基于Labview的分光光度法在线测定磷、氮、硫仪器的研制

许飞飞，左从蒋，储 旭，孙 喆，曹 晏,2

(1.安徽大学 化学化工学院，安徽 合肥 230000； 2.美国西肯塔基大学 理工学院化学系)

水与人类生活息息相关，随着人类的日益进步，大量的工业废水和生活污水排入水体中，导致水污染。水体中的污染物以多价态磷、氮、硫等污染物为主,过量的磷、氮、硫排放会引起水体富营养化[1-2]，致使水体透明度下降、溶解氧降低、水质变差、鱼类及其它生物大量死亡等现象产生。目前我国水污染情况严重，虽然国家已经大力开展治理工作，并取得了一些阶段性成果，但是对水体中污染物的监控绝不能放松。常见的水体监控[3]方法仍是在线取样、离线检测，取样与检测耗时长，不利于对水体实时监控，因此搭建一套实时、快速的在线监测系统是十分必要的。

为实现水环境中多价态磷、氮、硫污染物的检测，本文设计了一个以分光光度法为机理，通过Labview系统控制各单元功能，实现了对水体中的磷酸根[4]、亚硝酸氮[5]、硝酸氮[6]、氨氮[7]和硫酸根[8-10]浓度的的自动测量，无须人工操作，检测快速、结果准确。

1 装置的整体设计

1.1 设计原理

分光光度法是根据待测物对光有选择性吸收而形成的一种检测方法。因为不同物质分子的结构和组成不同，它们所具有的特征能级也不同，所以它们能级差不同，只有当光的能量与待测物内部能量近似时才可被吸收。当物质的特征结构吸收特定的波长时，最大吸收峰随之产生，从而产生了特定的吸收光谱。目前所用的紫外可见分光光度计(UV-VIS)就是利用分光光度法，实现对物质吸收光谱的分析。它主要是由光源、单色器、吸收池、检测系统和信号输出系统组成，如下图1所示。

图1 紫外可见分光光度计结构示意图

朗伯-比尔定律表示物质对特定波长吸收强弱与吸光物质浓度和吸收介质厚度的关系，具有广泛的适用性[11-12]。当一束单色光(入射光强度I0)通过浓度为c、厚度为b的比色皿后，透射光强度变为It[13]，如下图2所示。

图2 单色光穿过比色皿

透射光强度It与入射光强度I0之比称为透射比，记为T：

(1)

待测液对单束光的吸收程度用吸光度A表示，记为：

(2)

吸光度的大小反应的是溶液吸光能力的强弱。

(3)

其中A为吸光度，K为比例系数，此公式表示吸光度与被测物含量c和吸收介质厚度b为正比例关系，此式为光度法检测物质吸收的基本原理。本装置主要根据分光光度法和朗伯-比尔定律来进行多价态磷、氮、硫污染物的检测，利用污染物离子的显色反应，通过产生不同的吸光度，得到标准工作曲线，实现准确测量。

1.2 系统描述

鉴于样品的复杂性，为了能够准确测量，需要在测试前进行预处理，在测磷和总氮时，先对样品进行氧化，使其全部转化为磷酸根、硝酸根，同时氧化过程也能排出杂质干扰，于此设计系统结构。

1.2.1 装置结构图

装置包括进样单元、氧化单元、反应显色单元、测试单元、控制单元与分析单元六部分组成，其中进样单元和氧化单元如图3所示。

图3 进样与氧化单元结构示意图

1.2.2 主要组成单元

1.2.2.1 进样单元

进样单元是由蠕动泵和注射泵构成。蠕动泵和注射泵，分别通过控制单元的指令发布控制电机，实现液体定向流动将液体送至指定位置。

1.2.2.2 氧化单元

氧化单元是由臭氧发生器和紫外灯组成。溶液同时受到臭氧和紫外线的双重氧化，为后面样品检测做好准备。

1.2.2.3 反应显色单元

反应单元是由具有进液、进气、排气作用，待溶液反应结束后进入检测单元。

1.2.2.4 检测单元

检测单元主要是一套微型光谱仪系统。由紫外和可见光源对比色皿进行照射，再由光谱仪采集数字信号，经软件处理后在电脑上显示出来，即可实时观察图谱信息。

1.2.2.5 分析单元和控制单元

分析单元和控制单元主要通过软件部分实现。通过以Labview程序编译后的软件，实现仪器全部操作及数据处理，软件同时具有样品数据可以实时光谱曲线显示、标准曲线、存储数据，及部分基础运算等功能，磷氮硫检测仪软件初始界面如图4所示。

