基于光度法的高精度海水pH值测量系统

曹璐　王小红　张云燕　王昭玉　褚东志　马然

摘要基于光度法的海水pH值自动测量系统测定速度快，精密度高，是海洋酸化和碳循环研究急需的测量装置。本研究以光度法和流动注射分析技术为基础，通过整合泵阀流路体系、LED光源、流通池和光谱仪，研发了海水pH值自动测量系统。本系统在分析过程中不易产生气泡，利用指示剂在样品中的浓度变化校正指示剂的加入带来的测量偏差，操作简单方便，测量一个样品用时约为1.5min，精密度为0.0013，准确度为0.0059，可在实验室或调查船中对所采集的海水快速地进行高精度pH值测量。

关键词光度法； 海水； pH值； 流动注射分析； 间甲酚紫

1引言

pH值是衡量海水酸碱状态的重要参数。过多的CO2溶解已引起了海洋酸化，导致了溶解无机碳的增加和碳酸钙饱和度的降低[1，2]，海水表层的pH值平均每年下降约0.002[3]。海洋酸化和海洋碳酸盐体系的改变会使依赖于化学环境稳定性的多种海洋生物面临威胁，并对海洋生态环境产生显著影响[4，5]。

观测海水表层pH值的年度变化，pH值的测量精密度需优于0.002[6]。pH值、溶解无机碳（DIC）、碱度（TA）和二氧化碳分压（PCO2）是海洋碳酸盐体系的4个基本参数，研究海洋酸化和碳循环，需要准确定量碳酸盐体系，这也对海水pH值的测量精度提出了更高的要求[7]。光度法测量精度高，已逐渐成为测量海水pH值的标准方法。目前，对于海洋酸化和碳循环的研究普遍采用光度法对海水pH值进行测量[2，8，9]。

基于海洋酸化和碳循环等研究的迫切需要，研究者已对基于光度法的海水pH值原位传感器技术[10～13]和船载分析体系[14～17]展开了研究，所研究的测量系统精密度普遍低于0.002，准确度范围为0.002～0.008。本研究以光度法和流动注射分析技术为基础，建立了船载式海水pH值自动测量系统。流路由简单的泵阀体系和流通池组成，光路由LED光源、光纤和光谱仪组成，并采用嵌入式技术实现体系的自动控制。与其它船载分析体系相比，本装置在流路中采用定制的石英管状流通池，既不易产生气泡，又可以连接水浴保持恒温， 利用指示剂被海水稀释的过程进行指示剂干扰校正，操作简单方便，可对每次测量进行实时校正，提高了校正的准确性。本测量体系可在实验室或调查船中对所采集的海水进行pH值测量，具有测量速度快、精密度高、准确性好的特点。

2实验部分

2.1实验原理

光度法利用酸碱指示剂的二级解离平衡反应测定海水pH值，计算公式为：

2.2实验装置

本实验采用自主搭建的高精度海水pH值测量系统装置，如图1所示。流路包括蠕动泵 （卡默尔流体科技有限公司）、脉冲泵（百柯流体科技有限公司）、两位三通阀（百柯流体科技有限公司）、流体管路（聚四氟乙烯，内径1 mm）带有水浴套管的流通池（石英，流通池内径5 mm，长度3 cm，套管内径15 mm），其中海水进样管路与三通阀的常开端（Normally open， NO）连接，指示剂管路与三通阀的常闭端（Normally closed， NC）相连，水浴套管与恒温水浴相连；光路包括LED白光光源、光纤和光谱仪（QE6500，Ocean Optics）；电路控制系统采用ARM嵌入式芯片STM32F103核心板作为主控单元，控制全部泵阀的时序操作；海水样品和流通池利用恒温水浴（Julabo）保持恒温。

配制浓度为1 mmol/kg的间甲酚紫钠盐（SigmaAldrich）溶液，加入NaCl使其浓度达到0.7 mol/kg（离子强度为0.7）。

2.3实验流程

测量开始前，利用恒温水浴将海水样品以及流通池保持25℃恒温；LED灯开启预热约10 min； 打开光谱仪，积分时间设置为10 ms， 扣除暗光谱基线。

测量时，首先三通阀处于常开状态，开启蠕动泵，流速约为8 mL/min，海水样品进入管路和流通池，多余的样品自废液口流出，光谱仪记录光强谱线作为空白海水光强（I0）；三通阀常闭端打开，常开端关闭，注射泵脉冲一次将20 μL指示剂泵入流路中后，三通阀处于常开状态，开启蠕动泵，海水推动指示剂在管路和流通池内流动混合，连接两位三通阀和流通池的管路呈螺旋状以便于两者的混合，光谱仪测量混合溶液光强（I）并计算434， 487.6和578 nm吸光度A434， A487.6和A578（A=-lg（I/I0））。测量过程用时约1.5 min。

将混合过程中测得的一系列吸光度數据代入公式（2）， （3）和（4）中，结合温度、盐度计算pH值。本实验利用指示剂稀释过程中间甲酚紫浓度和混合溶液pH值的变化推算海水pH值。将吸光度值在0.3～0.7之间的A487.6和pH值进行线性拟合，487.6 nm为间甲酚紫酸态和碱态的等吸收波长，可以指示间甲酚紫浓度，A487.6=0时的pH值即为间甲酚紫浓度=0时的海水pH值。

本系统测量得到的是25℃下海水pH值，结合碳酸盐体系参数的互算关系，可以获得采样时现场温度下的海水pH值[2，16，17]。

3结果与讨论

3.1实验装置优化

3.1.1光源光源为LED白光灯，通过测量434， 487.6和578 nm波长的吸光度计算pH值。光度法手工测量海水pH值的方法[18]中同时测定了指示剂不吸收波长730 nm的吸光度，用于校正流通池位置变化引起的测量误差。在本测量系统中光源稳定，由光强波动引起的吸光度误差在0.001范围内，并且流通池的位置固定，因此无需测量730 nm波长处的吸光度。

