海水五參數原位營養鹽分析儀的研制

郭翠蓮，張述偉，程永強，馬然，褚東志，張麗

(齊魯工業大學(山東省科學院)，山東省科學院海洋儀器儀表研究所， 山東省海洋環境監測技術重點實驗室，山東 青島 266001)

海水中的營養鹽主要包括無機氮、活性磷酸鹽、活性硅酸鹽等成分，是海洋浮游植物生長所必須的營養元素。營養鹽在海水中的不同濃度和組成，不僅會影響海洋初級生產力，而且會對浮游植物的群落結構產生調節作用[1]，進而影響海洋生態系統結構。因此，監測海水中營養鹽的濃度分布和變化，對于評價水體富營養化，了解海洋中氮、磷、硅元素的地球化學循環和海洋生態系統的關鍵過程，具有重要的科學意義[2-3]。

傳統海水中營養鹽的分析主要根據海洋監測規范，采用出海現場采樣-實驗室測定方法，該方法存在實時性差、待測樣品溶液易受污染、浪費人力物力等缺點[4]，所以將實驗室方法轉化為現場、在線、原位測量就顯得十分重要[5]。

目前我國所用的海洋營養鹽現場分析儀多為進口，如Green Eyes公司的Ecolab、Systea公司的WIZ、Subchem公司的APNA等，這些測量儀價格一般比較昂貴，并且測量項目不夠全面。我國也在非原位營養鹽儀器的研制方面做了一些研究工作[6-11],但是目前國內暫無適用于海水原位長期測量的營養鹽五參數分析儀商業化產品。正在發展中的海水營養鹽分析儀的研制主要是依據傳統的分光光度法[12]，為了更準確、快速地檢測海水中的營養鹽含量，分光光度法通常與先進的流動注射技術聯用[13-16]。海洋監測技術規程[17]中也把流動分析法列為海水中營養鹽分析的行業標準方法。

本文研制的五參數原位營養鹽分析儀基于濕化學反應原理，將分光光度法與流動注射分析技術相結合，采用三通閥配合高精度微量蠕動泵將樣品和化學試劑泵入優化設計的微型環路中自動完成光學檢測，并獲得原位數據，將實驗室分析方法帶到測量現場，建立水下微型實驗室。該分析儀體積小、耗能低、數據穩定，通過遠程自動控制可以實現在線進樣、在線檢測、標定、清洗等功能，減小了試劑用量和反應時間，可以完成對亞硝酸鹽、硝酸鹽、銨鹽、磷酸鹽和硅酸鹽五個參數的原位、實時在線檢測。

1 儀器測試原理與分析流程

1.1 儀器測試原理

表1 營養鹽分析儀測定原理Table 1 Detection principle of the nutrients analyzer

1.2 分析工作流程

用系列標準溶液代替樣品依次建立各項營養鹽的標準工作曲線，然后依據工作曲線計算被測樣品營養鹽含量，五項營養鹽參數依次進行測量，測量完畢用蒸餾水沖洗整個管路。每項營養鹽的分析工作流程如圖1所示。

圖1 分析工作流程Fig.1 Flow chart for the analysis process

2 儀器研制

圖2 營養鹽分析儀實物圖Fig.2 Physical map of the nutrients analyzer

海水原位五參數營養鹽分析儀整體包括3個單元：主機單元、過濾單元和試劑單元。3個單元的外殼采用PVC材質的圓筒設計，具有耐壓、抗腐蝕、密封性好等特點。3個單元的尺寸(直徑×高)分別為：16 cm×58 cm,13 cm×16 cm,14 cm×24 cm。3個單元錯落安裝在33 cm×112 cm的不銹鋼支架上(圖2)，方便布放在浮標、臺站、科考船等平臺上進行實時原位監測，用于實驗室測量也十分方便快捷。

2.1 主機單元

主機單元為整個分析儀的核心單元，包括化學反應和檢測系統、控制系統和信號處理系統。

2.1.1 化學反應和檢測系統

化學反應和檢測系統設計如圖3所示。該系統主要由高精度微量蠕動泵(保定蘭格恒流泵有限公司)、石英材質的“U型”光度流動比色皿(定制，20 mm光程)、電磁閥(SMC，兩位三通)、亞力克材質閥板(定制)和聚四氟乙烯管(IDEX，內徑1.0 mm)組成。

