便携式铵氮荧光检测仪

郑 芸，曹毅成，梁 英，胡鸿志，郭 庆，许 睿

(1．桂林电子科技大学生命与环境科学学院，广西桂林 5410041；2 桂林电子科技大学电子工程与自动化学院，广西桂林 541004)



便携式铵氮荧光检测仪

郑 芸1，2，曹毅成1，2，梁 英1，2，胡鸿志2，郭 庆2，许 睿1，2

(1．桂林电子科技大学生命与环境科学学院，广西桂林 5410041；2 桂林电子科技大学电子工程与自动化学院，广西桂林 541004)

基于铵氮的荧光分析方法研制了一种便携式铵氮荧光检测仪，由样品检测模块、信号放大与压频转换模块、测频模块、数据显示与存储模块和电源模块组成。仪器的基线和恒定信号响应可稳定2 h；铵氮浓度在0～4 000 nmol/L范围内时，其测定结果与通用仪器测定结果有线性相关性；仪器可测定实际水样中的铵氮浓度，与通用仪器的测定结果无显著差异。

便携式；铵氮；荧光；LED；光电二极管

0 引言

现有的便携式铵氮测定仪多基于分光光度法，灵敏度偏低[5]。荧光分析法是目前测定铵氮最为灵敏的方法，但尚未见基于此法开发的便携式铵氮检测仪。本课题组合成了铵氮检测的荧光新试剂二甲氧基邻苯二甲醛，其与铵氮反应生成的荧光产物的最大激发波长在379～382 nm、最大发射波长在482～486 nm[6]，基于此成功研制出了一台高精度、低检测限、低成本的便携式铵氮荧光检测仪，对其性能进行检测，并成功应用于实际水样的测定。

1 设计与实现

1．1 装置系统组成

本文设计的便携式铵氮荧光检测仪通过检测荧光光强来定量待测液的铵氮浓度。仪器结构如图1所示，包括样品检测模块、信号放大与压频转换模块、测频模块、数据显示与存储模块和电源模块。

图1 仪器整体结构图

样品检测模块将比色皿中待测溶液发出的荧光信号转换成微弱电流信号，等效于一个光电传感器。信号放大与压频转换模块的功能是将微弱电流信号转换为频率信号，即放大器将微弱电流信号转化为电压信号并放大，滤波电路滤除干扰信号，压转频芯片将处理后的电压信号转换成频率信号输出。等精度频率测量模块基于STM32等精度频率测量法，对频率进行测量并对测量结果进行处理。数据显示与存储模块使用OLED或者连接计算机显示所测频率，并将其存储在SD卡中，方便对测量数据进一步分析。电源模块为仪器提供电能，可采用碳性电池、USB或电源适配器供电。

1．2 各模块的设计与实现

1．2．1 样品检测模块

如图2所示，本模块以比色池架为骨架，嵌入了激发光源、比色皿、滤光片和光电二极管。激发光源的光激发比色皿中的待测溶液发射出特定波长的荧光。荧光信号经窄带滤光片滤光后射入硅光电二极管接收窗口，被转换成微弱电流信号后输出，其电流大小与荧光强度成正比。

图2 样品检测模块俯视剖图

基于二甲氧基邻苯二甲醛与铵氮反应生成的荧光产物最大激发波长在379～382 nm，最大发射波长在482～486 nm以及便携式这些条件，选用单色性好、体积小、功耗低的LED作为激发光源[3]。选择LED需考虑2个因素：波长应尽可能接近荧光产物的最大激发波长，光强应尽可能强。经筛选和验证，选用TJ-LF5WVGYMC-AC型LED，其波长为390～400 nm，光强为150～300 mcd。选用S1226-8BK型硅光电二极管作为光电传感器。在比色皿和光电二极管之间放置BP485/9 K型窄带干涉滤光片，确保其只接收最大发射波长左右(476．5～493．5 nm)的荧光。比色池架为黑色，具备较高的硬度和质密性，用3D打印技术加工，不仅能放置比色皿，还能在壁上镶嵌LED、滤光片和光电二极管。使用Solidworks软件绘制的比色池架三维效果图如图3所示。

图3 比色池架三维效果图

为避免干扰，提高检测的准确度，制作过程中还需注意如下要点：

(1)选用2个LED相对放置，提高激发光强。

(2)在LED的光不进入硅光电二极管的前提下，LED尽可能地靠近比色皿，实现方法为将其固定于中空螺丝中，经比色池架壁上的圆孔旋入，这样既有很好的封闭性，也能灵活调整两者之间的距离。

(3)只让通过滤光片的光尽可能多地射入光电二极管，实现方法为在光电二极管外包裹黑色电胶布，掏出与感应窗口尺寸相同的方形洞，滤光片紧贴在光电二极管前，两者尽可能地靠近比色皿。

(4)滤光片和光电二极管垂直于LED放置，减少散射光进入光电二极管。

1．2．2 信号放大与压频转换模块、测频模块

信号放大与压频转换模块将弱电流信号转换为电压信号并放大滤波，再转换为频率信号输出。测频模块基于STM32[7]的定时器，结合D触发器实现对频率的等精度测量。两个模块的设计与实现详见本课题组前期的论文和专利[8-9]。

1．2．3 数据显示与存储模块

选用OLED为显示器，采用8080并口方式与STM32连接；还可将数据通过USB转串口传输至上位机显示。选择SD卡作为外部数据存储器，使用SPI模式驱动SD卡[10]。

