紫外光譜法海水硝酸鹽原位檢測技術(shù)研究進展

董 晶，唐軍武，吳國俊

（1.中國科學(xué)院西安光學(xué)精密機械研究所，陜西 西安 710119；2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；3.青島海洋科學(xué)與技術(shù)試點國家實驗室，山東 青島 266237；4.中國海洋大學(xué)，山東 青島 266100）

海水中的氮、磷、硅營養(yǎng)元素是海洋生物繁殖生長的主要營養(yǎng)物質(zhì)，其中硝酸鹽作為無機氮化合物的主要形式之一，對海洋生物化學(xué)循環(huán)起著關(guān)鍵作用[1]。適量的硝酸鹽能促進浮游植物的生長，過量則可能導(dǎo)致水體富營養(yǎng)化，引發(fā)赤潮或綠潮。據(jù)《2021 年中國海洋生態(tài)環(huán)境狀況公報》顯示，我國近海局部海域污染嚴(yán)重，陸源排污壓力巨大，主要超標(biāo)指標(biāo)為無機氮和活性磷酸鹽，其中61 290 km2海域的無機氮含量未達(dá)到第一類海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)[2]。因此，準(zhǔn)確監(jiān)測和分析水體硝酸鹽含量變化規(guī)律對海洋生物地球化學(xué)科學(xué)研究、海洋環(huán)境監(jiān)測、海水養(yǎng)殖及災(zāi)害預(yù)警等具有重要意義。

傳統(tǒng)硝酸鹽測量是通過采集離散水樣送往實驗室分析完成的，分析流程復(fù)雜，時間周期長，且易發(fā)生水樣污染變質(zhì)[3]。由于傳統(tǒng)分析方法不能進行長期連續(xù)監(jiān)測，難以解決偶發(fā)事件，迫切需要原位檢測技術(shù)，以提供高空間和時間分辨率數(shù)據(jù)，為科學(xué)研究和環(huán)境監(jiān)測提供支持[4]。

目前原位硝酸鹽傳感器主要基于以下3 類技術(shù)：濕化學(xué)分析技術(shù)[5]、電化學(xué)分析技術(shù)[6]及光譜分析技術(shù)[7]，表1 中匯總了基于這3 類技術(shù)傳感器的優(yōu)缺點、典型儀器、布放平臺及測量范圍。

表1 硝酸鹽傳感器優(yōu)缺點、布放平臺及測量范圍

濕化學(xué)分析技術(shù)主要通過硝酸鹽與化學(xué)物質(zhì)反應(yīng)形成有色產(chǎn)物，利用分光光度法進行定量檢測。目前已有眾多濕化學(xué)傳感器用于硝酸鹽的原位測定[5，8-10]，這些傳感器基于濕化學(xué)分析技術(shù)與流動分析技術(shù)或微流控技術(shù)的完美結(jié)合，兼具高檢測精度、高通量分析、所需試劑和樣品量小、成本低、易于操作等優(yōu)點。但該技術(shù)測量范圍較小[5]，反應(yīng)條件嚴(yán)格，溫度影響大（如果在測量過程中水溫發(fā)生顯著變化，需要進行后期校正），渾濁及有色水樣也會影響測量精度[11]。另外，傳感器的采樣頻率會受到反應(yīng)時間的限制。

電化學(xué)分析技術(shù)利用硝酸鹽的電化學(xué)性質(zhì)，通過計算其電學(xué)量與被測濃度之間的關(guān)系，得到硝酸鹽含量。其中使用離子選擇電極（Ion Selective Electrodes，ISE）的電化學(xué)檢測技術(shù)已經(jīng)成熟，可以對硝酸鹽、銨鹽和pH 進行原位測量[6，12-13]。與濕化學(xué)分析技術(shù)和光譜分析技術(shù)不同，ISE 不受水色或濁度的影響，但會有顯著漂移和受到其他離子干擾，長期穩(wěn)定性差[12]。

光譜分析技術(shù)主要包括熒光光譜技術(shù)、拉曼光譜技術(shù)和紫外光譜技術(shù)。熒光光譜技術(shù)和拉曼光譜技術(shù)由于其各自的局限性（需添加熒光試劑、拉曼信號弱），在硝酸鹽原位檢測技術(shù)上研究較少[7]。紫外光譜技術(shù)基于硝酸鹽本身的吸光特性進行濃度測量[14]，無需試劑、檢測快捷且測量數(shù)據(jù)具有高分辨率、高精度等優(yōu)點，是目前硝酸鹽原位檢測的重要發(fā)展方向?；谧贤夤庾V法檢測原理，國內(nèi)外提出了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。我國生態(tài)環(huán)境部制定了《水質(zhì)硝酸鹽氮的測定紫外分光光度法（試行）》（HJ/T 346—2007）標(biāo)準(zhǔn)[15]，主要面向地表水、地下水中硝酸鹽氮的測定。國際生物地球化學(xué)-Argo（BGC-Argo） 計劃任務(wù)組也發(fā)布了針對紫外光譜法硝酸鹽傳感器的數(shù)據(jù)處理規(guī)范及數(shù)據(jù)質(zhì)量控制規(guī)范[16-17]。

近年來已有多家研究機構(gòu)與制造商基于紫外光譜法原理研制出無試劑、操作簡單、功耗低、維護周期長的硝酸鹽傳感器[13，18-22]，盡管這些儀器已取得了重大進步，但在實際應(yīng)用中還面臨許多挑戰(zhàn)。

