng)操作，如歷史數(shù)據(jù)查看與導(dǎo)出。此外，各檢測(cè)模塊設(shè)計(jì)獨(dú)立的操作界面。

3.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

微流控在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)為柜式結(jié)構(gòu)(長(zhǎng)×寬×高 = 600 mm × 400 mm × 600mm)，設(shè)計(jì)有3個(gè)獨(dú)立的監(jiān)測(cè)儀(在線總磷監(jiān)測(cè)儀、在線氨氮監(jiān)測(cè)儀、在線總氮監(jiān)測(cè)儀)，可進(jìn)行任意組合。

監(jiān)測(cè)儀由進(jìn)樣模塊、定量模塊(微流控芯片)和消解比色模塊等組成(圖1)。進(jìn)樣模塊包括進(jìn)樣閥組件和蠕動(dòng)泵，進(jìn)樣閥組件通過(guò)閥的開(kāi)關(guān)控制水樣和試劑進(jìn)入對(duì)應(yīng)的芯片通道中，蠕動(dòng)泵設(shè)計(jì)為進(jìn)樣提供驅(qū)動(dòng)力。定量模塊由微流控芯片、蠕動(dòng)泵等組成，微流控芯片采用微通道，并設(shè)計(jì)溢流通道與定量通道相連，水樣或試劑進(jìn)入微通道后，溢流進(jìn)入溢流通道，保證微通道充滿液體，啟動(dòng)蠕動(dòng)泵反轉(zhuǎn)排出溢流通道的液體。消解比色模塊由內(nèi)置光源、比色皿、光電池等組成。微通道中的液體進(jìn)入消解檢測(cè)模塊發(fā)生消解反應(yīng)，反應(yīng)冷卻后，開(kāi)啟光源檢測(cè)反應(yīng)物的吸光度。檢測(cè)完畢，儀器開(kāi)啟微型蠕動(dòng)泵，排出反應(yīng)后試劑，并進(jìn)行管道清洗。監(jiān)測(cè)儀右側(cè)設(shè)計(jì)有試劑存放空間，可存放試劑瓶，右側(cè)上方設(shè)計(jì)顯示屏，可單獨(dú)進(jìn)行各指標(biāo)的檢測(cè)操作。

3.3 芯片設(shè)計(jì)

微流控芯片采用模塊化設(shè)計(jì)，不同芯片基于基礎(chǔ)芯片設(shè)計(jì)不同的進(jìn)樣定量通道。氨氮芯片使用3條定量通道，分別為1600μL水樣通道、100μL氧化劑通道、100μL顯色劑通道；總氮芯片使用全部的5條定量通道，分別為1000μL水樣通道、100μL氧化劑、100μL催化劑、100μL還原劑、1600μL顯色劑；總磷芯片使用4條定量通道，分別為2000μL水樣通道、320μL氧化劑通道、160μL還原劑通道、160μL顯色劑通道。通道上部設(shè)有試劑溢流口及氣泵進(jìn)氣口，下部設(shè)有試劑進(jìn)口、試劑出口，利用三通閥控制進(jìn)口、出口開(kāi)關(guān)。利用蠕動(dòng)泵將試劑泵入芯片，通過(guò)控制蠕動(dòng)泵轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間保證試劑充滿芯片通道，多余試劑溢流回試劑瓶。利用氣泵將芯片中試劑吹入各反應(yīng)模塊，通過(guò)節(jié)流閥門(mén)調(diào)節(jié)控制氣流大小，三通閥控制氣泵進(jìn)氣口的開(kāi)關(guān)，通過(guò)控制氣泵工作時(shí)間保證將試劑全部排出芯片通道。芯片基礎(chǔ)設(shè)計(jì)見(jiàn)圖2，實(shí)物圖見(jiàn)圖3。

圖1 微流控在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖2 定量進(jìn)樣芯片設(shè)計(jì)圖

