基于顏色檢測的亞硝酸鹽傳感器設(shè)計

李新民 羅學(xué)科,2* 李 文 陳夢凡

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

引 言

亞硝酸鹽作為環(huán)境污染物的一種，遍布在自然界的地表水和地下水中,嚴(yán)重影響著人類生活[1]。在國家環(huán)保政策的倡導(dǎo)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(fā)食物中毒，食入0.3～0.5 g的亞硝酸鹽，嚴(yán)重者可能致死。因此，嚴(yán)格控制亞硝酸鹽在生活用水和食品中的含量是食品衛(wèi)生監(jiān)督部門工作的重要內(nèi)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(xiàn)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(xué)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(jīng)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(jìn)行監(jiān)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(shè)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(fā)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(fā)展時間較長，其特點是快速、簡便、準(zhǔn)確且靈敏度高[1]，但檢測儀器比較昂貴。電化學(xué)法包括離子選擇電極法、極譜法和毛細(xì)管電泳法等[7]，但這些方法對檢測結(jié)果的影響因素較多。

本文針對亞硝酸鹽檢測的準(zhǔn)確性和自動連續(xù)在線檢測需求，基于比色法原理，設(shè)計了以顏色檢測設(shè)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(jìn)行亞硝酸鹽濃度的檢測，其操作簡便、成本低、儀器結(jié)構(gòu)簡單，實現(xiàn)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(jì)奧科生物技術(shù)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(biāo)科技有限公司；濃鹽酸，質(zhì)量分?jǐn)?shù)37%，唐山市豐南區(qū)尚德商貿(mào)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(huán)保科技有限公司；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(shè)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(yīng)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(fā)生反應(yīng)，酸性環(huán)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(yīng)方程式為

(1)

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

(2)

經(jīng)過上述兩步反應(yīng)后，溶液呈紫紅色。從反應(yīng)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(shè)備對反應(yīng)后的偶氮化合物進(jìn)行檢測，得出濃度與顏色之間的線性關(guān)系，從而間接得出亞硝酸鹽的濃度。顏色檢測設(shè)備能夠靜態(tài)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(yīng)相應(yīng)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(guān)系，通過建立數(shù)學(xué)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(zhì)，配制成質(zhì)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(zhì)，配制成質(zhì)量濃度2 mg/mL的α-萘胺酸性溶液。取標(biāo)準(zhǔn)亞硝酸鹽試劑配成質(zhì)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(tǒng)設(shè)計

1.4.1傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計

亞硝酸鹽傳感器結(jié)構(gòu)分為3層：下層放置顏色檢測設(shè)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(shù)據(jù)采集板；中間層主要是玻璃材料的反應(yīng)池，用于試劑反應(yīng)和數(shù)據(jù)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(jié)構(gòu)如圖2所示。

首先將水樣通過進(jìn)水口抽入反應(yīng)池中，再將配制好的對氨基苯磺酸酸性溶液抽入反應(yīng)池中，在此過程中水樣里的亞硝酸根與對氨基苯磺酸發(fā)生重氮化反應(yīng)，生成重氮鹽；待第一階段反應(yīng)結(jié)束后，將α-萘胺酸性溶液抽入反應(yīng)池中，完成重氮鹽與α-萘胺溶液的偶聯(lián)反應(yīng)；顏色檢測設(shè)備將檢測出的穩(wěn)定數(shù)據(jù)傳給采集板，檢測結(jié)束。

1.4.2亞硝酸鹽檢測流程設(shè)計

整個系統(tǒng)的檢測裝置以蠕動泵為動力源，定量向反應(yīng)池中抽入反應(yīng)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(tǒng)中加入定量裝置，以避免反應(yīng)池中溶液過量。顏色檢測設(shè)備將數(shù)據(jù)傳輸至采集板，經(jīng)數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)儲存到數(shù)據(jù)庫中，還可以通過TCP/IP將數(shù)據(jù)上傳到網(wǎng)絡(luò)服務(wù)端，以供其他設(shè)備提取。亞硝酸鹽的在線檢測結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖3所示。整個過程可實現(xiàn)自動連續(xù)在線檢測的要求，檢測周期設(shè)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(nèi)的殘留物質(zhì)，為防止清洗時殘留清水稀釋水樣，保證檢測的準(zhǔn)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(jìn)液量為10 mL，調(diào)節(jié)閥島，轉(zhuǎn)換到試劑1進(jìn)液口，向檢測室內(nèi)注入3 mL氨基苯磺酸；等待進(jìn)液完畢后，調(diào)節(jié)閥島，轉(zhuǎn)換到進(jìn)氣口，向檢測室內(nèi)吹入空氣，達(dá)到攪拌效果，使亞硝酸根與氨基苯磺酸完全反應(yīng)。5 min后，調(diào)節(jié)閥島，轉(zhuǎn)換到試劑2進(jìn)液口，向檢測室內(nèi)注入3 mL α-萘胺，攪拌10 min；待重氮鹽與α-萘胺充分反應(yīng)后，使用顏色檢測設(shè)備讀取檢測室中的顏色值[8]，傳遞到采集板。數(shù)據(jù)通過RS485串口發(fā)送給上位機。經(jīng)過上位機處理的數(shù)據(jù)一部分通過TCP/IP上傳到網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，另一部分儲存到數(shù)據(jù)庫中。待檢測結(jié)束后，排空檢測室中的水樣并清洗檢測室為下次檢測作準(zhǔn)備。

