原位營養鹽在線分析技術綜述

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(1.天津大學 環境科學與工程學院，天津 300072; 2.天津大學 環境科學與工程學院海洋生態環境研究中心，天津 300072; 3.深圳市朗誠科技股份有限公司，深圳 518029)

1 研究背景

營養鹽是海水中氮磷硅類營養元素的總稱，是海洋浮游植物生長所必需的基礎物質。適量營養鹽可促進生物的生長繁殖，過量則會誘發赤潮、綠潮等富營養化現象，嚴重危害海洋生態環境。此外，不同的營養鹽也可顯著影響海洋初級生產力和海洋生態系統結構[1]。因此，監測海水中營養鹽的時空分布和動態變化，對控制海洋水體富營養化，預防海洋災害，保護海洋生態環境等具有重要意義。由于傳統的營養鹽檢測方法難以實現連續實時監測，故需要一種高度自動化的現場實時監測方法替代，原位營養鹽在線分析技術便應運而生且得到蓬勃發展。

2 技術介紹

原位營養鹽在線分析技術涵蓋間斷微量取樣、濕化學分析、流動分析、光譜比色、PLC微機控制和網絡通信等多種技術。其分析儀器高度集成化，可實現營養鹽的實時原位監測，獲取極具代表性且準確可靠的海水水質監測數據。該技術可概括為三個主要方面：濕化學分析技術、流動分析技術以及自動化控制和通信技術。

2.1 濕化學分析技術

目前，原位營養鹽在線分析技術中應用較為成熟的化學分析方法主要為濕化學光度法和熒光分析法。濕化學光度法具有方法簡單、檢測靈敏、準確度高、再現性強等優點。但同時也存在化學試劑在野外環境存放容易變質，化學反應易受海水基底質干擾等問題。所以需進一步改進試劑保存方法，優化化學檢測方法。目前，海水營養鹽分析儀器檢測5類營養鹽的主要濕化學光度法[2]如表1。

表1 海水營養鹽分析儀的主要檢測方法及性能

其中，將硝酸鹽還原為亞硝酸鹽的方法除了表中提到的鎘柱還原法，還有UV還原法、氯化釩還原法。在海水的實際檢測中，UV還原法易受到水中其他離子干擾；氯化釩試劑極易被氧化變質而失去還原性。這兩種方法的穩定性和還原率都不如鎘柱法高，遂逐漸被淘汰。

原位營養鹽分析儀器以液體流動方式進樣分析故多采用流通池比色法，使用同一套比色裝置，檢測結果重復性高。通過確定合理的清洗次數可有效降低交叉污染造成的影響，且該方法的儀器適應性高、應用廣泛。郭翠蓮等[3]研制的海水五參數原位營養鹽分析儀以光程為 20 mm 的“U型”光度流通比色皿測量營養鹽的吸光度，溶液自下而上被壓入檢測倉，可有效消除氣泡對檢測的影響。在對流通池比色技術的改進方面，不少學者將液芯波導引入流動分析技術中。液芯波導( Liquid core waveguide，LCW) 能夠約束檢測器發射的光線在具有較高折射率的液相中傳輸[4]，降低光損耗，增加有效光程，從而提高儀器比色分析的靈敏度和精度[5]。Amornthammarong等[6]利用順序注射分析技術(SIA)和2m長液芯波導對低濃度硅酸鹽進行檢測，檢測限達0.1μM/L、檢測量程為0.1～10μM/L。李彩等[7]結合流動注射分析技術(FIA)和5m長液芯波導設計了測量海水中極低濃度營養鹽的在線分析儀，檢測速度達到40個樣品/h，檢測限低至1.3μg/L，相對標準偏差(RSD)為1.2%。楊澤明[8]基于SIA技術研制的便攜式海水營養鹽分析儀基于“Z型”液芯波導樣品池檢測試樣，可顯著提高亞硝酸鹽的分析效率，檢測時間從10min縮減至近1min。

