基于Labview的分光光度法在線測定磷、氮、硫儀器的研制

許飛飛，左從蔣，儲 旭，孫 喆，曹 晏,2

(1.安徽大學 化學化工學院，安徽 合肥 230000； 2.美國西肯塔基大學 理工學院化學系)

水與人類生活息息相關，隨著人類的日益進步，大量的工業廢水和生活污水排入水體中，導致水污染。水體中的污染物以多價態磷、氮、硫等污染物為主,過量的磷、氮、硫排放會引起水體富營養化[1-2]，致使水體透明度下降、溶解氧降低、水質變差、魚類及其它生物大量死亡等現象產生。目前我國水污染情況嚴重，雖然國家已經大力開展治理工作，并取得了一些階段性成果，但是對水體中污染物的監控絕不能放松。常見的水體監控[3]方法仍是在線取樣、離線檢測，取樣與檢測耗時長，不利于對水體實時監控，因此搭建一套實時、快速的在線監測系統是十分必要的。

為實現水環境中多價態磷、氮、硫污染物的檢測，本文設計了一個以分光光度法為機理，通過Labview系統控制各單元功能，實現了對水體中的磷酸根[4]、亞硝酸氮[5]、硝酸氮[6]、氨氮[7]和硫酸根[8-10]濃度的的自動測量，無須人工操作，檢測快速、結果準確。

1 裝置的整體設計

1.1 設計原理

分光光度法是根據待測物對光有選擇性吸收而形成的一種檢測方法。因為不同物質分子的結構和組成不同，它們所具有的特征能級也不同，所以它們能級差不同，只有當光的能量與待測物內部能量近似時才可被吸收。當物質的特征結構吸收特定的波長時，最大吸收峰隨之產生，從而產生了特定的吸收光譜。目前所用的紫外可見分光光度計(UV-VIS)就是利用分光光度法，實現對物質吸收光譜的分析。它主要是由光源、單色器、吸收池、檢測系統和信號輸出系統組成，如下圖1所示。

圖1 紫外可見分光光度計結構示意圖

朗伯-比爾定律表示物質對特定波長吸收強弱與吸光物質濃度和吸收介質厚度的關系，具有廣泛的適用性[11-12]。當一束單色光(入射光強度I0)通過濃度為c、厚度為b的比色皿后，透射光強度變為It[13]，如下圖2所示。

圖2 單色光穿過比色皿

透射光強度It與入射光強度I0之比稱為透射比，記為T：

(1)

待測液對單束光的吸收程度用吸光度A表示，記為：

(2)

吸光度的大小反應的是溶液吸光能力的強弱。

(3)

其中A為吸光度，K為比例系數，此公式表示吸光度與被測物含量c和吸收介質厚度b為正比例關系，此式為光度法檢測物質吸收的基本原理。本裝置主要根據分光光度法和朗伯-比爾定律來進行多價態磷、氮、硫污染物的檢測，利用污染物離子的顯色反應，通過產生不同的吸光度，得到標準工作曲線，實現準確測量。

1.2 系統描述

鑒于樣品的復雜性，為了能夠準確測量，需要在測試前進行預處理，在測磷和總氮時，先對樣品進行氧化，使其全部轉化為磷酸根、硝酸根，同時氧化過程也能排出雜質干擾，于此設計系統結構。

1.2.1 裝置結構圖

裝置包括進樣單元、氧化單元、反應顯色單元、測試單元、控制單元與分析單元六部分組成，其中進樣單元和氧化單元如圖3所示。

圖3 進樣與氧化單元結構示意圖

1.2.2 主要組成單元

1.2.2.1 進樣單元

進樣單元是由蠕動泵和注射泵構成。蠕動泵和注射泵，分別通過控制單元的指令發布控制電機，實現液體定向流動將液體送至指定位置。

1.2.2.2 氧化單元

氧化單元是由臭氧發生器和紫外燈組成。溶液同時受到臭氧和紫外線的雙重氧化，為后面樣品檢測做好準備。

1.2.2.3 反應顯色單元

反應單元是由具有進液、進氣、排氣作用，待溶液反應結束后進入檢測單元。

1.2.2.4 檢測單元

檢測單元主要是一套微型光譜儀系統。由紫外和可見光源對比色皿進行照射，再由光譜儀采集數字信號，經軟件處理后在電腦上顯示出來，即可實時觀察圖譜信息。

1.2.2.5 分析單元和控制單元

分析單元和控制單元主要通過軟件部分實現。通過以Labview程序編譯后的軟件，實現儀器全部操作及數據處理，軟件同時具有樣品數據可以實時光譜曲線顯示、標準曲線、存儲數據，及部分基礎運算等功能，磷氮硫檢測儀軟件初始界面如圖4所示。