（1）可靠性水平低于實驗室技術(shù)；

（2）在低營養(yǎng)海域中檢出限不夠；

（3）傳感器漂移、生物污損影響檢測結(jié)果。

隨著全球海洋原位觀測網(wǎng)絡(luò)的開發(fā)和部署，原位傳感器已成為海洋觀測和分析海洋生物地球化學(xué)的關(guān)鍵工具[23]，近年來已有大量文章對基于不同原理的硝酸鹽檢測技術(shù)進行了綜述[7，11，24-27]。本文將介紹紫外光譜法硝酸鹽原位檢測技術(shù)的研究工作，總結(jié)硝酸鹽傳感器結(jié)構(gòu)、性能，以及校正算法的研究進展，同時分析當(dāng)前提高傳感器壽命、準(zhǔn)確性、可靠性的方法和未來發(fā)展趨勢。

1 紫外光譜技術(shù)原理

紫外吸收光譜法理論基礎(chǔ)是朗伯比爾定律（Lambert-Beer Law）[7]，可用式（1）描述，當(dāng)一束平行單色光垂直射入一個均勻且非散射的吸光物質(zhì)時，該物質(zhì)的吸光度與其濃度及吸收層的厚度成正比，與透射光強成反比。

式中，A 為吸光度；I0為入射光強度；I 為透射光強度；k 為吸光物質(zhì)的摩爾吸收系數(shù)；c 為吸光物質(zhì)的摩爾濃度；b 為吸收層厚度。

針對混合溶液中某種成分的測定時，需要用到吸光度的加和性[21]，即混合溶液在某一波長處的總吸光度等于溶液中各成分在該波長的吸光度之和，如式（2）所示。其中Ai為第i 個組分的吸光度，n為組分?jǐn)?shù)。

在朗伯比爾定律及其可加性的基礎(chǔ)上，結(jié)合化學(xué)計量方法測量硝酸鹽的原理如圖1 所示：將樣本分為訓(xùn)練樣本與測試樣本，利用傳感器獲得其紫外吸收光譜，對包含硝酸鹽、溴化物及有機物等的混合樣本光譜進行補償，提取硝酸鹽光譜后對訓(xùn)練樣本建立多元模型，將測試樣本直接代入模型獲得硝酸鹽的預(yù)測濃度[14]。

圖1 紫外光譜法硝酸鹽建模預(yù)測流程

因此，硝酸鹽的測量精度主要與硝酸鹽所在水體的背景光譜特征及模型有關(guān)，研究人員針對干擾物補償技術(shù)和多元校準(zhǔn)技術(shù)開展了大量研究。

2 干擾物補償技術(shù)

水體中對硝酸鹽的干擾主要分為兩種類型，一類為在紫外波段存在吸收峰的物質(zhì)，如氯離子、溴化物、有機物等會與硝酸鹽吸收峰重疊難以分辨，如圖2 所示；另一類為由于其吸收或散射影響系統(tǒng)基線，使硝酸鹽的吸收光譜產(chǎn)生非線性偏移[28]。這兩種類型的干擾都會嚴(yán)重影響檢測精度，也是硝酸鹽原位檢測技術(shù)需要攻克的重點和難點。

圖2 海水中主要離子及有機物的吸光度[28]

2.1 溴化物和有機物補償

針對第一種干擾物類型，研究重心在溴化物和有機物上。溴化物主要有以下兩個特點：在紫外的吸收峰與硝酸鹽的吸收峰非常接近且吸收很強；溴化物的摩爾吸收系數(shù)（即其在單位光程與濃度下的吸光度）會受溫度、壓力的影響[29-30]。有機物的主要特點為光譜可變性，即在不同水域中有機物的組成不同，其吸收光譜也不同。針對干擾物的特點，需提出相應(yīng)的補償策略[21]。

一種策略是利用原光譜的二階導(dǎo)數(shù)譜提取硝酸鹽的吸收峰，解決光譜重疊問題，可同時排除無機離子、有機物及濁度干擾[31-32]。但這種方法無法從根本上消除干擾，在實際檢測中（尤其是低營養(yǎng)環(huán)境）精度不高。另一種策略是逐步簡化樣品光譜，依次扣除溴化物、有機物光譜后進行建模，從而提高硝酸鹽的檢測精度[21]，補償流程如圖3 所示。

圖3 溴化物、有機物補償流程圖

蒙特利灣海洋研究所（Monterey Bay Aquarium Research Institute，MBARI）JOHNSON K S 等[21]首次研制了用于檢測海水硝酸鹽的原位紫外分光光度計（In Situ Ultraviolet Spectrophotometry，ISUS） （在傳感器部分詳細(xì)描述），并針對硝酸鹽在海水中受到有機物、溴化物和顆粒物等干擾問題提出了全面的補償技術(shù)。補償算法將海水的總吸收光譜分成了三部分：硝酸鹽、溴化物和背景基線，通過硝酸鹽、溴化物標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)獲得其各自的摩爾吸收系數(shù)，利用二次函數(shù)近似由有色溶解有機物（Colored Dissolved Organic Matter，CDOM）引起的背景光譜，結(jié)合光譜反卷積建立模型解析硝酸鹽濃度。該方法檢測硝酸鹽的檢出限為1.5 μmol/L，標(biāo)準(zhǔn)差為0.5 μmol/L。

但是以上校正算法未考慮溴化物的溫度依賴性。溴化物紫外吸收特性是電荷轉(zhuǎn)移到溶劑物質(zhì)上產(chǎn)生的，電荷轉(zhuǎn)移速率隨溫度而變化，因此溴化物的吸光度隨溫度的升高而增大。而硝酸鹽的紫外吸收特性是由于分子內(nèi)的躍遷，對溫度無明顯依賴性[28]。因此，海水吸光度的變化趨勢與溴化物一致，海水與硝酸鹽的吸光度隨溫度變化趨勢如圖4 所示[29]。

圖4 海水與溴化物吸光度隨溫度的變化[29]

