基于顏色檢測的亞硝酸鹽傳感器設計

李新民 羅學科,2* 李 文 陳夢凡

(1.北方工業大學 機械與材料工程學院，北京 100144；2.北京印刷學院 機電工程學院,北京 102600)

引 言

亞硝酸鹽作為環境污染物的一種，遍布在自然界的地表水和地下水中,嚴重影響著人類生活[1]。在國家環保政策的倡導下，飲用水和食品安全越來越受到人們的重視。亞硝酸鹽屬于一類無機化合物，微量的亞硝酸鹽化合物也可能會引發食物中毒，食入0.3～0.5 g的亞硝酸鹽，嚴重者可能致死。因此，嚴格控制亞硝酸鹽在生活用水和食品中的含量是食品衛生監督部門工作的重要內容，也是必須引起消費者重視的食品安全問題[2]。

針對亞硝酸鹽現有多種檢測方法，包括吸光光度法、紫外分光光度法、熒光法、色譜法、電化學法等，其中吸光光度法分為鹽酸萘乙二胺分光光度法和酚二磺酸分光光度法[3]，經典的分光光度法儀器操作簡單，具有一定的實用性且價格低廉。趙萍等[4]采用在線鎘柱還原-流動注射分析法對硝酸鹽和亞硝酸鹽進行監測，方法便捷，檢測精度高，能夠同時檢測水中的亞硝酸鹽和硝酸鹽；方力等[5]提出了用均勻設計法檢測水中的硝酸鹽和亞硝酸鹽，其操作簡單，適用于飲用水的檢測。熒光法發展還不完善，且檢測費用相對較高。楊喜民等[6]建立了熒光分光光度法來測定血液中的硝酸鹽濃度，但檢測精度比較低。色譜法發展時間較長，其特點是快速、簡便、準確且靈敏度高[1]，但檢測儀器比較昂貴。電化學法包括離子選擇電極法、極譜法和毛細管電泳法等[7]，但這些方法對檢測結果的影響因素較多。

本文針對亞硝酸鹽檢測的準確性和自動連續在線檢測需求，基于比色法原理，設計了以顏色檢測設備為檢測媒介的亞硝酸鹽傳感器；該方法不僅滿足了食品中亞硝酸鹽與硝酸鹽的測定要求，而且理論上可以在不同溶劑中進行亞硝酸鹽濃度的檢測，其操作簡便、成本低、儀器結構簡單，實現了亞硝酸鹽傳感器的便攜性和檢測的快速性。

1 材料與方法

1.1 試劑與儀器

氨基苯磺酸(C6H7NO3S)溶液，濃度12 mol/L，北京世紀奧科生物技術有限公司；α-萘胺(C10H9N)，分析純，亞硝酸鹽溶液，165 μg/mL，去離子水，北京儀化通標科技有限公司；濃鹽酸，質量分數37%，唐山市豐南區尚德商貿有限公司。

KX-17018型恒溫水浴箱，水溫控制范圍5～100 ℃，金壇市科析儀器有限公司；亞硝酸鹽傳感器，自制；JF-NO2-485型亞硝酸鹽傳感器，檢測范圍0～20×10-6，上海景飛環?？萍加邢薰?；BJ-RZ1030型蠕動泵，流量范圍0～170 mL/min，Smart SV-04型閥島，6通道，南京潤澤流體控制設備有限公司；4v210-08型電磁閥，正泰集團股份有限公司；TCS3200顏色傳感器，深圳市微雪電子有限公司；自制反應池，25 mL。

1.2 檢測原理

利用亞硝酸鹽與對氨基苯磺酸酸性溶液發生反應，酸性環境中亞硝酸根離子將對氨基苯磺酸的氨基重氮化，生成重氮鹽，反應方程式為

(1)

再利用式(1)的反應物重氮鹽與α-萘胺酸性溶液發生偶聯反應，生成偶氮化合物，偶合部位在α-萘胺的氨基鄰位，反應方程式為

(2)

經過上述兩步反應后，溶液呈紫紅色。從反應式(1)、(2)可以得出，亞硝酸鹽的濃度與偶氮化合物濃度成正比。因此，利用顏色檢測設備對反應后的偶氮化合物進行檢測，得出濃度與顏色之間的線性關系，從而間接得出亞硝酸鹽的濃度。顏色檢測設備能夠靜態識別物體顏色，不同顏色輸出不同頻率方波，不同的頻率對應相應三原色(RGB)的值。利用顏色傳感器對不同色光的濾波器特性，過濾除紅色以外的光，即可讀出溶液的顏色值。不同顏色值與亞硝酸鹽濃度之間存在線性關系，通過建立數學模型得出亞硝酸鹽濃度，檢測原理如圖1所示。

