基于微流控技術的氨氮總氮總磷在線監測系統

(杭州綠潔環境科技股份有限公司，杭州 310015)

1 前言

水環境監測參數種類繁多，氨氮、總氮、總磷是水質監測的重要常規指標。水體中的總氮指的是水中有機氮、氨氮、亞硝酸鹽氮、硝酸鹽氮的總和，主要來自農業生產中的化肥流失。氨氮主要來自人和動物的排泄物，農用化肥的流失等，以及化工、冶金、油漆顏料、照相、煤氣、煉焦、鞣革、化肥等工業廢水。總磷是水中各種形態磷的總和，主要來自生活污水、化肥、有機磷農藥及近代洗滌劑所用的磷酸鹽增潔劑等。

氮和磷是湖泊水體生產力的限制因子。氮磷的超標會引起湖泊、河流等水體富營養化，藻類過度生長，水質變壞，發生水華或者赤潮，破壞水環境生態平衡。

環境中有毒物質的快速檢測是目前快速檢測領域的重點和難點之一。微流控芯片用于操作微小網絡通道(5～500微米)中的流體，傳輸微升至毫微升量級的流體。和常規的儀器系統相比，微流控芯片技術極大降低了試劑、樣品的消耗量、降低了成本[1,2]。而且在微流控通道中，傳熱、傳質速度比常規體系快，反應時間或分析時間大大縮短。微流控芯片技術在化學、生物、生物醫學工程有著廣泛的應用[2]，近年也逐步應用于環保領域[3]。

采用微流控芯片研發的在線分析儀器能夠最大限度的把采樣、稀釋、加試劑、反應等功能集成為一體，微流控芯片是實現常規化學或生物實驗室的各種功能的芯片統稱，其中的流體是可控的，通過芯片的設計與控制，可以調整和優化反應物的量、反應時間以及流速、溫度等其它條件。此外，采用多通道微流控芯片微管路定量、微量注射泵定量可避免各種試劑的交叉污染。

2 檢測原理

氨氮檢測基于國家標準水楊酸分光光度法，通過系統控制，自動完成水樣采集。水樣進入反應池在恒溫條件下經氧化作用，在堿性介質中，氨與二氯異三聚氰酸鈉、水楊酸反應生成一種穩定的藍色化合物，該絡合物的吸光度與氨氮的含量成正比。在特定波長下，反應后的混合液體進入比色池，用光電比色法檢測與色度相關的信號，通過測定其吸光度即可計算水樣中氨氮含量。

總氮檢測基于過硫酸鉀消解-硫酸肼還原鹽酸萘乙二胺分光光度法，在堿性環境中，通過紫外燈和過硫酸鉀協同消解，產生氧化性極強的羥基自由基將試樣中的氮全部氧化成硝基氮。硝基氮在堿性介質中，銅催化劑存在時，被硫酸肼還原生成亞硝基氮。亞硝基氮在酸性條件下與磺胺生成重氮化合物，后者與鹽酸萘乙二胺偶合，生成紫紅色偶氮化合物，該物質在波長540nm下，定量比色分析。總氮檢測分為堿性過硫酸鹽消解、還原劑還原，通過比色法檢測亞硝酸氮。

總磷檢測基于國標法-鉬酸銨分光光度法，中性條件下用過硫酸鉀消解試樣，將磷物質全部氧化為正磷酸鹽，酸性介質條件下，磷酸鹽與鉬酸銨在銻鹽存在下生成磷鉬雜多酸，被抗壞血酸還原，形成藍色的絡合物，進行吸光度檢測，根據不同吸光度對應不同濃度求出磷酸鹽的含量。

3 系統的研制

3.1 總體設計

微流控在線監測系統是基于微流控芯片技術研發的在線檢測設備，檢測指標包括總氮、總磷和氨氮。儀器的結構設計集總氮、總磷和氨氮監測儀于一體，可同時檢測3個指標，亦可進行單指標檢測或者任意組合指標檢測。監測系統的操作界面顯示實時數據，可進行各項操作，如歷史數據查看與導出。此外，各檢測模塊設計獨立的操作界面。