基于以上特點，ISUS 研究團隊2009 年提出了新的校正算法，由于溴化物在一定鹽度下的比例是固定的，因此，以海水鹽度表征溴化物的濃度，建立了鹽度為35 時214～240 nm 間單位光程海水吸光度ASW(λ，T)的擬合方程，如式（3）所示，其中A、B、C、D 為擬合系數(shù)，λ 為波長，T 為樣品溫度，W為某波長減去210 nm 的數(shù)值。溫鹽校正算法修正了溫度對溴化物光譜的影響，使傳感器測量值與用濕化學(xué)方法的測量值之間的標(biāo)準(zhǔn)差減少了2 倍以上[29]。2017 年，該團隊進一步研究了溴化物在海水中的紫外吸收光譜的壓力依賴性，并提出了壓力校正算法如式（4）所示，EPRcal與EPRm分別表示壓力校正前后海水的吸光系數(shù)，PR 為壓力值。經(jīng)計算在1 000 dbar 時若忽略壓力影響將引起約0.95 μmol/L的誤差[30]。

NEHIR M 等[22]提出的硝酸鹽傳感器數(shù)據(jù)處理流程與ISUS 相似，主要區(qū)別是溫鹽校正算法不同，借助三次多項式擬合溴化物的原位摩爾吸收系數(shù)，多項式擬合決定系數(shù)為0.99。

2021 年，山東大學(xué)ZHU X Y 等[28]基于多項式回歸方程建立了隨溫度變化的低營養(yǎng)海水吸光度模型，模型決定系數(shù)為0.997 1，均方根誤差為0.02 μmol/L。

針對有機物干擾，目前主要基于線性函數(shù)[29，33]、二次函數(shù)[21]及指數(shù)函數(shù)[34]對有機物吸收光譜進行擬合，線性函數(shù)模型簡單最易實現(xiàn)，二次函數(shù)與線性函數(shù)的差異很小，指數(shù)函數(shù)受擬合參數(shù)的影響得到的結(jié)果可能是發(fā)散的[28]。但這3 種函數(shù)只能對有機物的吸光度進行粗略估計，因為不同組成的有機物吸收光譜形狀不盡相同，且其濃度也可能隨時間和空間而變化，因此對有機物吸光度的估計目前還沒有精確模型。

2.2 濁度補償

第二類干擾主要是水體色度和懸浮顆粒物，也可統(tǒng)稱為濁度干擾，其引發(fā)的光散射將破壞朗伯比爾定律的適用條件，嚴(yán)重影響紫外光譜法的檢測精度。針對濁度干擾難以建立一個普適的模型。

目前大多商用傳感器的內(nèi)置濁度補償算法是基于曲線擬合的多波長校正算法。ISUS 采用二次函數(shù)擬合濁度、CDOM 及其他物質(zhì)引起吸光度偏移量[21]。LANGERGRABER G 等[14]研發(fā)的潛水式多參數(shù)紫外分光光度計應(yīng)用了基于多波長的算法（MW 算法），其包含的濁度補償基于光散射強度與波長之間的關(guān)系，為粒徑的函數(shù)。BLEYEN N 等[35]使用傳感器提出了硝酸鹽、亞硝酸鹽濁度校正的新算法，該算法基于紫外光譜歸一化的單波長校正，在高濁度水體中補償效果良好。陳穎等[36]提出了補償曲線法的濁度補償方法，對硝酸鹽氮的紫外吸收光譜進行補償校正，補償后預(yù)測值與真實值的平均誤差為5.3%。

除了利用曲線擬合減去濁度影響的吸光度，也可以通過建模區(qū)間選擇消除濁度干擾。陳曉偉等[37]利用紫外吸收光譜的一階導(dǎo)數(shù)篩選出濁度影響最小的波段進行建模，從而提高紫外光譜快速檢測硝酸鹽含量的準(zhǔn)確度。

目前關(guān)于化學(xué)需氧量（Chemical Oxygen Demand，COD）檢測的濁度補償研究較多，諸如中國科學(xué)院安徽光學(xué)精密機械研究所、浙江大學(xué)、南京大學(xué)的研究團隊都分別提出了基于米散射理論、直接導(dǎo)數(shù)、光譜歸一化等高精度補償算法[28，38-39]，對硝酸鹽的濁度補償研究具有很好的參考價值。

3 基于全波長的多元回歸校準(zhǔn)技術(shù)

校準(zhǔn)技術(shù)的選擇決定了模型精度，從而影響硝酸鹽的檢測精度。

紫外光譜的發(fā)展經(jīng)歷了3 個階段：單波長[40]，雙波長[41]和全波長[21]。單波長法和雙波長法在水中有其他成分干擾導(dǎo)致硝酸鹽特征峰偏移時，計算結(jié)果會出現(xiàn)較大誤差。全波長為儀器可探測到的光譜范圍內(nèi)的所有吸光度信息，根據(jù)硝酸鹽及其干擾物的光譜特性，一般選擇光譜范圍在200～400 nm 之間，光譜分辨率小于1 nm。全波長法雖然包含了全部光譜特征，但同時也包含大量噪聲等冗余信息，需要進一步優(yōu)化建模區(qū)間。因此校準(zhǔn)技術(shù)與全波長相結(jié)合是當(dāng)前的發(fā)展趨勢。例如，已經(jīng)將反卷積分析、偏最小二乘回歸（Partial Least Squares Regression，PLSR）、支持向量機回歸（Support Vector Regression，SVR）和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Artificial Neural Network，ANN）應(yīng)用于紫外可見光譜技術(shù)中，以確定混合物中的不同成分[14，28，42-43]，4 種建模方法對比如表2 所示。

