AA3 连续流动分析仪驱动马达带动转轴旋转模块设计及土壤中总氮测试

周 娜，吴学丽，谭 扬，栾传磊

（中国科学院烟台海岸带研究所，山东 烟台 264003）

连续流动分析（continuous flow analysis，CFA）技术兴起于上世纪50 年代[1]，是传统比色法（分光光度法）的延伸.相关设备由自动进样器、蠕动泵、化学反应模块、比色计和软件工作站等部件组成，可自动完成进样、吸液、混匀、显色、检测及结果计算等一系列过程[2].相比于分光光度法，CFA 技术拥有自动化程度高、分析速度快（40~100 样品/小时）、分析精度高、试剂消耗少等突出优点[3]，因而在医学、环保、水质、农业等领域得到了广泛应用.

建立连续流动分析技术标准，是推动我国流动分析仪器市场健康发展的必然需求.近十年来，CFA 技术在我国飞速发展[4]，相关的国家、行业、地方标准修订工作也在持续进行.针对海洋领域开发的CFA 技术高达上百项，对分光光度法的替代升级基本完成.相比之下，CFA 技术在农业中的应用较为局限，目前仅应用于土壤和植物中硝态氮和铵态氮的测定[5]，大量关键要素的测定仍严重依赖低效率的分光光度法，其中又以土壤中总氮测定的局限问题表现最为突出[6-7].

连续流动分析仪在使用的过程中，需要先将样品导入连续流动分析仪内再进行检测[8].但在使用现有的连续流动分析仪时，样品被导入连续流动分析仪内进行检测分析时的pH 值难以控制[9]，并且难以保证样品在被检测时温度处于合适区间.

针对土壤样品总氮测定过程中的混合不均、分析测试方法原始、人员劳动强度大、工作效率低、分析结果可靠性差等问题，设计了一种新型驱动马达带动转轴旋转模块，该模块是在德国SEAL 公司生产的AA3 连续流动分析仪基础上进行改造.所设计的模块通过转轴旋转带动加热棒旋转，对进入模块的样品、试剂和空气进行搅拌，从而实现充分混合.这一设计有助于加快样品与试剂的反应速度，避免因混合不够均匀而影响试剂与样品的反应效率.同时，利用加热棒对样品、试剂和空气进行搅拌的同时对其进行一定的控温加热，使得混合样品、试剂和空气保持在合适的温度区间内，并且通过对pH 值的实时检测和调节，保证酸碱平衡.这为后续使用连续流动分析仪对土壤样品进行总氮检测分析提供了便利条件，从而提高了连续流动分析仪对土壤样品的分析精度.

1 系统总体设计

原AA3 连续流动分析仪是由自动进样器、蠕动泵、化学模块、检测器和计算机5 大模块构成.其中化学模块是将试剂和样品随着时间融合发生化学反应的地方，我们对该模块进行改进（图1），加入驱动马达带动转轴旋转模块，可以实现反应pH 的调节及控温.

图1 系统整体设计示意图Fig. 1 Schematic diagram of overall system

图2 为不同角度驱动马达带动转轴旋转模块的设计图.其中，控温功能的工作流程是：转轴23旋转时，进而带动加热棒24 旋转对进入的样品、试剂和空气进行搅拌混合，加快样品与试剂的反应速度，避免样品与试剂混合不够均匀.同时，在加热棒24 旋转的过程中，利用网状过滤滤纸20 对混合后的样品、试剂和空气中的杂质进行过滤，避免反应后的样品、试剂和空气中存在杂质，影响后期连续流动分析仪样品分析的准确性.

图2 （a）~（f）不同角度驱动马达带动转轴旋转模块的设计图（1）安装壳，（2）酸溶液箱，（3）第一输送管，（4）碱溶液箱，（5）第二输送管，（6）第一连接端口，（7）第二连接端口，（8）支撑板，（9）混合箱，（10）盖板，（11）固定板，（12）连接杆，（13）开口，（14）第三连接端口，（15）第四连接端口，（16）清洁水箱，（17）驱动马达，（18）pH 值传感器，（19）废液回收箱，（20）网状过滤滤纸，（21）第三输送管，（22）第四输送管，（23）转轴，（24）加热棒Fig. 2 (a)~(f) Design drawings of different angles of motor-driven shaft rotation module

调节pH 的工作流程是：转轴23 旋转过程中，还带动pH 值传感器18 旋转，通过pH 值传感器18对混合后的样品、试剂和空气进行pH 值检测.当pH 值传感器18 检测到样品、试剂和空气中的混合物pH 值过高时，则启动第一输送管3 内的液体泵抽取酸溶液箱2 内的酸性溶液，将酸性溶液导入至混合箱9 内，降低混合后的样品、试剂和空气中的pH 值，保持酸碱平衡性.当pH 值传感器18 检测到样品、试剂和空气中的混合物pH 值过低时，启动第二输送管5 内的液体泵抽取碱溶液箱4 内的碱性溶液，将碱性溶液导入至混合箱9 内，增大混合后的样品、试剂和空气中的pH 值，保持酸碱平衡性.这样能够对混合箱9 内混合后的样品、试剂和空气中pH 值进行调节，保证待测混合物处于中性环境，提高后期利用连续流动分析仪对样品的检测分析精度.