原位營養鹽在線分析技術中另一重要的濕化學分析方法——熒光分析法，其檢出限低，靈敏度高。Masserini Jr等[9]利用反向流動注射技術(rFIA)結合熒光法測定海水中銨鹽的含量，檢出限低至1×10-3μmol/L。但在實際檢測中，能在紫外線照射下直接發射熒光的化學物質并不多，因此多采用間接熒光法，即先用有機試劑與被測定物質結合成絡合物，再根據該絡合物在紫外線照射下發出的熒光強度換算出待測物質含量。早在1971年，Roth[10]發現鄰苯二甲醛(OPA)、巰基乙醇或硼化氫還原試劑和氨或伯胺的三元反應能生成一種異吲哚取代衍生物。該衍生物能發射出較強的熒光，根據該反應可快速檢測出水樣中氨氮的含量。國內學者郭翠蓮等[3]研制的海水五參數原位營養鹽分析儀，即是以OPA熒光法(激發波長365nm，發射波長400～480nm)測定海水中氨氮含量，檢出限達1.79μg/L，線性范圍為10～500μg/L。目前，OPA熒光法已被廣泛用于原位營養鹽監測儀器中，意大利Systea公司研發的WIZ probe營養鹽在線分析儀、廈門吉龍德公司研制的KLD-C Probe 原位營養鹽水質分析儀和斯坦道公司研制的OSTD-NutriS原位營養鹽自動分析儀等儀器都采用OPA法檢測氨氮含量。

此外，在其他光譜分析技術方面，Sakamoto 等[11]利用光譜反卷積技術[12]研制出了水下硝酸鹽分析儀Deep SUNA。該儀器無需化學試劑，配備改進的光學系統和內置的智能采樣調節系統，可在高濁度、高CDOM(有色溶解有機物)等特殊環境下測量分析，有效消除海水中基底質的檢測干擾。

2.2 流動分析技術

流動分析是借助物質流動對試樣進行分離和測定的方法[13]，是原位營養鹽在線分析技術的“血液”。其發展先后經歷了空氣間隔式連續流動分析(SCFA)、流動注射分析(FIA)和順序注射分析(SIA)等主要過程。

1957年，Skeggs[14]首創空氣間隔式連續流動分析(SCFA)技術(圖2)，通過在管路中通入空氣，借助其流動作用使樣品和試劑產生混合、分離的效果，反應達到化學平衡狀態后再由檢測器檢測。該技術的問世標志著樣品分析從手動操作向自動分析的轉變。

圖2 空氣間隔式連續流動分析(SCFA)示意圖

1975年Ruzicka 和Hansen[15]以單通道蠕動泵結合一個注射閥進樣的方式設計了流動注射分析(FIA)模型(圖3)，首次提出流動注射分析的概念并將該技術應用于海水中磷酸鹽含量的檢測[16]，檢測速率可達280個樣品/h。屆時，流動注射分析成為濕化學自動分析技術的重大突破，為后來發展原位營養鹽在線分析技術奠定了重要基礎。

圖3 流動注射分析(FIA)示意圖

1989年，順序注射分析(SIA)技術誕生[17](圖4)。SIA技術分別以多通道選擇閥替代FIA技術中的注射閥，用注射泵替代蠕動泵。相較于FIA技術，SIA進樣管路簡明通用，結構更加集成化，分析參數靈活可控，可多參數同步分析。

圖4 順序注射分析(SIA)示意圖

目前，原位營養鹽在線分析儀器多采用順序注射方式完成自動進樣。由注射泵提供液體流動的驅動力，經控制閥控制流路管道的接入，分別在反應管混合反應、流通池內比色檢測。完成一個營養鹽參數測量后，管路再由清洗系統自動清洗，然后執行下一個參數的測量，整個過程可自動化連續測量。此類分析儀器所選用的控制閥主要分為旋轉閥和固定多通閥兩種。