表2 4 種建模方法對比

ISUS 傳感器在對原始光譜進行溫鹽補償和壓力校正后采用反卷積分析法準(zhǔn)確估計硝酸鹽濃度[29-30]。近年來，偏最小二乘法由于其吸取了主成分分析（Principal Component Analysis，PCA）、多元線性回歸（Multiple Linear Regression，MLR） 和典型相關(guān)性分析（Canonical Correlation Analysis，CCA）三者的優(yōu)點，逐漸成為硝酸鹽建模最常應(yīng)用的方法。LANGERGRABER G 等[14]利用該方法建立了COD、懸浮顆粒物、硝酸鹽的全局校準(zhǔn)模型，成功用于典型市政廢水的監(jiān)測。王虎等[34]利用偏最小二乘算法成功建立硝酸鹽、亞硝酸鹽及鹽度的預(yù)測模型，并與建立的經(jīng)典二乘法模型進行對比，結(jié)果表明在某些亞硝酸鹽樣本濃度預(yù)測中偏最小二乘法的預(yù)測性能更優(yōu)[34]。ZHU X Y 等[28]提出了加權(quán)平均核偏最小二乘（WA-KPLS） 算法，以及溫度和鹽度（TSC）校正的回歸模型，對西太平洋海域和青島鰲山灣的海水樣品進行了測試，結(jié)果表明，在4～25°C 的溫度范圍內(nèi)，鰲山灣海水樣本的預(yù)測均方根誤差為0.67 μmol/L，西太平洋海水樣本的預(yù)測均方根誤差為1.08 μmol/L。

作為線性建模算法，偏最小二乘法具有一定的局限性，近幾年神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和支持向量機也常用于硝酸鹽的定量解析模型。王雪霽等[43]將流形學(xué)習(xí)（Manifold Learning）方法中的局部線性嵌入（Locally Linear Embedding，LLE） 與反向傳播神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Back Propagation Neural Network，BPNN）相結(jié)合，對青島市嶗山區(qū)小麥島海水中的硝酸鹽進行建模預(yù)測，模型均方根誤差為0.136 5 μmol/L，決定系數(shù)為0.995 7。候耀斌等[44]建立了硝酸鹽神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，對比研究了單隱藏層和雙隱藏層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對硝酸鹽濃度測量的性能，結(jié)果表明后者精度更高，且預(yù)測精度優(yōu)于偏最小二乘算法建模。陳穎等[45]建立了低濃度和高濃度硝酸鹽的混合預(yù)測模型，在檢測低濃度時建立雙波長預(yù)測模型，在高濃度時建立最小二乘支持向量機（LS-SVM）預(yù)測模型，混合模型回歸的相關(guān)系數(shù)在0.99 以上，均方根誤差為0.303 μmol/L。雷會平等[46]結(jié)合精細(xì)全光譜技術(shù)，提出一種基于改進的網(wǎng)格搜索（Grid Search，GS）方法優(yōu)化SVR 模型，與傳統(tǒng)預(yù)測模型的結(jié)果對比，在精度和訓(xùn)練效率方面都有顯著提升。

4 海洋環(huán)境適應(yīng)性問題

4.1 傳感器硬件系統(tǒng)

硝酸鹽的硬件系統(tǒng)主要由殼體、紫外光源、光纖傳感探頭、微型光譜儀和控制器等組成，由于硝酸鹽傳感器需要在海水中長期布放并獲得高精度剖面數(shù)據(jù)，對其硬件系統(tǒng)提出了嚴(yán)格要求：耐腐蝕、防附著、高穩(wěn)定性、耐壓、低功耗[47]。為了在不同深度的海水中運行，同時需經(jīng)受住長時間的磨損，傳感器系統(tǒng)選材上必須選擇耐化學(xué)和生物腐蝕的材料，表3 中概述了硝酸鹽傳感器常用的材料類型，主要采用比強度高、耐蝕性好的鈦作為傳感殼體的主要材料，光學(xué)窗口一般選用藍(lán)寶石或熔融石英。近年來，紫外光源在小型化、壽命和輸出穩(wěn)定性等方面均有所提升；微型光譜儀通過縮短光程、簡化光路、利用微納技術(shù)減小元件尺寸等方法進行光譜儀小型化，同時減小探測器尺寸，提高探測靈敏度，進一步提升微型光譜儀性能。隨著這些光源、分光技術(shù)與探測器的進步[48]，硝酸鹽傳感器的性能指標(biāo)也在不斷提高，并向小型化、高速化、智能化發(fā)展。

表3 傳感器常用材料類型

目前硝酸鹽傳感器的光源主要采用氙閃光燈或連續(xù)氘燈，它們在熱穩(wěn)定性、光譜穩(wěn)定性、光譜輸出、亮度、壽命和功率等方面有所不同。氙燈的使用壽命約為2 000～3 000 h，氘燈的使用壽命約為1 000 h，但一般在使用壽命的一半，光源會有不同程度的老化從而影響輸出性能[49]。探測器是硝酸鹽傳感器的核心器件，通常采用電荷耦合器件（Charge Coupled Device，CCD）或光電二極管陣列（Photo-Diode Array，PDA）。普通CCD 在紫外波段的響應(yīng)效果較差，導(dǎo)致光譜檢測范圍窄，背照式CCD 的減薄和前照式CCD 的紫外增敏是提高其紫外波段響應(yīng)的主要方法[50]。光電二極管陣列與其他固態(tài)探測器（如CCD、光電倍增管）相比，在紫外區(qū)通常具有更低的溫漂和更高的穩(wěn)定性[49]。如ISUS 采用的蔡司MMS UV 光譜儀，其線性大于99.8%，波長溫漂小于0.005 nm/K[51]。