1．2．4 电源模块

仪器需使用3．3 V，5 V和±15 V电压。本模块的设计思路是：当使用9 V电源适配器或碳性电池供电时，ASM1117-5芯片将9 V电压转换成5 V；当USB口与电脑连接进行调试或串口通信时，USB口供应5 V电压；ASM1117-3．3芯片将5 V电压换为3.3 V；MAX743芯片将5 V电压转换为±15 V[9]。

1．3 仪器的成型

为满足小型化和集成化要求，除样品检测模块外，其余模块均集成在一块PCB主板上。主板的尺寸为10 cm×10 cm，在满足仪器要求的同时，保证一定的扩展性。主板、样品检测模块、仪器外壳、电池及电源适配器组装后成为一台完整的便携式铵氮检测仪，仪器布局如图4所示，尺寸为200 mm×163 mm×90 mm。

2 试验验证

2．1 仪器的稳定性

通过基线稳定性和恒定信号稳定性考察仪器的稳定性。基线稳定性考察方法为：比色皿中不放置溶液，打开仪器，每分钟记录1次数据，持续记录一长段时间，得到仪器的基线。恒定信号稳定性考察方法为：外加一恒定光信号照射光电二极管，打开仪器，每1 min记录1次数据，持续记录一长段时间，得到仪器对恒定信号的响应。

(a)正视图

(b)顶视图图4 仪器布局图

图5、图6为荧光强度(IF)随时间变化图，可见，从仪器的基线和对恒定光信号的输出响应值来看，仪器在开机15 min后稳定，可持续稳定2 h以上，稳定时间可完全满足一般测定要求。

图5 仪器的基线稳定性

图6 仪器对恒定信号稳定性

2．2 仪器响应与通用仪器的比对

配置浓度为0 nmol/L、500 nmol/L、1 000nmol/L、2 000 nmol/L、4 000 nmol/L的铵氮荧光反应液，分别用通用仪器RF-5301PC荧光分光光度计和本仪器测定其荧光强度，得到如表1所示数据，两仪器测得的响应信号与铵氮浓度分别成显著线性相关。虽然两仪器测得荧光强度绝对值不同，但是如图7所示两者具有显著的线性相关性。用仪器分析样品时，一般先做工作曲线，根据工作曲线定量未知样的浓度。因此，荧光强度绝对值大小并不影响仪器的定量功能。本仪器的响应信号与通用仪器显著相关，说明本仪器可用于未知样中铵氮浓度的分析。

表1 本仪器与通用仪器测得荧光强度对比表

图7 本仪器测得荧光强度与通用仪器测得荧光强度关系图

此外，改变本仪器放大器的放大倍数，进行了3次试验，所得荧光强度与浓度之间的线性R2值分别达到了0．996 2、0．990 6、0．996 2，满足测定要求。综上可见，本仪器对0～4 000 nml/L的铵氮溶液具有很好的线性响应，达到了设计要求，可用于铵氮浓度分析，与通用仪器相比，不存在显著差异。

2．3 仪器的应用

在桂林花江和桂林电子科技大学花江校区景观湖采集实际水样，分别用本仪器和通用仪器测定其铵氮浓度。两者测得浓度值关系图如图8所示，本仪器与通用仪器测得浓度值之间的线性R2值为0．940，曲线斜率为1．253 4，说明本仪器测定结果与通用仪器测定结果无显著差异，可应用于实际水体中铵氮浓度的测定。

图8 本仪器测得浓度值与通用仪器测得浓度值关系图

3 结束语

基于荧光光谱法研制了便携式铵氮荧光检测仪。该仪器具有良好的基线稳定性和恒定信号响应稳定性，在开机15 min后稳定，可持续稳定2 h以上；铵氮浓度在0～4 000 nmol/L范围内时，本仪器测定结果与通用仪器测定结果有线性相关性；可应用于实际水体中铵氮浓度的测定，与通用仪器的测定结果无显著差异。该仪器的体积小，可用于现场分析，且检测时间短，可在现场对水体中的铵氮进行快速准确检测，具有良好的应用前景。

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[9] 曹毅成，梁英，胡鸿志，等．基于等精度测频的光信号检测装置：中国，201320376159．4 [P]．2013-12-25．

[10] 徐大诏，李正明，刘军．基于STM32的便携式矿用多气体检测仪的设计．仪表技术与传感器，2014(3)：14-16．

Design of Portable Fluorescence Analyzer of Ammonium

ZHENG Yun1，2，CAO Yi-cheng1，2，LIANG Ying1，2，HU Hong-zhi2，GUO Qing2，XU Rui1，2

(1．Shcool of Life and Environmental Sciences，Guilin University of Electronic Technology，Guilin 541004，China；2．School of Electronic Engineering and Automatization，Guilin University of Electronic Technology，Guilin 541004，China)

A portable fluorescence analyzer of ammonium was developed based on fluorescence analysis method．The analyzer was made of sample detection module，signal amplifying and voltage-frequency converting module，frequency measurement module，data displaying and memory module and power module．Both the baseline and response to a constant signal of the analyzer can maintain stable for 2 hours．The signals of ammonium solutions whose concentration were in the range of 0～4 000 nmol/L were separately detected by both the analyzer and a universal apparatus，and the results of the analyzer had a linear correlation with those of the universal apparatus．The analyzer is used to determine ammonium concentration in actual water samples，and the results have no significant differences with those of the universal apparatus．

portable；ammonium；fluorescence；LED；photodiode

胡坤(1989— )，在读硕士生，主要从事光电精密测量方面的研究。E-mail：304735127@qq．com 黎尧(1989—)，在读博士生，主要从事光电精密测量方面的研究。E-mail：hustliyao@hust．edu．cn

国家自然科学青年基金项目(41206077)

2014-07-30 收修改稿日期：2015-03-24

TP216

A

1002-1841(2015)06-0031-03