旋轉閥的作用是確保流路中僅有一個指定通道接入，其他通道保持關閉狀態，以使所需的試樣能夠按照設定好的順序準確地輸送至指定管路[18]。美國Green Eyes公司研制的EcoLABII多通道水下原位營養鹽分析儀以八通道旋轉閥控制不同試樣的接入。旋轉閥始終保持只有一個通道處于打開狀態，其余通道均處于關閉狀態，以此控制儀器準確進樣分析。

固定多通閥與旋轉閥功用相同只是在控制方式上略有差異。固定多通閥通過各個獨立的小型閥門控制器控制對應的閥門開閉調節流路的通斷。深圳朗誠科技公司研制的μ Chem NIA2000原位營養鹽分析儀將十六通閥和微量注塞泵有效結合，以實現試樣的高精度取樣，取樣精度達0.10μL，保證了檢測的精準度和儀器的靈敏度。

此外，在進樣泵的選取方面，也有以蠕動泵驅動進樣的原位營養鹽分析儀。郭翠蓮等[3]采用微量蠕動泵將試樣泵入微型環路，自動完成光學檢測并獲得原位數據。同樣可實現營養鹽的原位實時檢測。

2.3 自動化控制和通信技術

原位營養鹽在線分析儀器的自動化控制技術主要包括PLC和軟件控制技術。

PLC(Programmable Logic Controller)可編程邏輯控制器主要由電源、CPU、存儲器、輸入輸出接口電路、功能模塊、通信模塊等6部分組成。原位營養鹽分析儀通過PLC和操作軟件實現儀器的進樣、分析、檢測、數據處理、實時存儲及傳輸等過程。其中操作軟件主要用于程序更新、遠程監控、指令設置和數據查詢。美國Green Eyes公司研制的Micro LAB原位營養鹽分析儀安裝的Nutrient DATA軟件，通過“monitor mode”模式和“research mode”模式可對儀器進行命令編程、測試分析、數據提取及存儲處理等操作，可控程度高。

儀器的通信技術方面，原位營養鹽在線分析儀長時間現場監測海水時，通常搭載在浮臺上作業，由浮臺上的北斗衛星通信模塊或GPRS無線通信模塊實現遠程通信。目前，此類分析儀器在通信模式上主要采用串口RS232或RS485通信協議與浮臺上的數據采集器連接，再通過GPRS、GSM等移動通信或北斗衛星通信系統進行數據的遠程傳輸，從而實時獲取水質檢測數據。

德國SubCtech公司研制的Marine SYSTEA水下原位營養鹽分析儀可使用無線電、GSM、SMS、Argos衛星通訊系統等多種通信模式進行數據遠程自動傳輸。國內早期的現場分析儀器主要依靠串口通信或藍牙[19]通信。此類通信模式傳輸距離短、通信效率低。后來借助北斗衛星或GPRS無線通信才實現儀器監測數據的遠距離傳輸。董玉明[20]等基于3G無線通信模塊和定量模塊對營養鹽在線分析技術進行改進，所采用的3G無線通信可供大容量數據和命令信息交換，實現遠程操作下載最新程序包和算法，保證儀器長期正常運行。

5G通信技術的出現為許多與無線通信相關的領域帶來了技術升級的機會。在5G技術更加成熟后，便可將其引入原位營養鹽在線分析技術中，裝載在儀器的通信模塊，以此提高儀器的通信質量和效率。

3 儀器研制現狀

儀器作為技術的載體，其性能高低反映出技術的優劣。原位營養鹽在線分析儀器集多項先進技術于一體，保證了其監測過程的高度自動化、智能化；檢測結果真實可靠，具有代表性。通過研究儀器的生產現狀，對比不同儀器的性能特點，能夠更好的改進技術，實現突破。