图4 Labview测试软件

2 测试部分

2.1 测试方法

磷的检测采用臭氧-紫外氧化方式，用磷钼蓝显色法在波长710 nm下实现对磷的快速检测；亚硝酸氮与对氨基苯磺酸、盐酸萘乙二胺发生反应显色，在545 nm波长处检测；硝酸根在220 nm和275 nm处均有吸收，所以根据A=A220-2A275计算，总氮用臭氧加紫外氧化法，将样品氧化为硝酸盐后，与硝酸根测试相同；铵根与纳氏试剂显色，在406 nm波长处检测；硫酸根与氯冉酸钡反应显色，在530 nm波长处检测。

2.2 测试结果

2.2.1 磷

配制浓度为磷酸二氢钾溶液至0.4，0.3，0.2，0.1，0 μg/mL，实验中磷酸标准液(0.5 mL)与钼酸盐溶液(4.5 mL)注入后，进行自动测量，作出其标准曲线如图5所示。

图标准曲线

由图可知，磷的标准曲线为Y=0.1582X+0.0102，其中Y为吸光度，X为磷的含量(μg/mL)，该线性度达0.994，说明磷含量与吸光度在0～0.4 μg/mL范围内为线性关系；为消除由于试剂不纯或试剂干扰等所造成的系统误差，多次测量空白溶液，计算出设备的检测限为0.019 μg/mL。

2.2.2 氮

①亚硝酸根

配制亚硝酸根标准溶液分别配制5，3，2，1和0 μg/mL，每组抽取样品液0.5 mL、显色剂为4.5 mL，进行自动测量，作出其标准曲线如图6所示。

图标准曲线

由图可知，亚硝酸根的标准曲线为Y=0.0999X+0.0103，其中Y为吸光度，X为亚硝酸根的含量(μg/mL)，该线性度达0.989，说明亚硝酸根含量与吸光度在0～5 μg/mL范围内呈良好的线性；为消除由于试剂不纯或试剂干扰等所造成的系统误差，多次测量空白溶液，计算出设备的检测限为0.180 μg/mL。

②硝酸根

配制硝酸钠溶液浓度分别为0，0.4，0.6，0.8，1.5 μg/mL，样品抽取0.5 mL，进行自动测量，作出其标准曲线如图7所示。

图标准曲线

由上结果可知，硝酸根的标准曲线为Y=0.2625X+0.5826，其中Y为吸光度，X为硝酸根的含量(μg/mL)，该线性度达0.990，说明硝酸根含量与吸光度在0～1.5 μg/mL的关系曲线为良好的线性；为消除由于试剂不纯或试剂干扰等所造成的系统误差，多次测量空白溶液，计算出设备的检测限为0.035 μg/mL。

③铵根

配制氯化铵标准溶液浓度为0.714，0.476，0.238，0.095和0 μg/mL，每次抽取标准液0.5 mL、显色剂为4.5 mL，进行自动测量，作出标准工作曲线如图8所示。

图标准曲线

由图可知，铵根的标准曲线为Y=0.2513X+0.0228，其中Y为吸光度，X为铵根的含量(μg/mL)，该线性度达0.995，说明铵根含量与吸光度在0～0.714 μg/mL范围内呈良好的线性；为消除由于试剂不纯或试剂干扰等所造成的系统误差，多次测量空白溶液，计算出设备的检测限为0.012 μg/mL。

2.2.3 硫

由硫酸标准液进行稀释，分别配制96，48，19.2，9.6和0 μg/mL，标样每次进样0.5 mL，显色剂进样5 mL，作出其标准曲线如图9所示：

图标准曲线

由图可知，硫酸根的标准曲线为Y=0.0104X+0.0121，其中Y为吸光度，X为硫酸根的含量(μg/mL)，该线性度达0.991，说明硫酸根含量与吸光度在0～96 μg/mL范围内呈良好的线性；为消除由于试剂不纯或试剂干扰等所造成的系统误差，多次测量空白溶液，计算出设备的检测限为0.288 μg/mL。

3 结论

本文介绍了水体中多价态含磷、氮、硫污染物的在线检测系统，通过分光光度法的并配合特定的显色剂，使用Labview编写的上位机软件、通过与各控制单元的串口通讯，达到了水样采集、氧化、显色、标定、清洗等功能，为对水体中的多价态磷、氮、硫的自动测量提供了必要的工作环境，最终实现了对水体中的磷酸根、亚硝酸根、硝酸根、铵根和硫酸根浓度的准确测量。该系统可应用于水质的实时测量，能够随时了解水体情况，实现动态监测。