4.2 傳感器在線漂移校正

傳感器在出廠前會進行定標(biāo)，目的是建立獲光譜數(shù)據(jù)與硝酸鹽濃度的模型，這個模型是干擾物補償技術(shù)與多元回歸校準(zhǔn)技術(shù)的結(jié)合，定標(biāo)后的傳感器通過測量實際水體光譜即可直接反演硝酸鹽濃度。然而，在長期原位測量中，硝酸鹽傳感器的漂移和硝酸鹽濃度的偏移在一些寡營養(yǎng)地區(qū)非常顯著，其主要原因可能是光學(xué)元件污染、傳感器內(nèi)部光通量的變化或光源的老化[52]。

一些單光路的傳感器（如SUNA）需要在傳感器布放前后由用戶進行基線校準(zhǔn)，如圖5 所示。其主要方式是利用Parafilm 材料包裹傳感器光學(xué)窗口，在其中注入去離子水，采集去離子水光譜進行參考光譜的更新，以消除光源強度變化及內(nèi)部光學(xué)器件老化引起的誤差[53]。然而這種校準(zhǔn)方式操作復(fù)雜，只能在傳感器布放前后校準(zhǔn)，無法實時在線監(jiān)測光源變化。一些傳感器使用雙光路的結(jié)構(gòu)[22]，這樣的形式不易受光源波動影響，能有效減小系統(tǒng)誤差，由光源和電子器件老化引起的漂移可以由傳感器直接補償；同時，由于同步測量了去離子水的光衰減，還可以提高測量吸光度的準(zhǔn)確性。為了對光譜儀變化引起的傳感器漂移進行校正，所有傳感器均會定期收集暗背景光譜數(shù)據(jù)，一般每測量20～30次后進行一次暗背景光譜測量。

圖5 SUNA 傳感器利用去離子水更新參考光譜[53]

4.3 傳感器防污技術(shù)

生物附著污染是海洋傳感器自主監(jiān)測的主要障礙之一，所有浸入式傳感器的各個組件如檢測組件（膜、光學(xué)窗口和電極）、外殼和系泊組件等都會受到生物污染的影響，對傳感器造成不可逆轉(zhuǎn)的損壞[54]。海洋原位傳感器的生物污染防護是一個相對復(fù)雜的問題，既要保證有效防護，同時不能影響傳感器測量，也要盡可能減少對海洋環(huán)境的額外污染[55]。

傳感器的防污措施主要有兩種形式：被動防污和主動防污[56]。被動防污主要依賴于化學(xué)殺菌劑的釋放和不粘涂層。三丁基錫（TBT）曾被認(rèn)為是解決防污問題的最佳方案，但之后的研究發(fā)現(xiàn)其會對海洋生物產(chǎn)生嚴(yán)重毒性，造成不可逆的傷害，已于2008 年被全球禁用[57]。近年來，銅被廣泛用于現(xiàn)場儀器[58]，ISUS 傳感器將銅組件與尼龍網(wǎng)相結(jié)合，顯著減少生物污損，最長觀測時間達(dá)473 天[59]。但如果銅在海水中形成絡(luò)合物，可能會引起光譜改變。其他被動化學(xué)防污措施如納米聚合物噴劑也常用于光學(xué)窗口的防污，能有效防止生物附著且不影響光學(xué)測量[55]。主動防污技術(shù)主要包括電刷清除、空氣吹掃、紫外燈等照射、超聲波防污等[56]。目前商用硝酸鹽傳感器最常用的防污措施為機械裝置防污（圖6），利用電刷或空氣吹掃來清除礦物沉淀或生物附著。電刷由尼龍或硅膠制成，通常集成到傳感器光學(xué)窗口上或作為外部附加組件?？諝獯祾呦到y(tǒng)由壓縮機和管道組成，通過光學(xué)窗口釋放短而集中的空氣[56，60]。紫外燈照射是非常有效和極具前景的防污手段，其原理是紫外照射時，核酸吸收紫外光形成嘧啶二聚體或其他致命產(chǎn)物，因此可在細(xì)胞層面進行防污[61]。由于硝酸鹽傳感器內(nèi)部集成紫外光源，在測量時光窗會受到持續(xù)照射，在一定程度上能防止生物附著。超聲波防污通過超聲裝置產(chǎn)生一定頻率和振幅的超聲波，利用空化效應(yīng)破壞細(xì)胞、微生物等粘附物，有效減少生物污染[55]。針對傳感器應(yīng)用環(huán)境，采用多種防污手段的結(jié)合，才能最大化的防止生物附著污染，延長儀器壽命，保證數(shù)據(jù)可靠性。

圖6 硝酸鹽傳感器機械防污裝置[60]

5 原位傳感器

對于原位應(yīng)用，傳感器需要實現(xiàn)小型化、低功率、低成本化，還需解決漂移問題以實現(xiàn)長期連續(xù)觀測。最早在國內(nèi)外廣泛使用的為單/雙波長硝酸鹽傳感器，如美國Hach 公司的NITRATAXsc[8]、YSI（Yellow Springs Instrument） 公司的EXO NitraLED等[19]；隨著光譜技術(shù)和化學(xué)計量學(xué)方法的發(fā)展，越來越多基于全波長的硝酸鹽傳感器問世，如美國YSI 公 司 的NitraVis[20]、MBARI 研 發(fā) 的ISUS[21，62]、Satlantic 公司的SUNA[63-64]、奧地利S∶∶CAN 公司的spectro∶∶lyser[14]、德 國Trios 公司的OPUS 等[65-66]，這些傳感器已被應(yīng)用于多類水體環(huán)境硝酸鹽的測量，如河流[67-69]、地下水[70]、沿海海域[33，71]、大洋海水[30，72]、深海熱液[73]等。

