基于PEDD的便攜式亞硝酸鹽檢測儀*

黃利強

(集美大學水產學院，集美大學水域環境與漁業資源監測中心，福建 廈門 361021)

亞硝酸鹽是水產養殖系統中最常見的有害污染物之一。天然水體中的亞硝酸鹽一般濃度較低，但在高密度集約化養殖過程中，往往由于餌料殘留、硝化作用失衡等原因導致水體亞硝酸鹽超標，引發水產動物亞硝酸鹽中毒事故。亞硝酸鹽對魚類、軟體動物和甲殼類等水生動物均具有較強毒性，高濃度時可將水產動物體內血紅蛋白轉化為高鐵血紅蛋白，使其發生急性缺氧窒息；濃度較低時雖不致急性中毒，但也會長期影響水產動物體內抗氧化酶活性，降低其免疫能力，進而出現厭食、易發病、生長緩慢等一系列不良癥狀，因此水產養殖中一般應控制亞硝酸鹽濃度不高于0.15 mg·L-1[1-3]。而對養殖水體中的亞硝酸鹽濃度進行現場及時監測，有助于預防水產動物亞硝酸鹽中毒，對于水產養殖生產具有重要的實際用途。

目前國內外養殖水體中亞硝酸鹽的測定普遍采用經典的重氮-偶氮比色法。其原理為，檢測試劑中的磺胺與水中亞硝酸鹽先進行重氮化反應，重氮化產物再與鹽酸萘乙二胺偶合生成紅色的偶氮產物，在一定范圍內，產物紅色的深淺程度與亞硝酸鹽濃度成正比關系。該反應非常靈敏，產物顏色也很穩定，因此在亞硝酸鹽檢測中被廣泛應用。水樣顯色完成后可以用臺式、便攜式分光光度計、亞硝氮測定儀等儀器進行測量[4-8]，結果精確，但是目前儀器成本還較高；也可以使用人工比色法，根據肉眼觀察產物紅色的深淺，與檢測試劑盒廠家提供的標準比色卡進行比對，即可估測亞硝酸鹽的大致濃度。人工比色法成本低廉，但是只能做半定量的估值，不能精確讀數；而且對于色盲、色弱等人員，就難以判斷紅色的深淺甚至有無；周邊環境亮度低時也會影響對顏色的判斷。此外由于只與比色卡進行顏色的絕對比對、 沒有引入標準物對照，若試劑存放過久，顯色劑濃度下降之后，反應物顏色會變淺，此時再與比色卡對比可能導致估值比實際值偏低。因此對于新型亞硝酸鹽檢測儀的研究屢見報道[9-11]。

本文根據比色法檢測水中亞硝酸鹽的原理，使用價格低廉的發光二極管(LED)作為光源和檢測器，設計和自制了一款簡易便攜式亞硝酸鹽檢測儀，通過簡單操作，即可直接讀出水中亞硝酸鹽的準確濃度數值。

1 材料與方法

1.1 亞硝酸鹽檢測儀的工作原理和系統組成

本亞硝酸鹽檢測儀主要由光源、檢測器、電路板、數字電壓表等部分組成，系統結構原理如圖1所示，圖2為成品樣機圖。水中亞硝酸鹽與檢測試劑進行重氮化反應的產物在470～550 nm范圍內吸光度較大(圖3)， 因此本文選用主波長為530 nm的發光二極(LED)作為光源，檢測水樣對530 nm波長光的吸收即可獲得良好的靈敏度。

圖1 亞硝酸鹽檢測儀原理圖Fig.1 Schematic diagram of nitrite detector

圖2 亞硝酸鹽檢測儀樣機圖Fig.2 Prototype of nitrite detector

圖3 亞硝酸鹽顯色反應產物的吸收光譜Fig.3 Absorption spectrum of products of nitrite color reaction

檢測器使用主波長為600 nm的發光二極管LED，與光源LED一起組成對發光二極管對(PEDD)，不需光柵或濾光片即可選擇性地檢測530 nm附近的光信號。而且使用LED為檢測器時，可以產生伏特級的光電壓，接收到的光電信號不需放大，即可直接進行對數轉換，因此這種基于PEDD的檢測儀具有結構簡單、器件精簡、成本低廉的特點[12-16]。系統電路原理如圖4所示。

實驗所用2只LED均購自深圳市春達鑫光電有限公司(燈珠直徑8.0 mm，額定功率1 W)，將530 nm LED作為發射光源(LED1)，600 nm LED作為光電檢測器(LED2)。3D打印的比色皿座在相對的兩面各開有一個直徑3 mm的窗口，將LED1/ LED2分別固定在兩面的窗口上對準即可，不需額外的聚光或濾光器件。為使光源LED發出的光強度穩定，使用穩壓電路78L05(U1)組成簡易恒流驅動電路，為 LED提供穩定的工作電流。光源LED1發射出穩定的530 nm光(即入射光，強度I0)照射樣品，檢測器LED2接收樣品的透射光產生光電壓V，光電壓的大小與透射光的強度It呈正比關系；再根據朗伯比爾定律：吸光度A=-lg(It/I0)=Kc(K為比例系數，c為試樣濃度)，對光電壓進行對數轉換、比例放大、電阻分壓之后，即可使數字電壓表的電壓值直接顯示樣品的亞硝酸鹽濃度數值。

