基于順序注射技術(shù)的小型總磷自動檢測系統(tǒng)

魯 華， 馬靈威， 佟建華， 邊 超， 夏善紅

(1.中國科學(xué)院 電子學(xué)研究所 傳感技術(shù)國家重點實驗室，北京 100190；2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

基于順序注射技術(shù)的小型總磷自動檢測系統(tǒng)

魯 華1,2， 馬靈威1,2， 佟建華1， 邊 超1， 夏善紅1

(1.中國科學(xué)院 電子學(xué)研究所 傳感技術(shù)國家重點實驗室，北京 100190；
2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

基于吸光光度的檢測原理，采用順序注射的方法，實現(xiàn)一種體積小、自動化程度高的水質(zhì)總磷檢測系統(tǒng)。實驗結(jié)果顯示，在0～0.5 mg/L的濃度范圍內(nèi)，該自動檢測系統(tǒng)對水樣中總磷濃度的檢測具有較高的精度和良好的重復(fù)性，可以對國家地表水環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)中要求的I～V類水中總磷含量進(jìn)行快速準(zhǔn)確測量。該自動檢測系統(tǒng)具有測量結(jié)果準(zhǔn)確穩(wěn)定、消耗試劑量少以及操作簡單等優(yōu)點。

總磷； 吸光光度； 順序注射； 自動檢測

0 引 言

水體中磷的來源廣泛，主要有農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中使用的化肥和農(nóng)藥，工業(yè)生產(chǎn)中排出的含磷工業(yè)廢水和生活污水。根據(jù)中國環(huán)境監(jiān)測總站2016年1月15日發(fā)布的《全國地表水水質(zhì)月報》[1]數(shù)據(jù)顯示，總磷是水體中的主要污染物之一，能夠反映出水體富營養(yǎng)化程度和水體受污染程度。為了治理和預(yù)防水體富營養(yǎng)化污染，實現(xiàn)對水體中總磷含量的快速有效的移動檢測和在線監(jiān)測，顯得十分必要[2]。

目前，總磷的檢測原理主要有電化學(xué)檢測和光學(xué)檢測[3]。由于電化學(xué)電極存在表面鈍化等問題，其檢測穩(wěn)定性和重復(fù)性仍需要進(jìn)一步完善，限制了電化學(xué)方法的實際應(yīng)用。傳統(tǒng)的光學(xué)檢測系統(tǒng)雖然檢測精度高，具有很高的穩(wěn)定性和重復(fù)性，但是基本上都是大型的在線監(jiān)測系統(tǒng)，其價格昂貴、功耗高、體積龐大[4]；現(xiàn)有的小型檢測系統(tǒng)中的消解單元和檢測單元仍相對獨(dú)立工作，尚未實現(xiàn)自動進(jìn)樣、混合、消解及檢測，并不適合現(xiàn)場快速檢測。

為滿足水質(zhì)現(xiàn)場檢測、在線監(jiān)測與預(yù)警技術(shù)的要求，本文研制了一種基于吸光光度法的小型自動總磷檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用順序注射的流路控制方法、紫外輔助熱消解方法，實現(xiàn)了水體中總磷檢測的小型化、便攜化、快速化和自動化的要求。

1 總磷的檢測原理

目前，總磷的檢測主要有以下幾種方法:分光光度法[5]、色譜法[6]和電化學(xué)分析法[7]等。其中分光光度法是目前使用比較廣泛的檢測方法，其基本原理是：在酸性條件下，磷酸鹽在銻鹽的催化下與鉬酸銨反應(yīng)生成磷鉬酸雜多酸，該化合物被抗壞血酸還原生成藍(lán)色絡(luò)合物[8],于一定波長處測量吸光度。測量吸光度的基本原理是朗伯—比爾吸收定律,如圖1所示，一束單色透過被測物質(zhì)溶液時，由于物質(zhì)分子對光的選擇性吸收，在一定的吸收光程下，被測物質(zhì)溶液對光的吸收定律如式(1)所示[9]

(1)

式中 A為吸光度；I0為入射光強(qiáng)度；I為透射光強(qiáng)度；ε為摩爾吸光系數(shù)，ε對某一化合物在一定波長下是一個常數(shù)，L/(mg·cm)；可以衡量被測物質(zhì)對光的吸收程度，也是吸收光譜法測定物質(zhì)含量的靈敏度決定條件之一；b為液層厚度(吸收光程)，cm；C為吸光物質(zhì)的濃度，mg/L。