5.1 國外紫外光譜硝酸鹽原位傳感器

美國Hach 公司研制了基于雙波長檢測的NITRATAXsc 硝氮在線分析儀（圖7）。分析儀探頭上的光源發(fā)出210 nm 的紫外光，被狹縫中流動的樣品部分吸收，到達(dá)探頭另一側(cè)的檢測器測量吸光度值，從而計算硝酸鹽濃度。這款產(chǎn)品的主要應(yīng)用場景為飲用水、地表水、污水處理等淡水領(lǐng)域，考慮到實際檢測中可能存在濁度干擾影響檢測精度，分析儀采用雙光束測量系統(tǒng)同步測定350 nm 處的吸光度來進行濁度補償，測量精度可達(dá)±3%[8]。

圖7 NITRATAXsc 硝氮在線分析儀[8]

YSI 公司也研制了雙波長的EXO NitraLED 硝酸鹽傳感器，其與NITRATAXsc 硝氮在線分析儀最大的不同是在光源上采用了LED 光源，因此傳感器的尺寸極小，直徑僅1.5 cm。傳感器采用235 nm LED 光源檢測硝酸鹽的吸光度，同時利用測得的275 nm 處的吸光度值補償天然有機物的干擾，但如果想進行濁度校正，需要同時安裝YSI 公司的濁度傳感器。傳感器還可以拓展安裝YSI 公司的電刷防止光窗受生物附著污染，延長傳感器的使用壽命和校準(zhǔn)周期[19]。隨著連續(xù)光譜技術(shù)的發(fā)展，YSI 公司開發(fā)了NitraVis 傳感器可同時對硝酸鹽和濁度進行測量（圖8）。傳感器測量200～720 nm 范圍內(nèi)的光譜，采用透射式光路，光程有1 mm 和5 mm 可選，能夠?qū)岫鹊雀蓴_進行精確補償。傳感器還內(nèi)置了UltraClean 超聲波清洗技術(shù)，降低了日常維護需求。該傳感器主要為污水監(jiān)測設(shè)計，由于未考慮海洋環(huán)境特有的影響，并不適用于海水硝酸鹽的檢測[20]。

圖8 1 mm 光程的NitraVis 傳感器[20]

原位紫外分光光度計（ISUS）硝酸鹽傳感器由MBARI 的JOHNSON K S 團隊研發(fā)，測量范圍為0.5～2000 μmol/L，測量精度為±2 μmol/L[21]。ISUS 的布放時間主要受到生物污損的限制，最長布放時間達(dá)473 d。ISUS 更廣泛應(yīng)用于大洋，在河口和淡水環(huán)境中，干擾物和污染物嚴(yán)重影響了其使用，目前還在不斷開發(fā)和改進校準(zhǔn)技術(shù)[59]。

SUNA（可潛水紫外硝酸鹽傳感器）是Satlantic公司基于ISUS 技術(shù)生產(chǎn)的淺水區(qū)傳感器。該傳感器的主要結(jié)構(gòu)與校準(zhǔn)算法與ISUS 相同，主要區(qū)別在于光學(xué)測量池的設(shè)計，ISUS 采用的是反射探頭的設(shè)計（圖9），而SUNA 采用了直通式的測量池，主要用于近岸和淡水[63]。

圖9 ISUS 與光學(xué)探頭結(jié)構(gòu)圖[59,62]

隨著耐壓技術(shù)的發(fā)展，ISUS 與SUNA 可安裝在剖面浮標(biāo)上，用于2 000 m 以內(nèi)硝酸鹽剖面測量。目前，在BGC-Argo 浮標(biāo)上測量1 000 m 以內(nèi)硝酸鹽剖面的數(shù)量，已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了利用船舶采集樣本進行實驗室分析的數(shù)量[30]。

潛水式多參數(shù)紫外分光光度計（spectro∶∶lyser）是奧地利S∶∶CAN 公司研發(fā)的多參數(shù)水質(zhì)測量儀，實現(xiàn)從污水到超純水的COD、生物需氧量（Biological Bxygen Demand，BOD）、總有機碳（Total Organic Carbon，TOC）、硝氮、苯、甲苯、二甲苯、苯酚等多參數(shù)的測量[14，74-75]。spectro∶∶lyser 傳感器系統(tǒng)以氙燈為光源，采用雙光束檢測系統(tǒng)，一束通過流動水樣，另一束通過去離子水做參考分析（圖10），以消除光源波動和儀器噪聲干擾，實現(xiàn)了信號處理的長期穩(wěn)定及較高的測量精度。該傳感器的測量范圍取決于光程長度，其范圍為0.5～100 mm[75]。

圖10 spectro::lyser 結(jié)構(gòu)圖[14]

德國Trios 公司研發(fā)的深海原位紫外光譜傳感器OPUS 也是一款多參數(shù)測量儀，用于測量硝酸鹽、BOD、COD、TOC、腐殖酸和一些酚類物質(zhì)[65]。該傳感器采用直通式樣品池（圖11），光學(xué)窗口涂有“納米涂層”，以防止測量表面的生物污染。MEYER D 等[66]將OPUS 首次布放在沿海水域監(jiān)測硝酸鹽和硫化氫含量，驗證了該傳感器分辨硝酸鹽剖面的能力。2021 年，NEHIR M 等[22]對OPUS 的校準(zhǔn)程序進行了改進，并在德國北海東南部和熱帶大西洋海域進行了現(xiàn)場測試，證實了該傳感器在沿海和大洋海域均能獲得高質(zhì)量數(shù)據(jù)。相比于SUNA，OPUS 還具有布放深度優(yōu)勢（6 000 m）及成本優(yōu)勢（在歐洲價格約是SUNA 的四分之一）。

圖11 OPUS 結(jié)構(gòu)圖[22]