3.2 結構設計

微流控在線監測系統為柜式結構(長×寬×高 = 600 mm × 400 mm × 600mm)，設計有3個獨立的監測儀(在線總磷監測儀、在線氨氮監測儀、在線總氮監測儀)，可進行任意組合。

監測儀由進樣模塊、定量模塊(微流控芯片)和消解比色模塊等組成(圖1)。進樣模塊包括進樣閥組件和蠕動泵，進樣閥組件通過閥的開關控制水樣和試劑進入對應的芯片通道中，蠕動泵設計為進樣提供驅動力。定量模塊由微流控芯片、蠕動泵等組成，微流控芯片采用微通道，并設計溢流通道與定量通道相連，水樣或試劑進入微通道后，溢流進入溢流通道，保證微通道充滿液體，啟動蠕動泵反轉排出溢流通道的液體。消解比色模塊由內置光源、比色皿、光電池等組成。微通道中的液體進入消解檢測模塊發生消解反應，反應冷卻后，開啟光源檢測反應物的吸光度。檢測完畢，儀器開啟微型蠕動泵，排出反應后試劑，并進行管道清洗。監測儀右側設計有試劑存放空間，可存放試劑瓶，右側上方設計顯示屏，可單獨進行各指標的檢測操作。

3.3 芯片設計

微流控芯片采用模塊化設計，不同芯片基于基礎芯片設計不同的進樣定量通道。氨氮芯片使用3條定量通道，分別為1600μL水樣通道、100μL氧化劑通道、100μL顯色劑通道；總氮芯片使用全部的5條定量通道，分別為1000μL水樣通道、100μL氧化劑、100μL催化劑、100μL還原劑、1600μL顯色劑；總磷芯片使用4條定量通道，分別為2000μL水樣通道、320μL氧化劑通道、160μL還原劑通道、160μL顯色劑通道。通道上部設有試劑溢流口及氣泵進氣口，下部設有試劑進口、試劑出口，利用三通閥控制進口、出口開關。利用蠕動泵將試劑泵入芯片，通過控制蠕動泵轉速及轉動時間保證試劑充滿芯片通道，多余試劑溢流回試劑瓶。利用氣泵將芯片中試劑吹入各反應模塊，通過節流閥門調節控制氣流大小，三通閥控制氣泵進氣口的開關，通過控制氣泵工作時間保證將試劑全部排出芯片通道。芯片基礎設計見圖2，實物圖見圖3。

圖1 微流控在線監測系統結構圖

圖2 定量進樣芯片設計圖

圖3 定量進樣芯片實物圖

3.4 控制電路設計

微流控在線監測系統控制電路設計包括控制系統設計以及電路主圖設計、單片機電路設計、通訊電路、電機控制電路、模擬信號采集電路、電源電路、開關控制電路、大功率開關控制電路和溫度讀取電路等。

控制系統包括系統控制硬件和軟件，系統控制硬件采用安卓Y7P10觸摸屏系統，具有數據采集、處理、顯示存儲和數據輸出等功能和故障信息反饋功能；帶有RS485和RS232接口，符合HJ/T 212標準具有模擬量和數字量輸出接口，通過數字量接口可接收遠程控制指令；符合HJ 477標準數據處理系統應存儲至少12個月的原始數據，可以設置條件查詢和顯示歷史數據。控制軟件將檢測流程編譯為腳本語言，并將腳本文件導入安卓系統，儀器各組件和模塊按照腳本語言指令執行測試功能。

4 系統性能檢測與試用

4.1 檢出限

依據《合格評定 化學分析方法確認和驗證指南》(GB/T 27417-2017)，加入最低可接受濃度的樣品空白獨立測試10次，以3s(s為標準偏差)的定量表示方法驗證儀器的最低檢出限。