圖1 朗伯—比爾吸收定律示意圖

以吸光度A為縱坐標(biāo)，以濃度C為橫坐標(biāo)，便可得到一條過原點斜率為k的直線，稱為標(biāo)準(zhǔn)工作曲線。在實際測量中，只需在相同條件下測出水樣與試劑反應(yīng)生成物的吸光度值，即可以依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)工作曲線計算出水樣中總磷的含量。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 總體設(shè)計

系統(tǒng)框圖如圖2所示。系統(tǒng)采用STM32F407ZET6微控制器作為主控芯片，控制各個不同模塊的運(yùn)轉(zhuǎn)。

圖2 系統(tǒng)整體框圖

2.2 光學(xué)檢測模塊

該系統(tǒng)的光學(xué)檢測模塊包括兩個方面：光學(xué)檢測平臺和光電流檢測電路。光學(xué)檢測平臺是由發(fā)射波長為660nm的高功率LED光源，石英流動比色皿，檢測腔和光電探測器通過光纖連接起來搭建而成。平臺具有光路簡單穩(wěn)定，易于維護(hù)，便攜性好等特點。光電流檢測電路主要包括I-V轉(zhuǎn)換部分和A/D轉(zhuǎn)換部分。首先將光學(xué)檢測平臺中光電探測器輸出的光電流轉(zhuǎn)換為電壓，然后AD芯片將電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)字值，通過串口輸出到電腦上來進(jìn)行讀取，對光電流檢測的最小分辨率為0.038μA。該光電流檢測電路與Thorlabs公司生產(chǎn)的光電流放大器檢測的電流擬合曲線如圖3和圖4所示，顯色時間均為10min，由兩圖對比可知該檢測電路具有良好的檢測精度與穩(wěn)定性，能滿足系統(tǒng)對光電流檢測的要求。

圖3 放大器檢測吸光度擬合曲線

圖4 電路檢測吸光度擬合曲線

2.3 流路控制模塊

為實現(xiàn)總磷的自動檢測，系統(tǒng)的流路控制模塊必須要能完成水樣的自動進(jìn)樣，與試劑的均勻混合和流路清洗等過程。本文采用順序注射技術(shù)為系統(tǒng)的流路設(shè)計原理。順序注射分析 (sequentialinjectionanalysis，SIA) 技術(shù)是在1990年由Ruzicka和Marshall[10]在流動注射分析技術(shù)的基礎(chǔ)上提出的，具有流路簡單、控制方便、定量精確、重復(fù)性好和易于集成化等優(yōu)點[11]。系統(tǒng)的自動檢測流路示意圖如圖5所示。

該流路系統(tǒng)由一個工業(yè)級注射泵以及一個8通道的多位閥組成，分別作為流路系統(tǒng)中的流路單元轉(zhuǎn)換裝置和試劑、水樣的精確定量裝置。通過MCU，可以控制多位閥與注射泵的連通口，注射泵活塞的移動速度和移動距離。流路控制系統(tǒng)進(jìn)樣精度如表1所示，從該表中可以看出，測量值的相對誤差小于1 %，相對標(biāo)準(zhǔn)偏差小于0.5 %，說明流路控制系統(tǒng)的進(jìn)樣精度滿足系統(tǒng)要求。

圖5 總磷自動檢測流路示意圖

次數(shù)進(jìn)樣體積/mL0．25誤差/%0．50誤差/%3．00誤差/%10．24910．360．49710．582．98370．5420．24990．040．49830．342．98340．5530．24960．160．49750．502．98450．52

在測試過程中，微控制器控制多位閥和注射泵相互配合，將水樣、顯色劑和還原劑先后抽入到注射泵中混合。由于混合后的溶液將會發(fā)生顏色反應(yīng)，產(chǎn)生藍(lán)色絡(luò)合物。為了避免混合溶液長時間接觸注射泵和光學(xué)檢測腔從而給后續(xù)測量結(jié)果帶來干擾，系統(tǒng)設(shè)計將混合后的液體放入到定量環(huán)中顯色，盡量減少注射泵和光學(xué)檢測腔與混合溶液的接觸時間。