表4 對以上商用連續(xù)光譜傳感器的關(guān)鍵特性和技術(shù)指標(biāo)進行了對比。

表4 商用連續(xù)光譜硝酸鹽傳感器關(guān)鍵特性與技術(shù)指標(biāo)

5.2 國內(nèi)紫外光譜硝酸鹽原位傳感器

國內(nèi)多家單位開展了基于紫外光譜法水質(zhì)監(jiān)測傳感器的研制工作，如燕山大學(xué)畢衛(wèi)紅等[76]研制了基于紫外光譜的TOC 傳感器，浙江大學(xué)研究團隊搭建了COD 光譜檢測系統(tǒng)[77]等?；谧贤夤庾V技術(shù)硝酸鹽傳感器的主要研究單位包括國家海洋技術(shù)中心[78]、天津大學(xué)[79]、中國科學(xué)院西安光學(xué)精密機械研究所[43]、中國科學(xué)院煙臺海岸帶研究所[80]、重慶大學(xué)[82]等。

國家海洋技術(shù)中心研制了一種基于紫外吸收光譜法硝酸鹽傳感器，結(jié)構(gòu)圖如圖12 所示。通過標(biāo)準(zhǔn)溶液的對比實驗，該傳感器平均相對誤差小于10%，對海水樣品的測量結(jié)果與實驗室方法的相關(guān)性大于0.9。目前，該硝酸鹽傳感器已布放在渤海海底[78]。

圖12 國家海洋技術(shù)中心研制的硝酸鹽傳感器結(jié)構(gòu)圖[78]

天津大學(xué)王莉麗等[79]研制了基于紫外光譜法的海水硝酸鹽傳感器，并建立了硝酸鹽偏最小二乘模型，建模均方根誤差為2.04 μmol/L，建模范圍為0～100 μmol/L。中國科學(xué)院西安光學(xué)精密機械研究所王雪霽等[43]研制了原位浸入式光譜水質(zhì)分析儀，利用全光譜法對海水硝酸鹽進行建模，測量濃度范圍0.1～5 mg/L，平均誤差為3.23%。中國科學(xué)院煙臺海岸帶研究所研究團隊自主研制了海水硝酸鹽原位傳感器，目前已搭載自然資源部“環(huán)監(jiān)01”監(jiān)測船環(huán)渤海航次進行了實際應(yīng)用測試，與實驗室國標(biāo)方法的檢測結(jié)果雖然有所偏差，但變化趨勢基本一致[80]。

一些研究機構(gòu)研制了多參數(shù)水質(zhì)檢測儀，實現(xiàn)對硝酸鹽在內(nèi)的水質(zhì)多參數(shù)檢測。天津大學(xué)顧建等[81]研制了浸入式光譜法紫外吸收水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)，可測量光譜范圍為200～720 nm，實現(xiàn)對COD、硝酸鹽等水質(zhì)多參數(shù)檢測[81]。重慶大學(xué)湯斌等[82]研制了光程差分水質(zhì)檢測探頭，結(jié)合紫外可見光譜吸收法對水樣中的硝酸鹽、TOC、濁度和COD 等參數(shù)進行了測量，采用雙波長法計算其中硝酸鹽和COD的濃度。經(jīng)測試，儀器對硝酸鹽（濃度以氮計）的測試精度小于4.67%，重復(fù)性小于2.92%[82]。

除以上研制硝酸鹽傳感器的單位外，還有燕山大學(xué)[36]、山東大學(xué)[28]、同濟大學(xué)[34]及中國科學(xué)院安徽光學(xué)精密機械研究所[37]等單位開展硝酸鹽檢測技術(shù)、檢測系統(tǒng)的研究工作?？傮w來說，我國硝酸鹽傳感器還處于樣機階段，與國外成熟的商用儀器相比，普遍存在檢測精度低、系統(tǒng)穩(wěn)定性差、體積龐大等問題，還需不斷創(chuàng)新和發(fā)展。

6 未來發(fā)展趨勢

硝酸鹽原檢測技術(shù)的進步，一方面有助于我們了解海洋氣候、流域特性、生物地球化學(xué)通量之間的聯(lián)系，并在更精細(xì)的空間和時間尺度上監(jiān)測環(huán)境變化[83]；另一方面在淡水系統(tǒng)監(jiān)測、排污廢水監(jiān)測也具有廣泛的應(yīng)用前景[14，70]。在重大科學(xué)問題和現(xiàn)場應(yīng)用的迫切需求牽引下，硝酸鹽原位傳感器有以下3 個重要發(fā)展方向。

6.1 基于MEMS 技術(shù)的硝酸鹽傳感器小型化、低成本發(fā)展

建設(shè)國際BGC-Argo 觀測網(wǎng)，實現(xiàn)全球海洋立體觀測需要巨大數(shù)量的傳感器，小型化、低成本是首要解決的關(guān)鍵問題[84]。硝酸鹽傳感器小型化問題依賴于小型紫外光源和微型光譜儀技術(shù)的發(fā)展。目前使用的氙燈、氘燈光源除了體積較大，還存在功耗較高、壽命有限的問題，UV-led 在體積、功耗、壽命和成本上都展現(xiàn)出更好的優(yōu)勢，但目前在紫外波段還無法提供連續(xù)光譜輸出，隨著技術(shù)的發(fā)展，在未來UV-led 可能成為下一代理想的紫外光源[85]。近年來，基于不同原理的光譜儀小型化方面也有了突破性進展[86]，浙江大學(xué)YANG Z Y 等[87]研制出世界上最小的光譜儀，其尺寸僅幾十微米。商用微型紫外光譜儀雖未達(dá)到如此芯片級水平，但總體尺寸相較之前的光譜儀已有很大進步，如蔡司公司研發(fā)的MMS UV 光譜儀（70 mm×60 mm×40 mm）[51]、海洋光學(xué)的STS 光譜儀（40 mm×42 mm×24 mm）[88]，得益于MEMS 技術(shù)，一些可見波段光譜儀（濱松C12666MA） 的尺寸可達(dá)到指尖大小（20.1 mm×12.5 mm×10.1 mm），重量僅為5 g[89]。微型光譜儀技術(shù)將帶來極低的成本和可集成性的巨大優(yōu)勢，基于新型光源和超微型光譜儀的研發(fā)，采用MEMS 工藝，集光源、微型光譜儀、微控制器于一體，將進一步推動硝酸鹽傳感器小型化、低成本發(fā)展。