圖3 定量進(jìn)樣芯片實(shí)物圖

3.4 控制電路設(shè)計(jì)

微流控在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)控制電路設(shè)計(jì)包括控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及電路主圖設(shè)計(jì)、單片機(jī)電路設(shè)計(jì)、通訊電路、電機(jī)控制電路、模擬信號(hào)采集電路、電源電路、開(kāi)關(guān)控制電路、大功率開(kāi)關(guān)控制電路和溫度讀取電路等。

控制系統(tǒng)包括系統(tǒng)控制硬件和軟件，系統(tǒng)控制硬件采用安卓Y7P10觸摸屏系統(tǒng)，具有數(shù)據(jù)采集、處理、顯示存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)輸出等功能和故障信息反饋功能；帶有RS485和RS232接口，符合HJ/T 212標(biāo)準(zhǔn)具有模擬量和數(shù)字量輸出接口，通過(guò)數(shù)字量接口可接收遠(yuǎn)程控制指令；符合HJ 477標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)應(yīng)存儲(chǔ)至少12個(gè)月的原始數(shù)據(jù)，可以設(shè)置條件查詢(xún)和顯示歷史數(shù)據(jù)。控制軟件將檢測(cè)流程編譯為腳本語(yǔ)言，并將腳本文件導(dǎo)入安卓系統(tǒng)，儀器各組件和模塊按照腳本語(yǔ)言指令執(zhí)行測(cè)試功能。

4 系統(tǒng)性能檢測(cè)與試用

4.1 檢出限

依據(jù)《合格評(píng)定 化學(xué)分析方法確認(rèn)和驗(yàn)證指南》(GB/T 27417-2017)，加入最低可接受濃度的樣品空白獨(dú)立測(cè)試10次，以3s(s為標(biāo)準(zhǔn)偏差)的定量表示方法驗(yàn)證儀器的最低檢出限。

根據(jù)校準(zhǔn)的要求，取對(duì)應(yīng)測(cè)量成分檢出限的3倍或者低于檢出限3倍濃度的標(biāo)準(zhǔn)溶液作測(cè)量點(diǎn)，配置氨氮濃度為0.1 mg/L、總氮濃度為0.1 mg/L和總磷濃度為0.02 mg/L 的標(biāo)液，對(duì)其重復(fù)測(cè)量10次，記錄儀器的測(cè)得值，計(jì)算儀器的檢出限[4]。測(cè)定結(jié)果表明，氨氮檢出限為0.030 mg/L，總氮檢出限為0.032 mg/L，總磷檢出限為0.015 mg/L(表1)。

表1 微流控在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的檢出限測(cè)定結(jié)果

4.2 重復(fù)性

在相同環(huán)境條件下，重復(fù)測(cè)定濃度為80%量程值的標(biāo)準(zhǔn)溶液6次[5]，即配置濃度分別為4.0 mg/L、4.0 mg/L、0.040 mg/L的氨氮、總氮、總磷標(biāo)準(zhǔn)溶液，每小時(shí)測(cè)量1次，連續(xù)測(cè)量6次，記錄示值，計(jì)算儀器的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差，即為儀器的重復(fù)性(也可理解為儀器的精密度[5])，微流控在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)氨氮、總氮、總磷的重復(fù)性均小于3%(表2)。

表2 微流控在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的重復(fù)性

4.3 零點(diǎn)漂移

在環(huán)境條件下，采用5%量程標(biāo)準(zhǔn)溶液，配制濃度分別為0.25 mg/L、0.25 mg/L、0.025 mg/L的氨氮、總氮、總磷標(biāo)準(zhǔn)溶液，每小時(shí)測(cè)量1次，連續(xù)測(cè)量24小時(shí)，記錄測(cè)量的初始值，取偏離初始值最大的測(cè)量值，計(jì)算最大變化幅度相對(duì)于滿量程溶液的百分率，即為該參數(shù)的零點(diǎn)漂移值[6-8]。在線微流控系統(tǒng)氨氮的零點(diǎn)漂移為0.32%，總氮的零點(diǎn)漂移為-0.68%，總磷的零點(diǎn)漂移為-1.60%(表3)。

