微控技术结合顺序注射技术水质氨氮在线监测系统的研究

李 文，吕 赫，程 李，马俊源

(北方工业大学，北京 100084)

0 引言

氨氮指数作为海水、地表水和城镇污水水质监测的重要指标之一，如今试验室人工分析已无法满足对于可靠、高效、实时、自动化水质监测的需求。目前，氨氮指数测定的主要方法有气相可逆比色法[1]、靛酚蓝法[2]、纳氏试剂分光光度法(HJ 535-2009)[3-11]、水杨酸分光光度法(HJ536-2009)[12-18]等，其中纳氏法和水杨酸法具有准确度和精密度较高的优点，被广泛应用于水质氨氮指数的测定。

由于水体污染程度参差不齐，测定条件也受环境因素制约，在实际水质监测环境中，往往要求在不同的环境下对不同污染程度水质进行氨氮指数的精确测定，因而本文对纳氏法和水杨酸法测定氨氮指数的特点进行比对，在不同环境和不同污染程度水质条件下灵活切换测定方法，建立了水质氨氮在线监测系统，完成了地表Ⅰ～Ⅴ类水氨氮指数的测定，满足了地表水质监测领域对于氨氮指数测定的需求。

1 材料与方法

1.1 仪器与试剂

1.1.1 仪器

多通道切换阀岛：采用特种氟塑料，适用于各种腐蚀性液体，阀芯采用多向自适用平面贴合，可靠性高；高压电磁阀；立式注射泵：液量准确性误差≤1%，液量精确度误差为0.3%～0.7%，最小进液精度为0.002 5 mm/1.038 1 μL；光源：420 nm单波长发光管与700 nm单波长发光管；检测管：光电二极管；0.1 μL～10 mL不同量程的单道可调量程移液器；0.1 mg高精度电子天平；自主设计的系统控制及数据显示模块；特氟龙管。

1.1.2 试剂

按照HJ 535—2009配制纳氏试剂(二氯化汞-碘化钾-氢氧化钾溶液)、500 mg/mL酒石酸钾钠溶液、1 000 μg/mL氨氮标准贮备溶液、10 μg/mL氨氮标准工作溶液；按照HJ536—2009配制显色剂(水杨酸-酒石酸钾钠溶液)、次氯酸钠使用液、10 mg/mL亚硝基铁氰化钠溶液、100 μg/mL氨氮标准中间液、1 μg/mL氨氮标准使用液；GBW(E)080420浓度为2 μg/mL模拟天然水氨氮溶液成分分析标准物质；水样预处理使用溶液，由100 mg/mL硫酸锌溶液、250 mg/mL氢氧化钠溶液、3.5 mg/mL硫代硫酸钠溶液按照比例混合而成；标准GB/T6682—2008的超纯水。

1.2 测定原理

纳氏法与水杨酸法均是基于朗伯比尔定律分光光度法的氨氮测定方法，朗伯比尔定律如式(1)所示。

(1)

式中：A、T、K、B、C、R、D、S分别为水样的吸光度、介质透射率、摩尔吸收系数、光程、浓度、光源打开状态下记录的超纯水测定光电信号、光源关闭状态下超纯水测定暗背景的光电信号、水样显色反应完毕后的光电信号。

检测池分为纳氏法检测池和水杨酸法检测池。水杨酸法检测池由10 mm石英玻璃管、检测池架、700 nm单波长光源固定架、光电检测管固定架构成；纳氏法检测池由20 mm内径石英玻璃管、检测池架、420 nm单波长光源固定架、光电检测管固定架构成。检测池结构示意图如图1所示。

图1 检测池结构示意图

水杨酸分光光度法：在碱性(pH=11.7)和亚硝基铁氰化钠溶液环境下，水样中的氨、铵离子等形式存在的氨氮与水杨酸盐和次氯酸根离子反应生成蓝色化合物，该络合物的吸光度与氨氮指数成正比，在10 mm光程下，于700 nm处采集吸光度，再根据标准工作曲线得到氨氮指数。

纳氏试剂分光光度法：水样中以游离态的氨或铵离子等形式存在的氨氮与纳氏试剂反应生成淡红棕色络合物，该络合物的吸光度与氨氮指数成正比，在20 mm光程下，于420 nm处采集吸光度，再根据标准工作曲线得到氨氮指数。检测流程如图2所示。

图2 检测流程

1.3 方法比对

水杨酸法与纳氏法对于氨氮指数的测定各有利弊，纳氏法与水杨酸法的特点对比如表1所示(表格中的数据来源于HJ535—2009与HJ536—2009)。

表1 纳氏法与水杨酸法的特点对比

GB 3838—2002中将地表水域按照功能高低划分为5类，Ⅰ类为源头水，Ⅱ类为生活饮用水源地一级保护区，Ⅲ类为生活饮用水源地二级保护区，Ⅳ类为工业用水区，Ⅴ类为农业用水区，Ⅰ～Ⅴ类水氨氮指数的标准限值如表2所示。

表2 地表Ⅰ～Ⅴ类水氨氮指数的标准限值 μg/mL

综合分析表1和表2可知水杨酸法测定氨氮指数下限低，时间较长，适合试验室、站房式地表Ⅰ～Ⅲ类水质氨氮测定，纳氏法测定氨氮指数上限高、时间短，适宜原位、浮漂式地表Ⅳ～Ⅴ类水质氨氮测定。