系統利用蠕動泵控制流體的輸送速度(0～25 mL/min)，通過程序控制輸送時間從而控制輸送體積。通過蠕動泵泵速變化、停轉和反轉，實現樣品和試劑完全混合，利用兩位三通電磁閥控制流體的選擇性輸送。為了減少漏點和縮小體積，所用的15個兩位三通電磁閥固定在刻蝕有內部通道的閥板上[18]。

通過上位機軟件控制電磁閥的通斷，可以實現試劑選擇性流入，并可以利用電磁閥切換形成封閉環路或者打開環路。氨氮檢測采用光程為20 mm的“U型”熒光流動比色皿測量熒光強度，其他4個參數采用光程為20 mm的“U型”光度流動比色皿測量吸光度。這種“U型”流動比色皿使液體自下而上壓入檢測倉，能有效避免氣泡對檢測的干擾。5項營養鹽依次完成測量，也可以根據需要檢測其中部分參數。為保證氨氮與OPA充分反應，在反應液流入熒光流動比色皿之前設置有加熱及混合裝置，這種裝置是將聚四氟乙烯管纏繞在恒溫加熱棒上制成的。在硝酸鹽的檢測中，采用還原效率穩定，可以重復激活利用的管狀鎘線圈(購自美國Green Eyes公司)作為還原介質。化學反應系統備有清洗液和校準液入口，可定期(一個月)或根據需要進行自動沖洗和校正。5項營養鹽順序完成測量和沖洗僅需45 min，除了硝酸鹽測量時間較長，大約10 min之外，其他4項均在5 min中完成測量，節省了時間。每項測量需要的試劑用量大約為100～200 μL，存儲的試劑量最多可以完成250次的測量，方便快捷，省時省力。分析儀待機時功耗為2 W，工作時功耗小于12 W，能耗低。

檢測選用響應時間短、光強穩定、功耗低的LED燈為光源，波長分別為543 nm(亞硝酸鹽和硝酸鹽)，365 nm(銨鹽),880 nm(磷酸鹽)和810 nm(硅酸鹽)。LED發出的光經濾光片后經塑料光纖進行傳輸，由硅光電二極管檢測透射光強。分析儀利用自制的光纖耦合裝置，將光度法檢測所用的傳導543 nm，880 nm和810 nm波長的3個光路的光纖耦合在一起。每個檢測光路采用1×2雙光路構造，一路作為檢測光路，一路作為參比光路以消除LED 發光強度隨工作電壓和溫度而變化的影響。總之，光度檢測光路采用三進兩出的方式，熒光檢測光路采用一進二出的方式。

圖3 化學反應系統和檢測系統結構示意圖Fig.3 Schematic diagram for the chemical reaction & detecting system

2.1.2 控制系統和信號處理系統

控制系統核心處理器選用的是ARM Cortex-M4架構，嵌入μC-OSII實時操作系統。系統選用ITAE二次優化控制對系統進行控制，并利用系統集中參數建模對系統控制過程進行仿真研究。根據仿真結果，調整控制器參數，以實現控制過程的精準度。

信號處理系統包含信號采集模塊和數據處理模塊。信號采集模塊通過光電二極管采集光信號，并利用前置信號處理電路模塊對信號進行多級放大和低通濾波，如圖4所示；同時采用小波變換算法，提高信號的信噪比，突出信號的期望特征。

圖4 電路設計圖Fig.4 Diagram for circuit

圖5 數據采集與處理界面Fig.5 The interface for data acquisition and processing

在數據處理模塊中，建立波長-吸光度模型，運用多元線性回歸和主成分分析等方法，計算各物質的濃度。分析儀采用嵌入式系統，具有程序化采樣功能，能自動進行取樣、測量和數據處理，并保存測量數據，數據可以通過串口輸出或內存卡直接讀取,儀器配有遠程傳輸模塊，可以遠程操控和傳輸，數據采集與處理界面如圖5所示。

2.2 過濾單元

過濾單元主要包括直流泵、囊式過濾器、蠕動泵和緩沖試劑袋。直流泵泵入海水后，經0.45 μm的囊式過濾器進行過濾，該過濾器過濾通量大，結合反沖洗可實現長期在線過濾，不易堵塞。過濾的海水存在緩沖試劑袋里，通過蠕動泵完成進樣。

2.3 試劑單元

試劑單元為試劑存儲倉，配制好的試劑通過注射器裝進試劑袋后，懸掛在試劑倉中的支架上并通過特氟龍管與主機單元各試劑入口相連。試劑存儲倉可以整體拆卸，非常方便更換。儀器所用試劑按照表2所列方法配制，所用純水為milli-q超純水，所用化學試劑均為分析純。