3.1 國外現狀

國外發達國家在營養鹽分析技術的研究方面起步較早，儀器研制也處于領先水平。通過學習其先進技術，取長補短。本文選取德國SubCtech公司的Marine SYSTEA水下原位營養鹽分析儀、美國Envirotech公司的NAS-3X和Micro LAB兩款原位營養鹽分析儀以及意大利Systea公司的WIZ probe野外營養鹽在線分析儀予以具體分析。

德國SubCtech公司的Marine SYSTEA水下原位營養鹽分析儀采用環流分析(LFA)技術，以泵閥控制系統驅動水樣和試劑的進出，配備兩個射線光度計進行吸光度檢測，最多可檢測5種營養鹽的4個參數組合。儀器具有以下特點：

·試劑消耗量低，每次只需100μL；

·具有自動預過濾水樣和廢水處理功能；

·試劑保存時間長，試劑可放入儀器內部貯存器冷藏或外部壓縮制冷保存；

·使用SmartDITM數據系統智能控制儀器測量同時顯示儀器采集到的有效數據；

·強大的數據存儲功能，可存儲超過5年不間斷測量所得的數據；

·電耗低，待機狀態4 W，工作狀態約10 W。

美國Envirotech公司基于SIA 技術研發的NAS-3X原位營養鹽分析儀采用注射泵結合新型旋轉閥進樣，反應后的產物被注入測量熒光或光束衰減的檢測器中檢測。該儀器在無人值守模式下可連續檢測約3個月。作為NAS-3X的升級版，MicroLAB緊湊型原位營養鹽分析儀集成更高分辨率和更低噪聲的檢測電子器件，能夠顯著提高儀器的檢測準確度。比起NAS-3X，MicroLAB有著更大的測量范圍和更高的精密度。

意大利Systea公司的WIZ probe野外營養鹽在線分析儀使用先進的分析探針技術：1.5mL的微環流反應裝置(μLFR)可大大縮減試樣用量，每次僅消耗30～60μL試劑。儀器配備光纖式比色探測器和新型熒光計，檢測靈敏度高，抗干擾能力強。在自校準方面，儀器依靠試劑筒內存放的濃縮標準液可自行完成校準。而關于儀器的軟件控制和通信模塊，WIZ probe所用的控制面板軟件(Wiz Control Panel，WCP)通過RS232串行端口與設備外部接口相連即可實現現場全功能操控。在附加GSM裝置后，WCP還可進行遠程操控。

3.2 國內現狀

國內在營養鹽分析儀研制起步較晚，主要是學習借鑒國外的先進技術并在其基礎上自主研發改進。

早期，國家海洋技術中心在“863計劃”支持下，基于順序注射光度法研制了由單片機控制，可自動采樣、計量，完成各種試劑的添加和吸光度測量的自動分析儀。該分析儀適用于浮標平臺作業，可檢測硝酸鹽、亞硝酸鹽、磷酸鹽。測量數據經處理存儲后通過串口傳輸至計算機[21]。此后，杜軍蘭等[18]又研制了適于海洋水下系留纜中作業的營養鹽自動分析儀，并實現了對營養鹽五參數的測量。通過綜合考慮5類營養鹽的化學反應特點和光學檢測條件，分別將反應原理相近的硅酸鹽和磷酸鹽檢測裝置、亞硝酸鹽和硝酸鹽檢測裝置兩兩合并，最終簡化為3套裝置，改進后的儀器體積明顯縮小，能耗降低，檢測更加高效。

廈門斯坦道公司研制的OSTD-NutriS原位營養鹽自動分析儀采用分光光度法和熒光法分析亞硝酸鹽、硝酸鹽、磷酸鹽、氨氮四參數。儀器模塊化設計，體積小，攜帶方便。儀器具備如下功能：遠程自動校準功能，保證數據的準確性；自診斷功能，在斷電重啟、試劑缺乏、漏液等異常狀態時，自動發送報警信息；數據存儲備份功能，異常情況下數據不丟失。此外，儀器還自帶廢液回收裝置，防止檢測過程中產生二次污染。