1.4 氨氮指数在线监测系统

依据纳氏法和水杨酸法氨氮指数测定的原理，利用微控技术结合顺序注射技术建立了氨氮指数在线监测系统，如图3所示，由数据处理与系统控制模块、水样预处理模块、顺序注射模块、检测模块、电源模块构成。数据处理与系统控制模块包含系统控制电路板、光电信号处理电路板和GPRS数据上传电路板；水样预处理模块包含除余氯和絮凝沉淀装置；顺序注射模块包含立式注射泵、多通阀岛、高压电磁阀、储液环和试剂瓶；检测模块包含检测池、光源和光电检测管；电源模块包含可输出24、12、±5、3.3 V的稳压电路板。

图3 氨氮指数在线检测系统

1.5 控制体系及信号处理流程设计

体系采用24 V直流输入作为系统电源，经电源模块稳压和分压处理后为其他电气模块供电。采用32位ARM芯片作为MCU主控元件，系统控制模块通过485信号与阀岛和注射泵进行通讯，实现试剂的顺序进样和流路的流畅切换。由主板控制继电器板从而实现对电磁阀、风扇、PTC加热装置、光源等电器元件的控制。通过发光二极管对应的恒流基准源提供稳定电流，激励发光二极管稳定发光，再由光电二极管将光信号转化为电信号。

为了提高光电信号采集的精确度，信号处理电路由锁相放大电路、增益放大电路、降噪滤波电路、模数转换电路构成，信号处理流程如图4所示。

图4 信号处理流程

2 结果与分析

2.1 影响氨氮指数测定的干扰因素

由于地表水体成分复杂，水体中的有机化合物、无机离子、悬浮颗粒物等会产生浊度和色度而造成检测干扰，因此基于余氯消除和絮凝沉淀法设计了水样预处理流程，以消除氨氮指数测定的干扰因素，水样预处理流程如图5所示。

图5 水样预处理流程

2.2 建立标准工作曲线

水杨酸法：取0.00、2.50、5.00、10.00、15.00、20.00、25.00 mL氨氮标准使用液于25.00 mL容量瓶中，加超纯水稀释至标线，即可得到浓度为0.00、0.10、0.20、0.40、0.60、0.80、1.00 μg/mL的水杨酸法标准工作点溶液，通过氨氮指数在线检测系统于水杨酸法检测池中，对每个标准工作点进行6次平行样测定，零氨氮浓度溶液的测定作为空白试验，扣除空白实验吸光度后，以标准工作点氨氮浓度值为横坐标，吸光度均值为纵坐标绘制水杨酸法标准工作散点图。

纳氏法：取0.00、2.50、3.00、3.50、4.00、4.50、5.00 mL氨氮标准工作溶液于25.00 mL容量瓶中，加超纯水稀释至标线，即得到浓度为0.00、1.00、1.20、1.40、1.60、1.80、2.00 μg/mL的纳氏法标准工作点溶液，通过氨氮指数在线检测系统于纳氏法检测池中，对每个标准工作点进行6次平行样测定，零氨氮浓度溶液的测定作为空白试验，扣除空白实验吸光度后，以标准工作点氨氮浓度值为横坐标，吸光度均值为纵坐标绘制水杨酸法标准工作散点图。

利用最小二乘拟合算法建立氨氮指数测定的回归模型，工作曲线的相关参数如表3所示，工作曲线如图6所示。

表3 工作曲线的相关参数

图6 标准工作曲线

2.3 氨氮标准样品测试

取3.75、12.50、20.00、25.00、30.00、37.50、45.00、50.00 mL模拟天然水氨氮溶液成分分析标准物质于50 mL容量瓶中，加超纯水稀释至标线，即可得到浓度为0.15、0.50、0.80、1.00、1.20、1.50、1.80、2.00 μg/mL的氨氮标准样品，利用水杨酸法通过氨氮指数在线检测系统对氨氮指数为0.15、0.50、0.80、1.00 μg/mL的标准样品进行6次重复性测定，利用纳氏法通过氨氮指数在线检测系统对氨氮指数为1.20、1.50、1.80、2.00 μg/mL的标准样品进行6次重复性测定，由标准工作曲线得到的标准样品测定结果如表4所示。

表4 标准样品测定结果

为验证氨氮指数在线检测系统的准确性，将氨氮含量为0.4、0.8 μg/mL的标准溶液加入编号为3、4、6、8的标准样品中，通过氨氮指数在线检测系统进行测定，并计算回收率，结果如表5所示。

表5 回收率

3 讨论与结论

本文基于顺序注射技术，利用水杨酸分光光度法与纳氏试剂分光光度法建立了氨氮指数在线监测系统，通过表1和表2中对水杨酸法和纳氏法测定氨氮指数的特点的分析比对，针对不同地表水质类别，提出了利用水杨酸法适合试验室、站房式地表Ⅰ～Ⅲ类水质氨氮测定，纳氏法适宜原位、浮漂式地表Ⅳ～Ⅴ类水质氨氮测定，最大程度地提高了测定精度。表3与图6充分说明，标准工作点吸光度与氨氮指数呈现良好的线性关系，相关系数为0.999 7～0.999 8，线性范围为0～2 μg/mL，最低检出限为0.01 μg/mL。利用GBW(E)080420模拟天然水氨氮溶液成分分析标准物质配制不同浓度氨氮标准样品，用以模拟地表5类水，系统对经水样预处理后的氨氮标准样品进行6次平行测定，分析表4和表5数据可得，重复性的相对标准偏差(RSD)为0.069%～2.224%，说明系统测定氨氮指数重复性良好，加标回收率为98.250%～101.500%，说明系统稳定性、准确性、可靠性较高，废液排量分别为23.73～23.86 mL和78.78～78.85 mL，说明试剂消耗量与废液排量低。基于顺序注射技术氨氮指数在线监测系统的自动化程度高，结构紧凑，便于集成到水质监测设备中，为水文服务和环境保护提供技术支撑，具有较高的应用前景。