海水五参数原位营养盐分析仪的研制

郭翠莲，张述伟，程永强，马然，褚东志，张丽

(齐鲁工业大学(山东省科学院)，山东省科学院海洋仪器仪表研究所， 山东省海洋环境监测技术重点实验室，山东 青岛 266001)

海水中的营养盐主要包括无机氮、活性磷酸盐、活性硅酸盐等成分，是海洋浮游植物生长所必须的营养元素。营养盐在海水中的不同浓度和组成，不仅会影响海洋初级生产力，而且会对浮游植物的群落结构产生调节作用[1]，进而影响海洋生态系统结构。因此，监测海水中营养盐的浓度分布和变化，对于评价水体富营养化，了解海洋中氮、磷、硅元素的地球化学循环和海洋生态系统的关键过程，具有重要的科学意义[2-3]。

传统海水中营养盐的分析主要根据海洋监测规范，采用出海现场采样-实验室测定方法，该方法存在实时性差、待测样品溶液易受污染、浪费人力物力等缺点[4]，所以将实验室方法转化为现场、在线、原位测量就显得十分重要[5]。

目前我国所用的海洋营养盐现场分析仪多为进口，如Green Eyes公司的Ecolab、Systea公司的WIZ、Subchem公司的APNA等，这些测量仪价格一般比较昂贵，并且测量项目不够全面。我国也在非原位营养盐仪器的研制方面做了一些研究工作[6-11],但是目前国内暂无适用于海水原位长期测量的营养盐五参数分析仪商业化产品。正在发展中的海水营养盐分析仪的研制主要是依据传统的分光光度法[12]，为了更准确、快速地检测海水中的营养盐含量，分光光度法通常与先进的流动注射技术联用[13-16]。海洋监测技术规程[17]中也把流动分析法列为海水中营养盐分析的行业标准方法。

本文研制的五参数原位营养盐分析仪基于湿化学反应原理，将分光光度法与流动注射分析技术相结合，采用三通阀配合高精度微量蠕动泵将样品和化学试剂泵入优化设计的微型环路中自动完成光学检测，并获得原位数据，将实验室分析方法带到测量现场，建立水下微型实验室。该分析仪体积小、耗能低、数据稳定，通过远程自动控制可以实现在线进样、在线检测、标定、清洗等功能，减小了试剂用量和反应时间，可以完成对亚硝酸盐、硝酸盐、铵盐、磷酸盐和硅酸盐五个参数的原位、实时在线检测。

1 仪器测试原理与分析流程

1.1 仪器测试原理

表1 营养盐分析仪测定原理Table 1 Detection principle of the nutrients analyzer

1.2 分析工作流程

用系列标准溶液代替样品依次建立各项营养盐的标准工作曲线，然后依据工作曲线计算被测样品营养盐含量，五项营养盐参数依次进行测量，测量完毕用蒸馏水冲洗整个管路。每项营养盐的分析工作流程如图1所示。

图1 分析工作流程Fig.1 Flow chart for the analysis process

2 仪器研制

图2 营养盐分析仪实物图Fig.2 Physical map of the nutrients analyzer

海水原位五参数营养盐分析仪整体包括3个单元：主机单元、过滤单元和试剂单元。3个单元的外壳采用PVC材质的圆筒设计，具有耐压、抗腐蚀、密封性好等特点。3个单元的尺寸(直径×高)分别为：16 cm×58 cm,13 cm×16 cm,14 cm×24 cm。3个单元错落安装在33 cm×112 cm的不锈钢支架上(图2)，方便布放在浮标、台站、科考船等平台上进行实时原位监测，用于实验室测量也十分方便快捷。

2.1 主机单元

主机单元为整个分析仪的核心单元，包括化学反应和检测系统、控制系统和信号处理系统。

2.1.1 化学反应和检测系统

化学反应和检测系统设计如图3所示。该系统主要由高精度微量蠕动泵(保定兰格恒流泵有限公司)、石英材质的“U型”光度流动比色皿(定制，20 mm光程)、电磁阀(SMC，两位三通)、亚力克材质阀板(定制)和聚四氟乙烯管(IDEX，内径1.0 mm)组成。