2.4 消解模塊

本文中的消解模塊采用實驗室研制的小型消解裝置，基于紫外—熱復(fù)合消解方法，選取高透紫外光特性的螺旋石英管作為消解管，通過柔性加熱片對消解管內(nèi)的水樣進(jìn)行加熱，K型熱電偶測溫，在溫度達(dá)到80 ℃時，螺旋消解管內(nèi)的紫外燈管發(fā)出紫外光，對水樣進(jìn)行消解，維持這個狀態(tài)30 min，其橫截面結(jié)構(gòu)示意圖如圖6所示。整個消解過程不需要添加強(qiáng)氧化劑，將消解溫度從國標(biāo)中的120 ℃降低到80 ℃，十分便于集成到該小型自動化總磷檢測系統(tǒng)中。

圖6 消解模塊橫截面示意圖

3 系統(tǒng)性能測試與實驗數(shù)據(jù)分析

本系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)工作曲線的擬合對于測量結(jié)果的準(zhǔn)確性有著至關(guān)重要的影響，混合溶液在定量環(huán)中的顯色時間是標(biāo)準(zhǔn)工作曲線擬合重要影響因素。為了確定系統(tǒng)最優(yōu)的顯色時間，選取標(biāo)樣濃度(以磷記)為0, 0.1, 0.3 mg/L的磷酸鹽溶液，分別擬合了顯色時間為10 min和20 min的標(biāo)準(zhǔn)工作曲線，如圖7所示。從圖中可以看出這兩條標(biāo)準(zhǔn)工作曲線均有較高的線性度，雖然顯色10 min的標(biāo)準(zhǔn)工作曲線斜率較顯色20 min小，但是差異并不明顯，考慮到減少系統(tǒng)的反應(yīng)時間，提高系統(tǒng)的檢測速度，所以,將該系統(tǒng)的顯色時間選定為10 min。

圖7 不同顯色時間的標(biāo)準(zhǔn)工作曲線

在確定最優(yōu)的顯色時間后，通過上述標(biāo)定得到的標(biāo)準(zhǔn)工作曲線來分別對濃度為0.01，0.1,0.2 mg/L的磷酸鹽溶液進(jìn)行檢測，檢測結(jié)果如表2所示。從表中數(shù)據(jù)可以看出，該標(biāo)準(zhǔn)工作曲線對不同濃度的磷酸鹽溶液均有較高的檢測精度，即使在濃度為0.01 mg/L的情況下也可以控制相對誤差在10 %以內(nèi)，說明系統(tǒng)具有較高的檢測精度，能夠?qū)崿F(xiàn)對水質(zhì)中總磷的準(zhǔn)確測量。

在完成系統(tǒng)檢測精度的測試后，將擬合好的曲線存儲在程序中，在不同的時間里對濃度為0.1 mg/L的磷酸鹽溶液進(jìn)行檢測，測試結(jié)果如表3所示。從表中可以看出，在不同時間內(nèi)，測試結(jié)果會發(fā)生較小的波動，但是測量的相對誤差都能保持在7 %以內(nèi)，體現(xiàn)出系統(tǒng)良好的穩(wěn)定性和重復(fù)性。

表2 顯色10 min擬合曲線檢測結(jié)果

實驗序號磷酸鹽溶液濃度/(mg/L)顯色10min擬合曲線檢測結(jié)果/(mg/L)相對誤差/%10．010．00950．01095．009．0020．10．09360．10136．401．3030．20．19830．20080．850．40

表3 不同時間系統(tǒng)檢測結(jié)果

實驗序號檢測結(jié)果/(mg/L)相對誤差/% 第1天0．09366．4 第3天0．09851．5 第21天0．09811．9

為驗證研制的自動化總磷檢測系統(tǒng)對實際水樣中總磷的測試性能，在北京某幾所大學(xué)校園內(nèi)取3處實際水樣，標(biāo)記為水樣1、水樣2和水樣3。將這3個水樣分為2組，其中一組送到具備水質(zhì)監(jiān)測資質(zhì)的譜尼科技有限公司進(jìn)行檢測，另一組使用研制的水質(zhì)總磷自動檢測系統(tǒng)進(jìn)行檢測，其對照結(jié)果如表4所示。數(shù)據(jù)顯示系統(tǒng)檢測結(jié)果處于譜尼檢測結(jié)果的范圍內(nèi)，具有較高的檢測精度；而且檢測下限達(dá)到國家一類湖、庫水標(biāo)準(zhǔn)。