所设计的驱动马达带动转轴旋转模块连接在德国SEAL 公司生产的AA3 连续流动分析仪的化学模块上，系统整体设计示意图如图1 所示.

2 系统的测试

系统搭建成功后，实验人员开展了一系列测试与分析，并从测试的正确度、重复性、再现性、检出限（LOD）及重现性进行验证.

2.1 正确度测试

通过采集烟台市周围土壤进行总氮的测定，验证本设计的测试正确度.试验方法：将0.05 g 土壤干样和5 mL 浓硫酸在380 ℃进行消解，然后用水溶液定容至100 mL，同时加入不同浓度总氮标准溶液（GSB07-3168-2014）进行加标回收.消解后的样品经过驱动马达带动转轴旋转模块后通过铜-镉还原柱还原为亚硝酸盐，再与磺胺/N-(1-萘基)-乙二胺盐酸盐反应生成红色络合物，在波长550 nm 下测定.表1 为总氮标准溶液加标质量浓度分别为50、100、500 mg/L 下的测试结果，以验证装载驱动马达带动转轴旋转模块后测试的正确度.由表1 可知，总氮平均回收率在96.8%~107.1%范围内，符合国家标准“合格评定化学分析方法确认和验证指南”[10]中关于回收率的要求.说明加入驱动马达带动转轴旋转模块后，试验正确度良好.

表1 土壤中总氮方法正确度试验结果Table 1 Results of spiked recovery for determination of total nitrogen in soil

2.2 重复性测试

使用搭载驱动马达带动转轴旋转模块的连续流动分析仪进行总氮的重复性测试，其试验结果如表2 所列.在总氮标准溶液加标质量浓度为100 mg/L 添加水平下对实验室内晾干的土壤样品平行7 次进行测试，测得总氮的相对标准偏差（RSD）为3.66%，符合国家标准“合格评定化学分析方法确认和验证指南”要求[10]，说明加入驱动马达带动转轴旋转模块后，试验重复性良好.

表2 实验室内总氮测定的相对标准偏差Table 2 Relative standard deviation of total nitrogen determination

2.3 再现性测试

使用带有驱动马达带动转轴旋转模块的连续流动分析仪测定总氮的再现性，对质量浓度分别为50、100、500 mg/L 的总氮标准溶液进行测定，试验结果如表3 所列.进一步对测试结果进行方差分析，项目组间平方和为0.382 222，自由度为2，均方为0.191 111.项目组内平方和为396 185.8，自由度为6，均方为66 030.96.经过计算得出F 值（统计检定值）等于2.89×10-6，P 值（结果可信程度的一个递减指标）等于0.999 997，F crit（相应水平下的F 临界值）等于5.143 253.F 小于F crit，所以3 个质量浓度总氮重复测定数据之间无显著性差异，说明加入驱动马达带动转轴旋转模块后测定土壤中总氮测定结果具有较好的再现性.

表3 实验室内总氮测定方法再现性测定结果Table 3 Reproducibility of this method for determination of total nitrogen/(mg/L)

2.4 检出限及重现性

运用研发的基于驱动马达带动转轴旋转模块改良的AA3 连续流动分析仪对土壤中的总氮进行测定.10 次空白试验总氮测定结果分别为7.8、7.2、6.0、5.6、6.2、5.6、8.2、5.8、7.2、6.0 µg/L.使用公式计算LOD：LOD = 3s/k，k为线性斜率，s为空白样品检测值的标准偏差.计算得到使用驱动马达带动转轴旋转模块时测定的总氮LOD 为10.0 µg/L.另外，还使用未安装所设计模块的AA3 连续流动分析仪进行测试，得出10 次空白样品的总氮质量浓度分别为：13.6、6.5、3.4、17.9、23.3、11.5、10.8、9.6、18.5、10.5 µg/L，经过计算得出未改进仪器的总氮的LOD 为16.4 µg/L.通过对比发现，所研制的驱动马达带动转轴旋转模块明显提高了连续流动分析仪对样品的分析精度，将土壤中总氮的检出限从16.4 µg/L 降低至10.0 µg/L.此外，还对方法的重现性进行了探究，取5 组100 µg/L 的总氮标准溶液进行测定，使用装有所设计模块的AA3 连续流动分析仪均表现出相似的信号响应，计算得RSD 为10.1%.该结果充分证明，使用驱动马达带动转轴旋转模块测定，具备良好的重现性.

3 结论

研发的驱动马达带动转轴旋转模块成功应用于连续流动分析仪上测定土壤中的总氮.测得的数值符合国家标准“合格评定化学分析方法确认和验证指南”要求，其正确度和精密度均达到标准.在总氮的分析中，该模块实现了96.8%~107.1%的平均回收率.实验室内的总氮测定RSD 为3.66%，表明了良好的重复性.此外，通过3 个浓度总氮的重复测定数据之间的比较，发现测定结果具有较好的重现性，再现性也得到了验证.总氮的检出限为10.0 µg/L，这一结果证明了本模块设计的合理性和可靠性.所研制的驱动马达带动转轴旋转模块提高了连续流动分析仪对样品的分析精度，将土壤中总氮的检出限从16.4 µg/L 降低至10.0 µg/L，实现了目标明确、可操作性强的设计.