系统利用蠕动泵控制流体的输送速度(0～25 mL/min)，通过程序控制输送时间从而控制输送体积。通过蠕动泵泵速变化、停转和反转，实现样品和试剂完全混合，利用两位三通电磁阀控制流体的选择性输送。为了减少漏点和缩小体积，所用的15个两位三通电磁阀固定在刻蚀有内部通道的阀板上[18]。

通过上位机软件控制电磁阀的通断，可以实现试剂选择性流入，并可以利用电磁阀切换形成封闭环路或者打开环路。氨氮检测采用光程为20 mm的“U型”荧光流动比色皿测量荧光强度，其他4个参数采用光程为20 mm的“U型”光度流动比色皿测量吸光度。这种“U型”流动比色皿使液体自下而上压入检测仓，能有效避免气泡对检测的干扰。5项营养盐依次完成测量，也可以根据需要检测其中部分参数。为保证氨氮与OPA充分反应，在反应液流入荧光流动比色皿之前设置有加热及混合装置，这种装置是将聚四氟乙烯管缠绕在恒温加热棒上制成的。在硝酸盐的检测中，采用还原效率稳定，可以重复激活利用的管状镉线圈(购自美国Green Eyes公司)作为还原介质。化学反应系统备有清洗液和校准液入口，可定期(一个月)或根据需要进行自动冲洗和校正。5项营养盐顺序完成测量和冲洗仅需45 min，除了硝酸盐测量时间较长，大约10 min之外，其他4项均在5 min中完成测量，节省了时间。每项测量需要的试剂用量大约为100～200 μL，存储的试剂量最多可以完成250次的测量，方便快捷，省时省力。分析仪待机时功耗为2 W，工作时功耗小于12 W，能耗低。

检测选用响应时间短、光强稳定、功耗低的LED灯为光源，波长分别为543 nm(亚硝酸盐和硝酸盐)，365 nm(铵盐),880 nm(磷酸盐)和810 nm(硅酸盐)。LED发出的光经滤光片后经塑料光纤进行传输，由硅光电二极管检测透射光强。分析仪利用自制的光纤耦合装置，将光度法检测所用的传导543 nm，880 nm和810 nm波长的3个光路的光纤耦合在一起。每个检测光路采用1×2双光路构造，一路作为检测光路，一路作为参比光路以消除LED 发光强度随工作电压和温度而变化的影响。总之，光度检测光路采用三进两出的方式，荧光检测光路采用一进二出的方式。

图3 化学反应系统和检测系统结构示意图Fig.3 Schematic diagram for the chemical reaction & detecting system

2.1.2 控制系统和信号处理系统

控制系统核心处理器选用的是ARM Cortex-M4架构，嵌入μC-OSII实时操作系统。系统选用ITAE二次优化控制对系统进行控制，并利用系统集中参数建模对系统控制过程进行仿真研究。根据仿真结果，调整控制器参数，以实现控制过程的精准度。

信号处理系统包含信号采集模块和数据处理模块。信号采集模块通过光电二极管采集光信号，并利用前置信号处理电路模块对信号进行多级放大和低通滤波，如图4所示；同时采用小波变换算法，提高信号的信噪比，突出信号的期望特征。

图4 电路设计图Fig.4 Diagram for circuit

图5 数据采集与处理界面Fig.5 The interface for data acquisition and processing

在数据处理模块中，建立波长-吸光度模型，运用多元线性回归和主成分分析等方法，计算各物质的浓度。分析仪采用嵌入式系统，具有程序化采样功能，能自动进行取样、测量和数据处理，并保存测量数据，数据可以通过串口输出或内存卡直接读取,仪器配有远程传输模块，可以远程操控和传输，数据采集与处理界面如图5所示。

2.2 过滤单元

过滤单元主要包括直流泵、囊式过滤器、蠕动泵和缓冲试剂袋。直流泵泵入海水后，经0.45 μm的囊式过滤器进行过滤，该过滤器过滤通量大，结合反冲洗可实现长期在线过滤，不易堵塞。过滤的海水存在缓冲试剂袋里，通过蠕动泵完成进样。

2.3 试剂单元

试剂单元为试剂存储仓，配制好的试剂通过注射器装进试剂袋后，悬挂在试剂仓中的支架上并通过特氟龙管与主机单元各试剂入口相连。试剂存储仓可以整体拆卸，非常方便更换。仪器所用试剂按照表2所列方法配制，所用纯水为milli-q超纯水，所用化学试剂均为分析纯。