表4 實際水樣檢測結(jié)果對比

試劑水樣譜尼檢測結(jié)果/(mg/L)系統(tǒng)檢測結(jié)果/(mg/L)水樣1<0．010．0026水樣2<0．010．0085水樣3<0．010．0078

4 結(jié) 論

本文基于吸光光度法的檢測原理，搭建了光學(xué)檢測平臺，實現(xiàn)了對光電流的精準(zhǔn)測量；基于順序注射技術(shù)，設(shè)計了靈活快速的流路控制系統(tǒng)，能夠達(dá)到自動進(jìn)樣和精確混合的要求；優(yōu)化了顯色時間等關(guān)鍵實驗參數(shù)，在保證系統(tǒng)檢測結(jié)果準(zhǔn)確性的同時提高系統(tǒng)的運(yùn)行效率。實驗結(jié)果顯示:該自動檢測系統(tǒng)可以對國家地表水環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)中要求的I～V類水中總磷含量進(jìn)行快速準(zhǔn)確測量，具有測量結(jié)果準(zhǔn)確穩(wěn)定、消耗試劑量少以及操作簡單等優(yōu)點。

[1] 全國地表水水質(zhì)月報[R].北京:中華人民共和國環(huán)境檢測總站,2016.

[2] 李宇航,廖海洋,溫志渝,等.庫區(qū)水質(zhì)在線監(jiān)測數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)設(shè)計[J].傳感器與微系統(tǒng),2011,30(2):61-63.

[3] Gapper L W,Fong B Y,Otter D E,et al.Determination of nitrite and nitrate in dairy products by ion exchange LC with spectrophotometric detection[J].International Dairy Journal,2004,14(10):881-887.

[4] 黎洪松,劉 俊.水質(zhì)檢測傳感器研究的新進(jìn)展[J].傳感器與微系統(tǒng),2012,31(3):11-14.

[5] Gapper L W,Fong B Y,Otter D E,et al.Determination of nitrite and nitrate in dairy products by ion exchange LC with spectrophotometric detection[J].International Dairy Journal,2004,14(10):881-887.

[6] Kapinus E N,Revelsky I A,Ulogov V O,et al.Simultaneous determination of fluoride,chloride,nitrite,bromide,nitrate,phosphate and sulfate in aqueous solutions at 10-9to 10-8% level by ion chromatography[J].Journal of Chromatography B,2004,800(1):321-323.

[7] Gupta V K,Singh L P,Chandra S,et al.Anion recognition through amide-based dendritic molecule: A poly(vinyl chloride)based sensor for nitrate ion[J].Talanta,2011,85(2):970-974.

[8] 中華人民共和國環(huán)境保護(hù)部.HJ 671—2013水質(zhì)總磷的測定—流動注射—鉬酸銨分光光度法[S].北京:中國環(huán)境科學(xué)出版社,2013.

[9] 黃君禮.水分析化學(xué)[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社,2008.

[10] Ruzicka J,Marshall G D.Sequential injection:A new concept for chemical sensors,process analysis and laboratory assays[J].Analytica Chimica Acta,1990,237:329-343.

[11] 劉學(xué)著,方肇倫.順序注射分析及其應(yīng)用[J].分析科學(xué)學(xué)報,1999(1):70-78.

Automatic detection system based on sequential injection technology analysis for total phosphorus

LU Hua1,2， MA Ling-wei1,2， TONG Jian-hua1， BIAN Chao1， XIA Shan-hong1

(1.State Key Laboratory of Transducer Technology，Institute of Electronics，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100190，China; 2.University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China)

A small automatic system for total phosphorus detection based on absorption photometry using sequential injection analysis technique is realized.Experimental results demonstrate that the automatic detection system has high accuracy and good repeatability with the concentration of total phosphorus at range of 0～0.5 mg/L,and can be used to detect total phosphorus in I～V class water clarified in national surface water environmental standard.The developed system has the advantages of high-precision of testing results, low reagent consumption and easy operation.

total phosphorus; absorption photometry; sequential injection; automatic detection

10.13873/J.1000—9787(2017)02—0124—03

2016—04—21

TP 212.9

A

1000—9787(2017)02—0124—03

魯 華(1991-)，男，碩士研究生，主要研究方向為生化微傳感器系統(tǒng)。