1.3 實驗溶液制備

取濃鹽酸用去離子水稀釋，配制成濃度為2.4 mol/L的稀鹽酸溶液；取配制的稀鹽酸溶液作為溶劑，氨基苯磺酸作為溶質，配制成質量濃度為4 mg/mL的氨基苯磺酸酸性溶液；以稀鹽酸溶液為溶劑，α-萘胺為溶質，配制成質量濃度2 mg/mL的α-萘胺酸性溶液。取標準亞硝酸鹽試劑配成質量濃度分別為0.050、0.075、0.100、0.125、0.150、0.175、0.200、0.225、0.250、0.275、0.300 mg/L的亞硝酸鹽溶液。

1.4 系統設計

1.4.1傳感器結構設計

亞硝酸鹽傳感器結構分為3層：下層放置顏色檢測設備和信號傳輸線，用來將檢測到的RGB顏色的頻率信號輸出至數據采集板；中間層主要是玻璃材料的反應池，用于試劑反應和數據檢測；頂層為檢測背景，選擇白光作為補償光源置于中心位置。亞硝酸鹽傳感器的三維結構如圖2所示。

首先將水樣通過進水口抽入反應池中，再將配制好的對氨基苯磺酸酸性溶液抽入反應池中，在此過程中水樣里的亞硝酸根與對氨基苯磺酸發生重氮化反應，生成重氮鹽；待第一階段反應結束后，將α-萘胺酸性溶液抽入反應池中，完成重氮鹽與α-萘胺溶液的偶聯反應；顏色檢測設備將檢測出的穩定數據傳給采集板，檢測結束。

1.4.2亞硝酸鹽檢測流程設計

整個系統的檢測裝置以蠕動泵為動力源，定量向反應池中抽入反應所需的對氨基苯磺酸酸性溶液和α-萘胺酸性溶液試劑。系統中加入定量裝置，以避免反應池中溶液過量。顏色檢測設備將數據傳輸至采集板，經數據換算后，再將亞硝酸鹽濃度值通過串口傳送到上位機。上位機采用LabVIEW編程，不僅能將數據儲存到數據庫中，還可以通過TCP/IP將數據上傳到網絡服務端，以供其他設備提取。亞硝酸鹽的在線檢測結構設計如圖3所示。整個過程可實現自動連續在線檢測的要求，檢測周期設定為1 h。

亞硝酸鹽的檢測流程圖如圖4所示。首先清洗檢測室內的殘留物質，為防止清洗時殘留清水稀釋水樣，保證檢測的準確性，需要用水樣潤洗檢測室。使用高精度注射泵控制水樣的進液量為10 mL，調節閥島，轉換到試劑1進液口，向檢測室內注入3 mL氨基苯磺酸；等待進液完畢后，調節閥島，轉換到進氣口，向檢測室內吹入空氣，達到攪拌效果，使亞硝酸根與氨基苯磺酸完全反應。5 min后，調節閥島，轉換到試劑2進液口，向檢測室內注入3 mL α-萘胺，攪拌10 min；待重氮鹽與α-萘胺充分反應后，使用顏色檢測設備讀取檢測室中的顏色值[8]，傳遞到采集板。數據通過RS485串口發送給上位機。經過上位機處理的數據一部分通過TCP/IP上傳到網絡服務器，另一部分儲存到數據庫中。待檢測結束后，排空檢測室中的水樣并清洗檢測室為下次檢測作準備。

2 實驗結果與分析

2.1 實驗建模

在常溫常壓條件下，依次檢測質量濃度為0.05、0.075、0.10、0.125、0.15、0.175、0.20、0.225、0.25、0.275、0.30 mg/L的亞硝酸鹽標準溶液，并進行6組實驗后取平均值(顏色檢測設備輸出的為頻率值f，kHz)，如表1所示。

表1 實驗測試值及平均值Table 1 Experimental test values and average values

依據表1檢測數據，對6次實驗數據平均值與標準溶液質量濃度值進行擬合。以檢測數據平均值為橫坐標、標準溶液質量濃度ρ為縱坐標繪制曲線，如圖5所示。在標準曲線繪制過程中，對不同質量濃度的亞硝酸鹽溶液進行檢測，從而得出利用顏色檢測設備檢測出的頻率值與標準試劑質量濃度值之間關系。

數據模型為

ρ=8×10-5f2+0.006 3f-0.039 2

(3)

