基于光纖和平面反射鏡改變光路的吸光度測(cè)定裝置設(shè)計(jì)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(jiǎn)單、操作方便、快速等優(yōu)點(diǎn)，是環(huán)境監(jiān)測(cè)最常用的儀器分析方法之一[1,2]。采用吸光光度法檢測(cè)樣品時(shí)，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(cè)的發(fā)展趨勢(shì)是在線、實(shí)時(shí)、自動(dòng)[3-5]。要實(shí)現(xiàn)從采樣到測(cè)定全過程的自動(dòng)分析，在線過濾不可或缺。然而，對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)監(jiān)測(cè)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(chǎng)自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀器的癱瘓[6]。目前，以吸光光度法為基礎(chǔ)的自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀器在現(xiàn)場(chǎng)的工作時(shí)長(zhǎng)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(chǎng)自動(dòng)監(jiān)測(cè)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(cè)定的吸光光度方法，將極大地延長(zhǎng)現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)監(jiān)測(cè)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(cè)定不透明固體表面對(duì)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(jì)匹配的吸光度測(cè)定新裝置，并應(yīng)用于水樣中亞硝酸根離子的測(cè)定。由于光路的改變，當(dāng)測(cè)定液濁度不大可透光時(shí)，測(cè)定吸光度是表面吸收和透光吸收之和；如果測(cè)定液渾濁不透光時(shí)，測(cè)定的主要是顯色液的表面反射吸光度。此裝置不僅延長(zhǎng)了透光光程，且可測(cè)定溶液表面反射吸光度，即可應(yīng)用于澄清水樣的測(cè)定也可測(cè)定渾濁水樣的測(cè)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(cè)定裝置設(shè)計(jì)與制作

1.1.1 裝置設(shè)計(jì)

基于光纖和反射鏡改變光傳播路徑的特性，設(shè)計(jì)如圖1所示的與VIS-723N型可見分光光度計(jì)匹配使用的吸光度測(cè)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(cè)器端接收，測(cè)得吸光度。

圖1 吸光度測(cè)定裝置光路示意圖

1.1.2 裝置設(shè)計(jì)圖

根據(jù)1.1.1中圖1設(shè)計(jì)要求，在AutoCAD 2014中繪制出測(cè)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(tái)，且平面鏡槽中的鏡面與比色皿面緊貼。吸光度測(cè)定裝置三視尺寸圖見圖3，其中注釋的長(zhǎng)度單位為mm。

圖2 吸光度測(cè)定裝置3D示意圖

圖3 吸光度測(cè)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(cè)定樣品液的吸光度。通過實(shí)驗(yàn)考察吸光度與濁度的關(guān)系，分析濁度對(duì)樣品溶液吸光度測(cè)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(duì)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(shí)驗(yàn)所用試劑均為國(guó)產(chǎn)分析純?cè)噭?/p>

1.2.1 吸光度測(cè)定方法

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

1.2.2 濁度對(duì)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(cè)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(cè)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(duì)吸光度影響的修正公式AT=f(T)。

1.2.3實(shí)際水樣中亞硝酸根離子的測(cè)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(cè)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(zhǎng)下，測(cè)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(shí)際水樣50.00mL，不經(jīng)過濾，按標(biāo)準(zhǔn)曲線測(cè)定方法，加入相同量的顯色試劑和反應(yīng)相同時(shí)間后，測(cè)定吸光度AS；同時(shí)，按照濁度的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)定方法[12]測(cè)定水樣的濁度T，由AT=f(T)計(jì)算AT。將AS-AT代入標(biāo)準(zhǔn)曲線回歸方程即可計(jì)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(jì)方法和要求，采用3D打印制作吸光度測(cè)定裝置，并安裝上反光鏡與比色皿，得到裝置實(shí)物圖如圖4所示。

圖4 吸光度測(cè)定裝置實(shí)物圖

通過測(cè)試，所制作的裝置具有以下性能：(1)測(cè)定裝置底座尺寸與可見分光光度計(jì)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(cè)器端接收；(3)重復(fù)測(cè)定時(shí)，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(cè)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(huì)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。可見，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(cè)定不過濾水樣中亞硝酸根離子濃度時(shí)，只需按照標(biāo)準(zhǔn)方法測(cè)定總吸光度(AS)和濁度(T)，根據(jù)公式AT=f(T)計(jì)算出AT，將AS-AT代入標(biāo)準(zhǔn)曲線回歸方程即可計(jì)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(duì)吸光度影響的修正公式推導(dǎo)及驗(yàn)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(shí)，待測(cè)溶液的吸光度。實(shí)際上，各回歸方程的截距實(shí)際上最主要是待測(cè)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(duì)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(duì)吸光度影響的修正公式。

圖5 濁度對(duì)吸光度的影響

為了進(jìn)一步驗(yàn)證修正公式的普適性和可靠性。隨機(jī)配制了10個(gè)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(cè)定各溶液中亞硝酸根離子濃度，以配制濃度為真值計(jì)算測(cè)量值的誤差，結(jié)果見表2。表2數(shù)據(jù)表明，測(cè)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(cè)定結(jié)果

2.2.3 實(shí)際水樣中亞硝酸根離子的測(cè)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(gè)水樣。每個(gè)水樣分成兩份，一份經(jīng)過濾，采用標(biāo)準(zhǔn)方法[11]測(cè)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(cè)定。以經(jīng)典方法測(cè)定結(jié)果(X)為橫坐標(biāo)，本研究方法測(cè)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(cè)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(shí)際水樣中亞硝酸根離子的測(cè)定。

圖6 標(biāo)準(zhǔn)方法和本研究方法測(cè)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(jì)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(cè)定裝置，并使用該裝置研究了濁度對(duì)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(duì)大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的回歸分析，獲得了濁度對(duì)吸光度影響的修正公式。進(jìn)而，建立了實(shí)際水樣中亞硝酸根離子的吸光度測(cè)定方法。建立的方法與標(biāo)準(zhǔn)方法測(cè)定結(jié)果無顯著差異。如將其發(fā)展成在線檢測(cè)方法，可避免在線過濾這一瓶頸問題。

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