表3 微流控在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的零點(diǎn)漂移

續(xù)表3

4.4 量程漂移

在環(huán)境條件下，采用80%量程標(biāo)準(zhǔn)溶液，配制濃度分別為4.0 mg/L、4.0 mg/L、0.040 mg/L的氨氮、總氮、總磷標(biāo)準(zhǔn)溶液，每小時(shí)測(cè)量1次，連續(xù)測(cè)量24小時(shí)，記錄測(cè)量的初始值，取偏離初始值最大的測(cè)量值，計(jì)算最大變化幅度相對(duì)于滿量程溶液的百分率，即為該參數(shù)的量程漂移值[9]。在線微流控系統(tǒng)氨氮的量程漂移為-2.42%，總氮的零點(diǎn)漂移為8.02%，總磷的零點(diǎn)漂移為6.40%(表4)。

表4 微流控在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的量程漂移

4.5 實(shí)際水樣比對(duì)

選擇3種實(shí)際水樣為原水、出廠水、管網(wǎng)水，使用微流控在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)分別測(cè)試其氨氮、總氮、總磷濃度，同時(shí)，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)，將兩者的測(cè)定結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，計(jì)算各指標(biāo)實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果與在線監(jiān)測(cè)結(jié)果之間的相對(duì)誤差絕對(duì)值的平均值[5-8]。其中，由于水樣中總磷含量過(guò)低，對(duì)出口水及管網(wǎng)水進(jìn)行加標(biāo)處理，加標(biāo)濃度為0.2 mg/L。測(cè)試結(jié)果表明，原水、出口水、管網(wǎng)水氨氮、總氮的實(shí)際水樣比對(duì)結(jié)果小于30%(表5)。原水總磷濃度為0.099 mg/L，實(shí)際水樣比對(duì)結(jié)果為48.6%，而出口水、管網(wǎng)水總磷濃度分別為0.022 mg/L、0.023 mg/L，加標(biāo)后，總磷的實(shí)際水樣比對(duì)結(jié)果小于15%。主要原因是水中總磷和氨氮的值低于或接近儀器的檢出限，儀器檢測(cè)存在較大偏差。

表5 微流控在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)際水樣比對(duì)測(cè)定結(jié)果

續(xù)表5

5 結(jié)論

微流控在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)性能滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，具有廣闊的使用前景。該儀器主要優(yōu)勢(shì)為試劑消耗量少，最低試劑消耗量低至微升級(jí)別，減少了儀器的運(yùn)維頻率及運(yùn)維成本；各試劑通道獨(dú)立，避免了由于公共管路導(dǎo)致試劑間的交叉污染，保證了測(cè)試的穩(wěn)定性及準(zhǔn)確性；試劑可回收，正是由于各個(gè)試劑通道的相對(duì)獨(dú)立，多余的試劑能夠流回試劑瓶供下次使用。

系統(tǒng)研發(fā)和使用中仍存在一些問(wèn)題，(1)設(shè)備散熱效果不佳。集成機(jī)柜中的設(shè)備過(guò)于集中，導(dǎo)致設(shè)備整體的散熱功能不佳，并對(duì)試劑的保質(zhì)期構(gòu)成威脅；(2)缺少合適的前處理裝置。當(dāng)實(shí)際水樣中的顆粒物較多時(shí)，容易導(dǎo)致芯片的堵塞，影響系統(tǒng)的正常使用。

在以后研發(fā)優(yōu)化過(guò)程中，可針對(duì)試劑儲(chǔ)存位置進(jìn)行溫控設(shè)計(jì)，延長(zhǎng)試劑保質(zhì)期；增加前處理裝置，防止水樣中顆粒物堵塞芯片的風(fēng)險(xiǎn)。