深圳朗誠(Lightsun)科技公司研制的 μ Chem NIA2000原位營養鹽分析儀基于順序注射技術，創新地融合柱塞泵精準取樣；十六通閥控制流路；定量分配系統微流控技術；流通池比色技術等多項重要技術于一體。可實時原位監測多種水體中的氮磷物質及其他離子含量。該儀器具有以下優點：

(1)高線性度；采用多通道LED復合光源，耦合效率高、光學準直性能好；

(2)高精度定量；取樣精度達0.1μL，能有效保障數據的精度；

(3)高可靠性；儀器測量穩定、廢液量小、維護間隔時間長，適于野外環境長期監測；

(4)適應性強；可根據樣品濃度隨時調整樣品量、試劑量、反應條件等參數；

(5)功耗低；工作狀態8W，待機狀態1.2W；

(6)儀器配備廢液回收裝置，實現檢測過程“零污染”。

4 技術展望

原位營養鹽在線分析技術自流動分析技術問世起經歷了多次技術變革，日趨成熟，在海洋環境監測和生態保護方面發揮著重要作用。但現階段國內原位營養鹽分析儀器內部以及監測過程中受外部環境的影響仍存在不少問題，亟待解決。如：儀器環境適應性差、水樣預處理裝置不完備、化學試劑難長時間穩定保存、儀器檢測精度和靈敏度有待進一步提高、程序控制和網絡通訊欠穩定、儀器供電問題等等。本文針對部分問題提出相關改進建議。

(1)提高儀器的環境適應性

主要是提高儀器的防震和營養鹽檢測過程中減弱或消除海水基底質干擾等能力。防震方面，可通過改進儀器的機械構造或設計特殊連接方式緩沖儀器與所搭載浮臺或外來物體之間的碰撞；抗海水基底質干擾方面，可使用人工海水或待檢測水域的海水作為空白校正液進行儀器校正和調試工作，或者采用改進的不需化學試劑的電導法和光譜反卷積法。

(2)優化水樣預處理裝置

目前，原位營養鹽在線分析儀器的取水器多采用過濾棉和多目網(常用800目)過濾水樣，進行預處理。但受近海水濁度和微生物影響，簡易的過濾器15天左右便會失去過濾功能，嚴重影響儀器測定的準確性和使用壽命。因此必須優化水樣預處理裝置。在此方面，褚東志等[22]開發的反沖式營養鹽在線過濾系統值得參考。該系統采用微孔陶瓷濾芯作為二級過濾元件，過濾系統工作一段時間后，定期用過濾后的海水自動沖洗微孔陶瓷濾芯，去除其表面堆積的濾餅層，保證系統良好的過濾效果，且經其過濾后的水樣不影響待測海水營養鹽的化學分布形態和濃度。

(3)延長試劑的穩定保存時間

原位營養鹽分析儀器中裝載的試劑受野外環境影響特別是夏季高溫影響，極易導致變質，從而引起儀器較大的檢測誤差。為了延長試劑的穩定保存時間，可借鑒德國SubCtech公司Marine SYSTEA儀器的試劑冷藏方法，將試劑放入儀器內部可冷藏的貯存器，或外部提供壓縮制冷條件下保存。

(4)降低儀器電耗

儀器野外工作主要由浮臺上的蓄電池或太陽能板供電，但浮臺上可裝載的電池有限，太陽能板供電能力又受天氣限制，因此可以考慮從儀器方面改進。比如采用微波消解法或者聯合消解法縮短消解加熱時間，實現儀器檢測的高效低耗。另外，可進一步提高儀器流路的集成度，減少試劑和樣品的用量或通過改進檢測營養鹽的化學方法，縮短反應時間，降低電耗以延長儀器野外作業時間。

上述各類問題的解決將更加有效地推進原位營養鹽在線分析技術的發展。