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 實驗建模

在常溫常壓條件下，依次檢測質(zhì)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(biāo)準(zhǔn)溶液，并進(jìn)行6組實驗后取平均值(顏色檢測設(shè)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(jù)表1檢測數(shù)據(jù)，對6次實驗數(shù)據(jù)平均值與標(biāo)準(zhǔn)溶液質(zhì)量濃度值進(jìn)行擬合。以檢測數(shù)據(jù)平均值為橫坐標(biāo)、標(biāo)準(zhǔn)溶液質(zhì)量濃度ρ為縱坐標(biāo)繪制曲線，如圖5所示。在標(biāo)準(zhǔn)曲線繪制過程中，對不同質(zhì)量濃度的亞硝酸鹽溶液進(jìn)行檢測，從而得出利用顏色檢測設(shè)備檢測出的頻率值與標(biāo)準(zhǔn)試劑質(zhì)量濃度值之間關(guān)系。

數(shù)據(jù)模型為

ρ=8×10-5f2+0.006 3f-0.039 2

(3)

測定系數(shù)R2=0.998 9>0.9。

實驗檢測數(shù)據(jù)如表2所示。根據(jù)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(zhì) 亞硝酸鹽氮的測定》[10]中對亞硝酸鹽的檢測指標(biāo)，對相對誤差、精度、重復(fù)性即相對標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)等檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，各指標(biāo)的計算公式如下。

表2 擬合值及其他數(shù)據(jù)統(tǒng)計參數(shù)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(zhì)量濃度測量值；ρ標(biāo)為質(zhì)量濃度標(biāo)準(zhǔn)值。

重復(fù)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(zhǔn)確性，使用由上海景飛環(huán)保科技有限公司生產(chǎn)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(jìn)行6組對比實驗，表3為所得實驗數(shù)據(jù)。

表3 驗證實驗數(shù)據(jù)參數(shù)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(shù)據(jù)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(wěn)定性實驗

為驗證所設(shè)計傳感器的穩(wěn)定性，調(diào)節(jié)恒溫水浴箱溫度分別為5、10、15、20、25、30 ℃，分別檢測質(zhì)量濃度為0.05、0.10、0.15、0.20、0.25、0.30 mg/L的亞硝酸鹽標(biāo)準(zhǔn)試劑，每個溫度下連續(xù)測試4組并取平均值，結(jié)合穩(wěn)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(wěn)定性計算公式為

(8)

式中，α為穩(wěn)定值；ρmin為測試最小質(zhì)量濃度值；ρmax為測試最大質(zhì)量濃度值。

由表4可以得出，當(dāng)溫度在5～30 ℃之間時，質(zhì)量濃度檢測的最大相對誤差為5.72%，最大穩(wěn)定值為0.099。

2.4 干擾因素分析

經(jīng)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(xué)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(zhǔn)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(zhì)期有限，變質(zhì)的試劑影響檢測精度；⑤進(jìn)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(dāng)亞硝酸鹽濃度相差不大時，很難做到精準(zhǔn)分辨。

針對以上干擾因素，提出應(yīng)對措施如下：①在檢測前對水樣進(jìn)行預(yù)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(xué)檢測精度造成的影響；②為保證顏色檢測設(shè)備的準(zhǔn)確性，需定期對顏色檢測設(shè)備作白平衡校正；③檢測室的設(shè)計是封閉的，應(yīng)保證在黑暗環(huán)境下檢測，避免外界自然光的干擾；④為實現(xiàn)連續(xù)在線檢測，將預(yù)配制好的反應(yīng)試劑存放在恒溫箱內(nèi)，有效使用期限為一周，試劑需在有效期內(nèi)更換，以保證其連續(xù)檢測的功能；⑤在進(jìn)樣、添加試劑等流程結(jié)束后，控制閥島轉(zhuǎn)到進(jìn)氣口，需抽取小段空氣，以實現(xiàn)水樣與試劑、試劑與試劑之間的隔絕；⑥當(dāng)亞硝酸鹽濃度相差不大時，為提高檢測的準(zhǔn)確性和提高分辨率，需添加白光對顏色傳感器進(jìn)行補光處理。

3 結(jié)論

基于比色法原理設(shè)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(jié)果表明該儀器經(jīng)修正后曲線的測定系數(shù)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(shù)據(jù)存儲和網(wǎng)絡(luò)傳輸，實現(xiàn)了水中亞硝酸鹽的在線連續(xù)檢測，降低了成本，提高了檢測精度。