圖4 亞硝酸鹽檢測儀系統電路原理圖Fig.4 Circuit diagram of nitrite detector

對數轉換電路使用價格低廉的雙運放集成電路LM358(U2)與三極管Q1構成，將LED2上產生的光電壓進行對數轉換，轉換后的輸出電壓送入U2的第2個運放進行電壓放大，放大倍數由R3/R2(亦即R5/R4)控制；最后由RP2、R7組成分壓電路，調節RP2的阻值，可使數字電壓表的電壓值恰好與亞硝酸鹽濃度值相等。數字電壓表可以使用市售4位電壓表頭，體積較小，量程5 V即可，也可以選用普通萬用表的電壓檔。如采用DT830萬用表的2000 mV檔，當電壓表顯示200 mV時，對應的亞硝酸鹽濃度即為200 μg·L-1，即0.2 mg·L-1；有的萬用表是2 V檔，此時顯示電壓為0.2 V，對應的亞硝酸鹽濃度即為0.2 mg·L-1。

系統耗電較低，整機工作電流≤50 mA，可使用3.7 V鋰電池用升壓轉換板轉成±12 V電壓后給整機供電。整機體積小巧，光路固定無移動部件，易于戶外便攜使用。

1. 2 實驗步驟

自制亞硝酸鹽檢測儀的操作步驟為：接通電源，放入空白溶液作為參比，調節RP1至數字電壓表顯示0 mV，即完成調零；接著放入0.2 mg·L-1亞硝酸鹽標準溶液，調節RP2至數字電壓表顯示200 mV(對應200 μg·L-1的濃度)，即可完成斜率校正；當測量樣品時，放入待測樣品，即可直接顯示樣品的濃度值(μg·L-1)。

對比實驗采用721分光光度計(上海舜宇恒平科學儀器有限公司)為測量儀器。實驗均使用塑料一次性比色皿，光程均為10 mm。

亞硝酸鹽標準溶液使用廣檢(廣州)檢測科技公司生產的亞硝酸鹽氮標準溶液(CNO2-N=1000 μg·mL-1) 用純凈水進行稀釋和配制。亞硝酸鹽標準溶液和水樣的顯色反應均使用河南南華千牧生物科技有限公司生產的亞硝酸鹽水質分析盒(檢測范圍0.005～0.2 mg·L-1)，按照廠家方法進行顯色。

2 結果與分析

2.1 標準溶液配制

準確配制濃度在0.005～0.2 mg·L-1的亞硝酸鹽標準溶液，用721分光光度計在530 nm處測定吸光度，繪制工作曲線。測定結果如圖5所示，結果表明標準系列的工作曲線具有優異的線性特性(R2=0.9996)。證明使用此快速檢測試劑盒，在濃度≤0.2 mg·L-1的范圍內，可以很好的符合朗伯比爾定律，即反應物紅色的深淺程度與濃度符合線性關系。當水樣中亞硝酸鹽濃度過大，吸光度過高，會偏離朗伯比爾定律導致測量誤差加大，并容易產生團聚、絮凝現象，此時需用純凈水稀釋后再進行檢測。

圖5 721分光光度計的標準工作曲線(n=3)Fig.5 Standard working curve of 721 spectrophotometer(n=3)

2.2 系統性能測試

用自制亞硝酸鹽檢測儀對0.005～0.2 mg·L-1濃度范圍的亞硝酸鹽標準溶液進行測定，每個濃度均測定3次取平均值，再繪制與真實值的關系曲線，結果如圖6所示。由圖6可知，在0.005～0.2 mg· L-1濃度范圍內，測量結果緊密分布在 45°線周圍，R2=1，可見本儀器的測定值與標準溶液的真實值高度吻合，具有良好的準確度。對幾個標準溶液測量值與真實值的相對誤差在-0.44%～2.00% 之間，絕對誤差均<1 μg·L-1， 說明本檢測儀能夠較準確地檢測水中亞硝酸鹽含量。

圖6 亞硝酸鹽檢測儀測定值與真實值的比較(n=3)Fig.6 Comparison of actual concentration values with measurement value by nitrite detector(n=3)

使用自制亞硝酸鹽檢測儀和721分光光度計同時對2份養殖水樣中的亞硝氮進行測定，721分光光度計使用0.005～ 0.2 mg·L-1的亞硝氮標準系列溶液繪制標準曲線，用工作曲線法進行定量；自制亞硝酸鹽檢測儀按1.2方法，用0.2 mg/L標準進行校正后直接讀取濃度。實驗結果如表1所示。

表1 養殖水樣亞硝酸鹽測定結果對比(n=3)Table 1 Comparison of determination results of nitrite in aquaculture water sample(n=3)

表1中列出了721分光光度計與自制亞硝酸鹽檢測儀對2份養殖水樣中亞硝酸鹽的檢測結果，結果表明兩種儀器的測量結果相當接近，2種儀器間的測量結果相對偏差均<5%，表明本檢測儀對實際水樣也具有較好的測量準確度。此外對空白溶液進行了11次測定，依據空白值標準偏差Sd的3倍除以斜率K，求得本檢測儀對亞硝酸鹽的檢測限(3Sd/K)為0.002 mg·L-1，可以滿足普通水產養殖等應用場合的需要。

3 結 論

本文根據重氮-偶氮比色法測定亞硝酸鹽的原理，設計了一種基于PEED的便攜式亞硝酸鹽含量檢測儀，結構簡單，成本低廉，體積小巧，測量快速準確，適合水產養殖、環境監測、工農業生產、家居生活等眾多場合的低成本亞硝酸鹽快速現場檢測。