表2 分析儀所用試劑列表Table 2 List of the reagent for the nutrients analyzer

3 儀器性能測試

3.1 線性范圍和檢出限

按照國標法海洋監測規范(GB17378.4—2007)的要求分別配制5項營養鹽標準濃度系列溶液，以濃度對吸光度/熒光強度作圖，得到標準曲線。檢出限(DL)的考察采用去離子水空白溶液，平行測定11次，將測定所得信號值轉換為濃度值后計算測定結果的標準偏差(SD)。儀器的檢出限按照公式DL=3.3 SD進行計算。線性范圍及檢出限結果列入表3中。從結果可以看出，所得標準工作曲線線性關系良好，相關系數符合海洋監測規范(GB17378.2—2007)大于0.98的要求。所得標準工作曲線寫入程序中，以進一步進行下一步的檢測工作。亞硝酸鹽、硝酸鹽、銨鹽、磷酸鹽和硅酸鹽的檢出限分別為：0.81,3.01,1.79,2.54,3.02 μg/L，與HY/T093—2005實驗室營養鹽分析儀[19]對檢出限的要求對比，除了磷酸鹽高于其1.0 μg/L的要求之外，其他4項的檢出限均優于其對檢出限的要求，靈敏度較高。

表3 線性范圍及檢出限Table 3 Data of linear range and detection limit

3.2 準確度和精密度

每項營養鹽取3個已知濃度的樣品用儀器平行檢測3次取平均值，然后用相對誤差公式δ=Δ/L×100%求相對誤差來考察儀器的準確度，計算每組數據的相對標準偏差來考察儀器精密度，結果見表4。結果表明看，亞硝酸鹽、銨鹽、磷酸鹽的相對誤差小于±5%，硝酸鹽和硅酸鹽的相對誤差小于±10%。亞硝酸鹽、銨鹽、硅酸鹽的相對標準偏差在3%之內，硝酸鹽和磷酸鹽的相對標準偏差在5%之內。準確度和精密度完全滿足海水樣品分析的要求，指標優于HY/T093—2005實驗室營養鹽分析儀要求[19],表明該營養鹽分析儀也可用于實驗室內的快速測量。

表4 海水五參數原位營養鹽分析儀的準確度和精密度數據

續表4

項目標準值/(μg·L-1)儀器檢測值/(μg·L-1)123平均值相對誤差/%相對標準偏差/%硅酸鹽2018．8618．7819．0318．89-5．550．68200204．45206．56207．41206．143．070．74500516．74514．36520．36517．153．430．58

3.3 現場比測

2015年10月12日—18日期間將研制的海水五參數原位營養鹽分析儀，置于我所位于青島中苑碼頭的海洋岸邊實驗站(坐標36°06'N，120°31'E)進行一周現場比測，每天09:00和15:00在線測樣，同時將現場海水采集并進行實驗室分析。實驗室分析中亞硝酸鹽、硝酸鹽、銨鹽、正磷酸鹽和可溶性硅酸鹽分別依據海洋監測規范GB17378.4—2007中的萘乙二胺分光光度法、鋅-鎘還原法、次溴酸鹽氧化法、磷鉬藍分光光度法、硅鉬藍法進行。實驗室分析中所用的儀器為紫外-可見分光光度計(Agilent Cary 100)。儀器法與國標法比對結果如圖6所示，可見五項營養鹽儀器法與國標法所得結果基本一致，能反應營養鹽含量的變化趨勢，適合原位在線監測。

圖6 儀器法與國標法測定結果比對Fig.6 Comparison between instrument method and national standard method

4 結論

本文研制的原位營養鹽分析儀，在高精度微量蠕動泵驅動下完成5種營養鹽的順序分析，方法簡單快速，耗能低，靈敏度、精密度、準確度都較高，與國標方法進行了現場比對，結果顯示吻合度較高，能反映各項營養鹽含量變化。應用儀器操作，可減少人為誤差，減輕人員工作量。因使用試劑量少，廢液排放量少，無氣泡干擾，而且環流設計穩定性高，適用于海水營養鹽現場原位快速檢測。原位營養鹽分析儀可以布放到科考船、臺站、浮標等平臺上單獨使用，也可以與其他傳感器整合實現協同監測，應用在實驗室檢測也十分方便。該研究對推動我國海洋環境監測和海洋調查的進一步開展，具有重大的意義。

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