根據校準的要求，取對應測量成分檢出限的3倍或者低于檢出限3倍濃度的標準溶液作測量點，配置氨氮濃度為0.1 mg/L、總氮濃度為0.1 mg/L和總磷濃度為0.02 mg/L 的標液，對其重復測量10次，記錄儀器的測得值，計算儀器的檢出限[4]。測定結果表明，氨氮檢出限為0.030 mg/L，總氮檢出限為0.032 mg/L，總磷檢出限為0.015 mg/L(表1)。

表1 微流控在線監測系統的檢出限測定結果

4.2 重復性

在相同環境條件下，重復測定濃度為80%量程值的標準溶液6次[5]，即配置濃度分別為4.0 mg/L、4.0 mg/L、0.040 mg/L的氨氮、總氮、總磷標準溶液，每小時測量1次，連續測量6次，記錄示值，計算儀器的相對標準偏差，即為儀器的重復性(也可理解為儀器的精密度[5])，微流控在線監測系統氨氮、總氮、總磷的重復性均小于3%(表2)。

表2 微流控在線監測系統的重復性

4.3 零點漂移

在環境條件下，采用5%量程標準溶液，配制濃度分別為0.25 mg/L、0.25 mg/L、0.025 mg/L的氨氮、總氮、總磷標準溶液，每小時測量1次，連續測量24小時，記錄測量的初始值，取偏離初始值最大的測量值，計算最大變化幅度相對于滿量程溶液的百分率，即為該參數的零點漂移值[6-8]。在線微流控系統氨氮的零點漂移為0.32%，總氮的零點漂移為-0.68%，總磷的零點漂移為-1.60%(表3)。

表3 微流控在線監測系統的零點漂移

續表3

4.4 量程漂移

在環境條件下，采用80%量程標準溶液，配制濃度分別為4.0 mg/L、4.0 mg/L、0.040 mg/L的氨氮、總氮、總磷標準溶液，每小時測量1次，連續測量24小時，記錄測量的初始值，取偏離初始值最大的測量值，計算最大變化幅度相對于滿量程溶液的百分率，即為該參數的量程漂移值[9]。在線微流控系統氨氮的量程漂移為-2.42%，總氮的零點漂移為8.02%，總磷的零點漂移為6.40%(表4)。

表4 微流控在線監測系統的量程漂移

4.5 實際水樣比對

選擇3種實際水樣為原水、出廠水、管網水，使用微流控在線監測系統分別測試其氨氮、總氮、總磷濃度，同時，進行實驗室檢測，將兩者的測定結果進行比對，計算各指標實際監測結果與在線監測結果之間的相對誤差絕對值的平均值[5-8]。其中，由于水樣中總磷含量過低，對出口水及管網水進行加標處理，加標濃度為0.2 mg/L。測試結果表明，原水、出口水、管網水氨氮、總氮的實際水樣比對結果小于30%(表5)。原水總磷濃度為0.099 mg/L，實際水樣比對結果為48.6%，而出口水、管網水總磷濃度分別為0.022 mg/L、0.023 mg/L，加標后，總磷的實際水樣比對結果小于15%。主要原因是水中總磷和氨氮的值低于或接近儀器的檢出限，儀器檢測存在較大偏差。

表5 微流控在線監測系統的實際水樣比對測定結果

續表5

5 結論

微流控在線監測系統性能滿足國家標準，具有廣闊的使用前景。該儀器主要優勢為試劑消耗量少，最低試劑消耗量低至微升級別，減少了儀器的運維頻率及運維成本；各試劑通道獨立，避免了由于公共管路導致試劑間的交叉污染，保證了測試的穩定性及準確性；試劑可回收，正是由于各個試劑通道的相對獨立，多余的試劑能夠流回試劑瓶供下次使用。

系統研發和使用中仍存在一些問題，(1)設備散熱效果不佳。集成機柜中的設備過于集中，導致設備整體的散熱功能不佳，并對試劑的保質期構成威脅；(2)缺少合適的前處理裝置。當實際水樣中的顆粒物較多時，容易導致芯片的堵塞，影響系統的正常使用。

在以后研發優化過程中，可針對試劑儲存位置進行溫控設計，延長試劑保質期；增加前處理裝置，防止水樣中顆粒物堵塞芯片的風險。