基于PEDD的便携式亚硝酸盐检测仪*

黄利强

(集美大学水产学院，集美大学水域环境与渔业资源监测中心，福建 厦门 361021)

亚硝酸盐是水产养殖系统中最常见的有害污染物之一。天然水体中的亚硝酸盐一般浓度较低，但在高密度集约化养殖过程中，往往由于饵料残留、硝化作用失衡等原因导致水体亚硝酸盐超标，引发水产动物亚硝酸盐中毒事故。亚硝酸盐对鱼类、软体动物和甲壳类等水生动物均具有较强毒性，高浓度时可将水产动物体内血红蛋白转化为高铁血红蛋白，使其发生急性缺氧窒息；浓度较低时虽不致急性中毒，但也会长期影响水产动物体内抗氧化酶活性，降低其免疫能力，进而出现厌食、易发病、生长缓慢等一系列不良症状，因此水产养殖中一般应控制亚硝酸盐浓度不高于0.15 mg·L-1[1-3]。而对养殖水体中的亚硝酸盐浓度进行现场及时监测，有助于预防水产动物亚硝酸盐中毒，对于水产养殖生产具有重要的实际用途。

目前国内外养殖水体中亚硝酸盐的测定普遍采用经典的重氮-偶氮比色法。其原理为，检测试剂中的磺胺与水中亚硝酸盐先进行重氮化反应，重氮化产物再与盐酸萘乙二胺偶合生成红色的偶氮产物，在一定范围内，产物红色的深浅程度与亚硝酸盐浓度成正比关系。该反应非常灵敏，产物颜色也很稳定，因此在亚硝酸盐检测中被广泛应用。水样显色完成后可以用台式、便携式分光光度计、亚硝氮测定仪等仪器进行测量[4-8]，结果精确，但是目前仪器成本还较高；也可以使用人工比色法，根据肉眼观察产物红色的深浅，与检测试剂盒厂家提供的标准比色卡进行比对，即可估测亚硝酸盐的大致浓度。人工比色法成本低廉，但是只能做半定量的估值，不能精确读数；而且对于色盲、色弱等人员，就难以判断红色的深浅甚至有无；周边环境亮度低时也会影响对颜色的判断。此外由于只与比色卡进行颜色的绝对比对、 没有引入标准物对照，若试剂存放过久，显色剂浓度下降之后，反应物颜色会变浅，此时再与比色卡对比可能导致估值比实际值偏低。因此对于新型亚硝酸盐检测仪的研究屡见报道[9-11]。

本文根据比色法检测水中亚硝酸盐的原理，使用价格低廉的发光二极管(LED)作为光源和检测器，设计和自制了一款简易便携式亚硝酸盐检测仪，通过简单操作，即可直接读出水中亚硝酸盐的准确浓度数值。

1 材料与方法

1.1 亚硝酸盐检测仪的工作原理和系统组成

本亚硝酸盐检测仪主要由光源、检测器、电路板、数字电压表等部分组成，系统结构原理如图1所示，图2为成品样机图。水中亚硝酸盐与检测试剂进行重氮化反应的产物在470～550 nm范围内吸光度较大(图3)， 因此本文选用主波长为530 nm的发光二极(LED)作为光源，检测水样对530 nm波长光的吸收即可获得良好的灵敏度。

图1 亚硝酸盐检测仪原理图Fig.1 Schematic diagram of nitrite detector

图2 亚硝酸盐检测仪样机图Fig.2 Prototype of nitrite detector

图3 亚硝酸盐显色反应产物的吸收光谱Fig.3 Absorption spectrum of products of nitrite color reaction

检测器使用主波长为600 nm的发光二极管LED，与光源LED一起组成对发光二极管对(PEDD)，不需光栅或滤光片即可选择性地检测530 nm附近的光信号。而且使用LED为检测器时，可以产生伏特级的光电压，接收到的光电信号不需放大，即可直接进行对数转换，因此这种基于PEDD的检测仪具有结构简单、器件精简、成本低廉的特点[12-16]。系统电路原理如图4所示。

实验所用2只LED均购自深圳市春达鑫光电有限公司(灯珠直径8.0 mm，额定功率1 W)，将530 nm LED作为发射光源(LED1)，600 nm LED作为光电检测器(LED2)。3D打印的比色皿座在相对的两面各开有一个直径3 mm的窗口，将LED1/ LED2分别固定在两面的窗口上对准即可，不需额外的聚光或滤光器件。为使光源LED发出的光强度稳定，使用稳压电路78L05(U1)组成简易恒流驱动电路，为 LED提供稳定的工作电流。光源LED1发射出稳定的530 nm光(即入射光，强度I0)照射样品，检测器LED2接收样品的透射光产生光电压V，光电压的大小与透射光的强度It呈正比关系；再根据朗伯比尔定律：吸光度A=-lg(It/I0)=Kc(K为比例系数，c为试样浓度)，对光电压进行对数转换、比例放大、电阻分压之后，即可使数字电压表的电压值直接显示样品的亚硝酸盐浓度数值。