表2 分析仪所用试剂列表Table 2 List of the reagent for the nutrients analyzer

3 仪器性能测试

3.1 线性范围和检出限

按照国标法海洋监测规范(GB17378.4—2007)的要求分别配制5项营养盐标准浓度系列溶液，以浓度对吸光度/荧光强度作图，得到标准曲线。检出限(DL)的考察采用去离子水空白溶液，平行测定11次，将测定所得信号值转换为浓度值后计算测定结果的标准偏差(SD)。仪器的检出限按照公式DL=3.3 SD进行计算。线性范围及检出限结果列入表3中。从结果可以看出，所得标准工作曲线线性关系良好，相关系数符合海洋监测规范(GB17378.2—2007)大于0.98的要求。所得标准工作曲线写入程序中，以进一步进行下一步的检测工作。亚硝酸盐、硝酸盐、铵盐、磷酸盐和硅酸盐的检出限分别为：0.81,3.01,1.79,2.54,3.02 μg/L，与HY/T093—2005实验室营养盐分析仪[19]对检出限的要求对比，除了磷酸盐高于其1.0 μg/L的要求之外，其他4项的检出限均优于其对检出限的要求，灵敏度较高。

表3 线性范围及检出限Table 3 Data of linear range and detection limit

3.2 准确度和精密度

每项营养盐取3个已知浓度的样品用仪器平行检测3次取平均值，然后用相对误差公式δ=Δ/L×100%求相对误差来考察仪器的准确度，计算每组数据的相对标准偏差来考察仪器精密度，结果见表4。结果表明看，亚硝酸盐、铵盐、磷酸盐的相对误差小于±5%，硝酸盐和硅酸盐的相对误差小于±10%。亚硝酸盐、铵盐、硅酸盐的相对标准偏差在3%之内，硝酸盐和磷酸盐的相对标准偏差在5%之内。准确度和精密度完全满足海水样品分析的要求，指标优于HY/T093—2005实验室营养盐分析仪要求[19],表明该营养盐分析仪也可用于实验室内的快速测量。

表4 海水五参数原位营养盐分析仪的准确度和精密度数据

续表4

项目标准值/(μg·L-1)仪器检测值/(μg·L-1)123平均值相对误差/%相对标准偏差/%硅酸盐2018．8618．7819．0318．89-5．550．68200204．45206．56207．41206．143．070．74500516．74514．36520．36517．153．430．58

3.3 现场比测

2015年10月12日—18日期间将研制的海水五参数原位营养盐分析仪，置于我所位于青岛中苑码头的海洋岸边实验站(坐标36°06'N，120°31'E)进行一周现场比测，每天09:00和15:00在线测样，同时将现场海水采集并进行实验室分析。实验室分析中亚硝酸盐、硝酸盐、铵盐、正磷酸盐和可溶性硅酸盐分别依据海洋监测规范GB17378.4—2007中的萘乙二胺分光光度法、锌-镉还原法、次溴酸盐氧化法、磷钼蓝分光光度法、硅钼蓝法进行。实验室分析中所用的仪器为紫外-可见分光光度计(Agilent Cary 100)。仪器法与国标法比对结果如图6所示，可见五项营养盐仪器法与国标法所得结果基本一致，能反应营养盐含量的变化趋势，适合原位在线监测。

图6 仪器法与国标法测定结果比对Fig.6 Comparison between instrument method and national standard method

4 结论

本文研制的原位营养盐分析仪，在高精度微量蠕动泵驱动下完成5种营养盐的顺序分析，方法简单快速，耗能低，灵敏度、精密度、准确度都较高，与国标方法进行了现场比对，结果显示吻合度较高，能反映各项营养盐含量变化。应用仪器操作，可减少人为误差，减轻人员工作量。因使用试剂量少，废液排放量少，无气泡干扰，而且环流设计稳定性高，适用于海水营养盐现场原位快速检测。原位营养盐分析仪可以布放到科考船、台站、浮标等平台上单独使用，也可以与其他传感器整合实现协同监测，应用在实验室检测也十分方便。该研究对推动我国海洋环境监测和海洋调查的进一步开展，具有重大的意义。

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