3.1.2流通池常用的流通池有“Z”型流通池[10]以及石英管状流通池[15，17]。本装置前期使用了光程2 cm的“Z”型流通池，该类型流通池流路管径较小，在实验中发现流路转角处易积存气泡，从而导致吸光度误差较大。因而本装置采用定制石英管状流通池，流路内径为5 mm，在海水流动过程中不易产生气泡。流通池长度为3 cm，海水推动指示剂在流通池内混合，指示剂注入管路后，434， 487.6和578 nm波长处吸光度的变化如图2所示。流通池外有水浴套管连接循环水浴，可保持流通池内海水样品恒温。

3.1.3光譜仪

光谱仪输入信号通过16位的A/D进行转换，波长测量范围为200～980 nm，狭缝为10 μm。指示剂摩尔吸收系数比值（ei）与测量体系有关。文献中报道的ei值是由分辨率小于2 nm的台式分光光度计测量得出，本实验的光谱仪选择10 μm狭缝，波长分辨率为1 nm，确保摩尔吸收系数比值数据引用的准确性。

光谱仪积分时间为8 ms～15 min，为了精确记录海水和指示剂混合过程中吸光度变化，积分时间设为10 ms。

3.1.4指示剂干扰校正常用的方法是首先进行指示剂干扰校正实验，即选取一系列不同pH值的海水，通过再次加入指示剂的方法得出吸光度比值R的校正公式，在实际测量中利用R的校正公式得出海水pH值， 手工法和一些自动测量系统均使用该方法[17，18]。但是这种方法过程复杂，并且重新配制指示剂时，还需要再次进行实验得到与之匹配的校正公式。

利用指示剂稀释时的浓度变化校正指示剂干扰，最早应用于SAMI传感器[10]，该方法很大程度上简化了工作程序，提高了校正的准确性，本装置针对所搭建的测量系统对校正方法做了改进。在实验中发现，过大或过小的吸光度值都会影响测量的准确性，因此在本装置中利用0.3～0.7的A487.6值与pH值进行线性拟合。由于该测量体系在每次pH值测量时均进行指示剂干扰校正，因此对指示剂的浓度和pH值精度要求不高。实验证明，利用pH=7.4和pH=7.7的指示剂在该测量装置中测定统一海水样品，结果仅相差0.0012。

3.1.5指示剂浓度

由于计算公式中R为吸光度比值，因此海水pH值的大小并不取决于指示剂浓度，经过校正后计算得出的pH值与指示剂浓度无关。在吸光度测量过程中，A487.6吸光度峰值高于0.8，A578的吸光度可达到1.5，过高的吸光度可能会影响pH值和指示剂浓度的线性关系，因此1 mmol/kg的指示剂浓度较为适合，指示剂浓度不宜过大。

3.2精密度与准确度

3.2.1精密度取青岛栈桥附近海水样品进行pH值测量。在指示剂不断被稀释吸光度减小的过程中，将 A487.6值与计算得出的pH值做线性回归（图3），图3中所示海水样品的pH=7.939。光度法测量海水pH值的精密度用标准偏差（SD）表示，多次测量该海水样品，精密度为0.0013（n=14）。

计算残差ΔpH值，即指示剂稀释过程中pH值相对于线性拟合后pH值的差值（图4），ΔpH值在-0.003～0.003范围内，大部分处于-0.002～0.002之间。

采集了青岛沙子口、石老人、中苑码头附近海水，所测得pH值分别为8.031，7.926和7.985，测量精密度均可达到约0.001的水平。

3.2.2准确度

光度法测定的海水pH值为总氢离子标度。以A. Dickson（斯克里普斯海洋研究所）提供的基于总氢离子刻度的Tris缓冲溶液（BATCH #T27）作为标准物质，检验本方法的测量准确度，该Tris缓冲溶液的pH值的偏差在0.002以内，在25℃时pH=8.0935。利用本实验装置测量Tris缓冲溶液，所测结果与标准值的偏差为+0.0059。

本实验采用的是未经提纯的间甲酚紫指示剂。有研究表明，未经提纯的不同品牌或不同批次的间甲酚紫指示剂存在系统误差，会导致pH值测量偏差高达0.01[19]。对指示剂进行纯化可以消除该误差，目前已有文献报道了指示剂的纯化研究工作，并对指示剂的相关参数做了重新测定[20～22]。使用纯化后的指示剂是光度法测量海水pH值的趋势。

4结 论

相对于手工方法，本系统的测量环境较为封闭，测量速度快，无需另外进行指示剂校正的实验，并且有较高的精密度和准确度，适合于在实验室和调查船中对批量海水进行测量，可为基于光度法的高精度海水pH值传感器的研制提供理论依据和技术支持。

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AbstractSpectrophotometric seawater pH measurement system is an urgent need of device due to its quick speed and high precision. Based on spectrophotometric method and flow injection analysis technique， an automated system for pH measurement of seawater was developed by integrating pump and valve flow path， LED light source， flow cell and spectrophotometer. This measurement system effectively avoided bubbles. The indicator of concentration gradient in the seawater sample was used to correct for the pH perturbation caused by the indicator， thus the operation of system was simple and convenient. With this system， only 1.5 min was needed for a sample measurement with a precision of 0.0013 pH units and an offset of 0.0059 pH units. This system could be used for the rapid determination of pH of seawater collected by laboratory or research ship with high precision pH values.

KeywordsSpectrophotometry； Seawater； pH value； Flow injection analysis； mCresol purple