图4 亚硝酸盐检测仪系统电路原理图Fig.4 Circuit diagram of nitrite detector

对数转换电路使用价格低廉的双运放集成电路LM358(U2)与三极管Q1构成，将LED2上产生的光电压进行对数转换，转换后的输出电压送入U2的第2个运放进行电压放大，放大倍数由R3/R2(亦即R5/R4)控制；最后由RP2、R7组成分压电路，调节RP2的阻值，可使数字电压表的电压值恰好与亚硝酸盐浓度值相等。数字电压表可以使用市售4位电压表头，体积较小，量程5 V即可，也可以选用普通万用表的电压档。如采用DT830万用表的2000 mV档，当电压表显示200 mV时，对应的亚硝酸盐浓度即为200 μg·L-1，即0.2 mg·L-1；有的万用表是2 V档，此时显示电压为0.2 V，对应的亚硝酸盐浓度即为0.2 mg·L-1。

系统耗电较低，整机工作电流≤50 mA，可使用3.7 V锂电池用升压转换板转成±12 V电压后给整机供电。整机体积小巧，光路固定无移动部件，易于户外便携使用。

1. 2 实验步骤

自制亚硝酸盐检测仪的操作步骤为：接通电源，放入空白溶液作为参比，调节RP1至数字电压表显示0 mV，即完成调零；接着放入0.2 mg·L-1亚硝酸盐标准溶液，调节RP2至数字电压表显示200 mV(对应200 μg·L-1的浓度)，即可完成斜率校正；当测量样品时，放入待测样品，即可直接显示样品的浓度值(μg·L-1)。

对比实验采用721分光光度计(上海舜宇恒平科学仪器有限公司)为测量仪器。实验均使用塑料一次性比色皿，光程均为10 mm。

亚硝酸盐标准溶液使用广检(广州)检测科技公司生产的亚硝酸盐氮标准溶液(CNO2-N=1000 μg·mL-1) 用纯净水进行稀释和配制。亚硝酸盐标准溶液和水样的显色反应均使用河南南华千牧生物科技有限公司生产的亚硝酸盐水质分析盒(检测范围0.005～0.2 mg·L-1)，按照厂家方法进行显色。

2 结果与分析

2.1 标准溶液配制

准确配制浓度在0.005～0.2 mg·L-1的亚硝酸盐标准溶液，用721分光光度计在530 nm处测定吸光度，绘制工作曲线。测定结果如图5所示，结果表明标准系列的工作曲线具有优异的线性特性(R2=0.9996)。证明使用此快速检测试剂盒，在浓度≤0.2 mg·L-1的范围内，可以很好的符合朗伯比尔定律，即反应物红色的深浅程度与浓度符合线性关系。当水样中亚硝酸盐浓度过大，吸光度过高，会偏离朗伯比尔定律导致测量误差加大，并容易产生团聚、絮凝现象，此时需用纯净水稀释后再进行检测。

图5 721分光光度计的标准工作曲线(n=3)Fig.5 Standard working curve of 721 spectrophotometer(n=3)

2.2 系统性能测试

用自制亚硝酸盐检测仪对0.005～0.2 mg·L-1浓度范围的亚硝酸盐标准溶液进行测定，每个浓度均测定3次取平均值，再绘制与真实值的关系曲线，结果如图6所示。由图6可知，在0.005～0.2 mg· L-1浓度范围内，测量结果紧密分布在 45°线周围，R2=1，可见本仪器的测定值与标准溶液的真实值高度吻合，具有良好的准确度。对几个标准溶液测量值与真实值的相对误差在-0.44%～2.00% 之间，绝对误差均<1 μg·L-1， 说明本检测仪能够较准确地检测水中亚硝酸盐含量。

图6 亚硝酸盐检测仪测定值与真实值的比较(n=3)Fig.6 Comparison of actual concentration values with measurement value by nitrite detector(n=3)

使用自制亚硝酸盐检测仪和721分光光度计同时对2份养殖水样中的亚硝氮进行测定，721分光光度计使用0.005～ 0.2 mg·L-1的亚硝氮标准系列溶液绘制标准曲线，用工作曲线法进行定量；自制亚硝酸盐检测仪按1.2方法，用0.2 mg/L标准进行校正后直接读取浓度。实验结果如表1所示。

表1 养殖水样亚硝酸盐测定结果对比(n=3)Table 1 Comparison of determination results of nitrite in aquaculture water sample(n=3)

表1中列出了721分光光度计与自制亚硝酸盐检测仪对2份养殖水样中亚硝酸盐的检测结果，结果表明两种仪器的测量结果相当接近，2种仪器间的测量结果相对偏差均<5%，表明本检测仪对实际水样也具有较好的测量准确度。此外对空白溶液进行了11次测定，依据空白值标准偏差Sd的3倍除以斜率K，求得本检测仪对亚硝酸盐的检测限(3Sd/K)为0.002 mg·L-1，可以满足普通水产养殖等应用场合的需要。

3 结 论

本文根据重氮-偶氮比色法测定亚硝酸盐的原理，设计了一种基于PEED的便携式亚硝酸盐含量检测仪，结构简单，成本低廉，体积小巧，测量快速准确，适合水产养殖、环境监测、工农业生产、家居生活等众多场合的低成本亚硝酸盐快速现场检测。