測定系數R2=0.998 9>0.9。

實驗檢測數據如表2所示。根據GB/T 5009.33—2008《食品中亞硝酸鹽與硝酸鹽的測定》[9]、HJ/T 197—2005《水質 亞硝酸鹽氮的測定》[10]中對亞硝酸鹽的檢測指標，對相對誤差、精度、重復性即相對標準偏差(RSD)等檢測數據進行處理，各指標的計算公式如下。

表2 擬合值及其他數據統計參數對照Table 2 Comparison of fitted values and other statistical parameters

相對誤差

(4)

式中，δ為相對誤差；ρ*為質量濃度測量值；ρ標為質量濃度標準值。

重復性

(5)

(6)

精度

(7)

式中，σ為傳感器測試精度；ρ′為傳感器量程值。

從表2可以看出，擬合值與標準試劑值相對誤差的最大值為5.12%，精度最大值為6.97%，相對標準偏差的最大值為6.77%，能夠滿足GB/T 5009.33—2008《食品中亞硝酸鹽與硝酸鹽的測定》要求。

2.2 對比實驗驗證

為驗證該亞硝酸鹽傳感器對實際水樣檢測的準確性，使用由上海景飛環保科技有限公司生產的亞硝酸鹽傳感器(JF-NO2-485)作對比實驗。取實驗室自來水，加入不同濃度的低濃度亞硝酸鹽試劑，在相同條件下進行6組對比實驗，表3為所得實驗數據。

表3 驗證實驗數據參數對照Table 3 Parameter comparison for verification of experiment data

由于該傳感器檢測上限為0.30 mg/L，因此第6組實驗數據無效。由表3可以得出，與亞硝酸鹽傳感器(JF-NO2-485)對比，本文儀器相對誤差的最大值為2.76%。

2.3 穩定性實驗

為驗證所設計傳感器的穩定性，調節恒溫水浴箱溫度分別為5、10、15、20、25、30 ℃，分別檢測質量濃度為0.05、0.10、0.15、0.20、0.25、0.30 mg/L的亞硝酸鹽標準試劑，每個溫度下連續測試4組并取平均值，結合穩定性計算公式可得表4。

表4 不同溫度下亞硝酸鹽檢測值Table 4 Nitrite detection values at different temperatures

穩定性計算公式為

(8)

式中，α為穩定值；ρmin為測試最小質量濃度值；ρmax為測試最大質量濃度值。

由表4可以得出，當溫度在5～30 ℃之間時，質量濃度檢測的最大相對誤差為5.72%，最大穩定值為0.099。

2.4 干擾因素分析

經實驗測試，得出干擾因素如下：①水中含有其他懸浮物對光學檢測的精度造成影響;②顏色傳感器的光源衰減會影響溶液顏色檢測的準確度，最終增大亞硝酸鹽檢測誤差；③檢測時，外界自然光對顏色傳感器的干擾；④實驗試劑的保質期有限，變質的試劑影響檢測精度；⑤進液管中滯留的溶液將會造成其他試劑的污染；⑥顏色傳感器的光照強度有限，當亞硝酸鹽濃度相差不大時，很難做到精準分辨。

針對以上干擾因素，提出應對措施如下：①在檢測前對水樣進行預處理，過濾水樣中的懸浮物和溶液中的顆粒物等[11]，以減少水中其他懸浮物對光學檢測精度造成的影響；②為保證顏色檢測設備的準確性，需定期對顏色檢測設備作白平衡校正；③檢測室的設計是封閉的，應保證在黑暗環境下檢測，避免外界自然光的干擾；④為實現連續在線檢測，將預配制好的反應試劑存放在恒溫箱內，有效使用期限為一周，試劑需在有效期內更換，以保證其連續檢測的功能；⑤在進樣、添加試劑等流程結束后，控制閥島轉到進氣口，需抽取小段空氣，以實現水樣與試劑、試劑與試劑之間的隔絕；⑥當亞硝酸鹽濃度相差不大時，為提高檢測的準確性和提高分辨率，需添加白光對顏色傳感器進行補光處理。

3 結論

基于比色法原理設計了一種非接觸式的液相溶解亞硝酸鹽濃度檢測儀器，實驗結果表明該儀器經修正后曲線的測定系數為0.998 9，相對誤差的最大值為5.12%，完全能夠滿足水中亞硝酸鹽的測定要求；配合上位機數據存儲和網絡傳輸，實現了水中亞硝酸鹽的在線連續檢測，降低了成本，提高了檢測精度。