圖4 Labview測試軟件

2 測試部分

2.1 測試方法

磷的檢測采用臭氧-紫外氧化方式，用磷鉬藍顯色法在波長710 nm下實現對磷的快速檢測；亞硝酸氮與對氨基苯磺酸、鹽酸萘乙二胺發生反應顯色，在545 nm波長處檢測；硝酸根在220 nm和275 nm處均有吸收，所以根據A=A220-2A275計算，總氮用臭氧加紫外氧化法，將樣品氧化為硝酸鹽后，與硝酸根測試相同；銨根與納氏試劑顯色，在406 nm波長處檢測；硫酸根與氯冉酸鋇反應顯色，在530 nm波長處檢測。

2.2 測試結果

2.2.1 磷

配制濃度為磷酸二氫鉀溶液至0.4，0.3，0.2，0.1，0 μg/mL，實驗中磷酸標準液(0.5 mL)與鉬酸鹽溶液(4.5 mL)注入后，進行自動測量，作出其標準曲線如圖5所示。

圖標準曲線

由圖可知，磷的標準曲線為Y=0.1582X+0.0102，其中Y為吸光度，X為磷的含量(μg/mL)，該線性度達0.994，說明磷含量與吸光度在0～0.4 μg/mL范圍內為線性關系；為消除由于試劑不純或試劑干擾等所造成的系統誤差，多次測量空白溶液，計算出設備的檢測限為0.019 μg/mL。

2.2.2 氮

①亞硝酸根

配制亞硝酸根標準溶液分別配制5，3，2，1和0 μg/mL，每組抽取樣品液0.5 mL、顯色劑為4.5 mL，進行自動測量，作出其標準曲線如圖6所示。

圖標準曲線

由圖可知，亞硝酸根的標準曲線為Y=0.0999X+0.0103，其中Y為吸光度，X為亞硝酸根的含量(μg/mL)，該線性度達0.989，說明亞硝酸根含量與吸光度在0～5 μg/mL范圍內呈良好的線性；為消除由于試劑不純或試劑干擾等所造成的系統誤差，多次測量空白溶液，計算出設備的檢測限為0.180 μg/mL。

②硝酸根

配制硝酸鈉溶液濃度分別為0，0.4，0.6，0.8，1.5 μg/mL，樣品抽取0.5 mL，進行自動測量，作出其標準曲線如圖7所示。

圖標準曲線

由上結果可知，硝酸根的標準曲線為Y=0.2625X+0.5826，其中Y為吸光度，X為硝酸根的含量(μg/mL)，該線性度達0.990，說明硝酸根含量與吸光度在0～1.5 μg/mL的關系曲線為良好的線性；為消除由于試劑不純或試劑干擾等所造成的系統誤差，多次測量空白溶液，計算出設備的檢測限為0.035 μg/mL。

③銨根

配制氯化銨標準溶液濃度為0.714，0.476，0.238，0.095和0 μg/mL，每次抽取標準液0.5 mL、顯色劑為4.5 mL，進行自動測量，作出標準工作曲線如圖8所示。

圖標準曲線

由圖可知，銨根的標準曲線為Y=0.2513X+0.0228，其中Y為吸光度，X為銨根的含量(μg/mL)，該線性度達0.995，說明銨根含量與吸光度在0～0.714 μg/mL范圍內呈良好的線性；為消除由于試劑不純或試劑干擾等所造成的系統誤差，多次測量空白溶液，計算出設備的檢測限為0.012 μg/mL。

2.2.3 硫

由硫酸標準液進行稀釋，分別配制96，48，19.2，9.6和0 μg/mL，標樣每次進樣0.5 mL，顯色劑進樣5 mL，作出其標準曲線如圖9所示：

圖標準曲線

由圖可知，硫酸根的標準曲線為Y=0.0104X+0.0121，其中Y為吸光度，X為硫酸根的含量(μg/mL)，該線性度達0.991，說明硫酸根含量與吸光度在0～96 μg/mL范圍內呈良好的線性；為消除由于試劑不純或試劑干擾等所造成的系統誤差，多次測量空白溶液，計算出設備的檢測限為0.288 μg/mL。

3 結論

本文介紹了水體中多價態含磷、氮、硫污染物的在線檢測系統，通過分光光度法的并配合特定的顯色劑，使用Labview編寫的上位機軟件、通過與各控制單元的串口通訊，達到了水樣采集、氧化、顯色、標定、清洗等功能，為對水體中的多價態磷、氮、硫的自動測量提供了必要的工作環境，最終實現了對水體中的磷酸根、亞硝酸根、硝酸根、銨根和硫酸根濃度的準確測量。該系統可應用于水質的實時測量，能夠隨時了解水體情況，實現動態監測。