6.2 自適應(yīng)不同應(yīng)用場景的傳感器智能化發(fā)展

硝酸鹽原位傳感器的應(yīng)用場景主要分為4 類：淡水系統(tǒng)（河流、湖泊）、排污廢水、近岸沿海和大洋海水，其特征、潛在干擾物及對傳感器的性能需求都有很大不同（表5）[90]，在未來，能智能識別應(yīng)用場景、自適應(yīng)調(diào)整傳感器參數(shù)及校正算法的硝酸鹽傳感器將極具發(fā)展?jié)摿Α?/p>

表5 不同應(yīng)用場景的特征及傳感器需求

目前，大多數(shù)傳感器是在室溫和相對恒定鹽度的條件下開發(fā)和測試的，而不同現(xiàn)場環(huán)境中可能會面臨溫度、鹽度、壓力的大幅度變化，濁度、有機物嚴(yán)重干擾，單一的設(shè)計使得傳感器在不同應(yīng)用中精度相差較大。美國地質(zhì)調(diào)查局對Hach 公司NITRATAX plus sc（5 mm 路徑）、Hach 公司NITRATAX plus sc（2 mm）、S∶∶CAN 公司Spectro∶∶lyser （5 mm） 和Satlantic 公司SUNA V2（5 mm）4 種商用傳感器在懸浮泥沙和有色溶解有機物環(huán)境中的檢測精度進行了評估，盡管這些商用傳感器都內(nèi)置了補償算法，但當(dāng)有機碳濃度超過44 mg/L 時，4 種傳感器檢測的硝酸鹽濃度與實際偏差分別為49%、75%、96%、24%[91]。因此還需進一步研究高濃度干擾物、可變干擾物（不同有機物的組合）及其他環(huán)境因素（溫度、壓力、鹽度）對硝酸鹽檢測的影響，開發(fā)干擾物補償算法及穩(wěn)健的建模算法，提升硝酸鹽在實際環(huán)境中的檢測精度。同時通過擴展光譜范圍（擴展至可見或紅外波段）或利用吸收光譜、熒光光譜信息融合的手段識別應(yīng)用場景，針對不同場景應(yīng)用不同算法。如在深海場景應(yīng)用包含溴離子、溫度、壓力補償?shù)姆治瞿Ｐ?；針對近岸沿海濁度較高的場景，縮短傳感器光程長度，同時采用濁度補償算法；針對某些受藻類污染的淡水或含有特定有機污染的排污廢水系統(tǒng)，需準(zhǔn)確消除有機物帶來的吸光度影響。

同時，也需要保證傳感器在不同環(huán)境長期原位測量的穩(wěn)定性。生物附著污染會導(dǎo)致傳感器穩(wěn)定性下降，縮短使用壽命，且傳感器可能在海底高壓、熱液噴口等極端環(huán)境中工作，因此在未來發(fā)展中，必定要研發(fā)對極端環(huán)境耐受力強的光學(xué)探頭及外殼，并與防腐蝕和防污技術(shù)結(jié)合，以研制抗干擾能力強、防腐蝕、防生物附著、適應(yīng)于極端環(huán)境的高效敏感的硝酸鹽傳感器[54]。

6.3 基于光譜法的多參數(shù)綜合測量

傳感器多參數(shù)化測量也是未來重要的發(fā)展方向。目前已有S∶∶CAN、TriOS 等公司開發(fā)多參數(shù)傳感器[14，65]，可以檢測硝酸鹽、COD、BOD、TOC等多種參數(shù)。其面臨的關(guān)鍵問題是如何提取各類物質(zhì)的特征光譜、消除不同物質(zhì)的光譜交叉敏感，建立多組分分析模型。校準(zhǔn)技術(shù)也將從反卷積分析、偏最小二乘法等線性建模算法向支持向量機、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、機器學(xué)習(xí)等非線性建模算法發(fā)展。

7 結(jié) 論

目前，國際BGC-Argo 項目正致力于建立全球性、多學(xué)科的海洋觀測網(wǎng)絡(luò)，硝酸鹽作為其中6 個核心觀測變量之一，其原位檢測技術(shù)也面臨新的機遇和挑戰(zhàn)。基于紫外光譜法的硝酸鹽原位檢測技術(shù)以其無需試劑、檢測范圍廣、響應(yīng)速度快、功耗低等特點，仍將是未來硝酸鹽傳感器的主要研究方向。經(jīng)過二十多年的發(fā)展，雖然傳感器的穩(wěn)定性、靈敏度、檢出限等都有很大提高，但仍存在一定的技術(shù)問題制約傳感器的大規(guī)模應(yīng)用，如實際檢測精度低、檢測范圍窄、重現(xiàn)性差。硝酸鹽傳感器將進一步在數(shù)據(jù)可靠性和穩(wěn)定性上不斷優(yōu)化，包括數(shù)據(jù)校正、傳感器電力優(yōu)化、光源的使用壽命、新型防污技術(shù)等，以應(yīng)對日益增長的海洋生物地球化學(xué)、生態(tài)系統(tǒng)觀測需求，為海洋科學(xué)研究、環(huán)境監(jiān)測和資源管理提供支持。