水中总磷小型自动化检测系统的关键技术研究

马灵威，孙楫舟，李 洋，佟建华，边 超，夏善红

(1.中国科学院电子学研究所，传感技术联合国家重点实验室，北京 100190；2.中国科学院大学，北京 100190)

0 引言

磷是动植物生长的必要元素之一，但是当水体中磷含量超标时，就会发生诸如赤潮、水华等水体富营养化事件[1]，为了及时控制和预防水体富营养化事件的发生，快速准确的总磷检测对于环境污染的预防和治理十分重要[2]。

目前市场上已有的总磷自动检测系统大多存在着依赖进口、设备体积大、价格昂贵、操作复杂等问题[3]。因此研制体积小、自动化程度高、操作简单的水质总磷检测系统对水环境污染的防治具有重要意义。水中总磷的检测一般分为2步：第一步是总磷的消解预处理，将水样中各种形式的磷转换成正磷酸盐的形式；第二步是磷酸根浓度的检测[4]。本文面向水质富营养化关键指标总磷的现场检测，研制了基于顺序注射分光光度法的水中总磷的小型自动化检测系统，系统可以实现自动进样、流动检测、数据分析等功能。总磷的消解采用了实验室研制的基于紫外热复合方法消解装置[5]。对于磷酸盐的检测，系统选取了基于朗伯比尔定律的钼酸铵分光光度法，它也是国家标准的总磷检测方法，具有较高的检测精度和准确度。对于自动化的进样，系统选用了顺序注射法来进行流路单元的设计，实现自动化的样品进样、试剂混合、流动检测等过程。此外，本文研究了温度对系统检测的影响。经测试，研制系统可以对国家地表水质量标准中规定的I-V类水中的总磷含量进行检测。

1 总磷检测原理

系统选用的检测方法是应用最为广泛的钼酸铵分光光度法[6]，其基本原理是：试样中的磷酸盐在酸性介质中，在锑盐存在的条件下，与钼酸铵反应生成磷钼杂多酸，该化合物立即被抗坏血酸还原成蓝色络合物，在660 nm波长的光源下测定相应的吸光度值，吸光度的测量满足朗伯比尔定律[7]。该定律是指当一束单色光透过被测溶液时，由于溶质分子对光的选择性吸收，在一定的吸收光程下，被测溶液对光的吸收定律满足式(1)。

(1)

式中：A为吸光度；I0为入射光强；I为出射光强；ε为摩尔吸光系数，对某一化合物在一定波长下是常数；b为被光穿透的液层的厚度，即吸收光程；C为吸光物质的浓度。

基于以上原理，当光源波长(660 nm)、被测物质(磷酸盐)以及吸收光程(20 mm)确定时，ε和b是常数，吸光度A与被测物质的浓度C成线性关系，测定系列标准浓度(C1，C2，…)的磷酸盐溶液的吸光度值(A1，A2，…)，通过线性拟合即可求出磷酸盐在660 nm波长下的标准工作曲线。水样的测量只需在相同的条件下测得响应的吸光度值，即可根据标准工作曲线计算出水样中磷的含量。

近年来，流动分析技术作为一种溶液自动化分析的方法被广泛应用于分析化学领域。对于磷酸盐的检测，V.Cerda 和 J.M.Estela[8]总结了各种适用于磷酸盐检测的流动分析方法，其中顺序注射法由于试剂消耗量低、易于控制、重复性好等特点，常被应用于小型自动化分析系统中。顺序注射法的核心装置由一个可以实现溶液抽吸注射泵和一个实现通道选择的多位阀组成。

2 系统设计

2.1 系统总体设计

根据总磷的检测原理，系统主要由4部分组成：基于紫外热复合方法的消解系统、基于顺序注射法的流路系统、基于分光光度法的光学系统和基于STM32微控制器的控制系统。消解单元对总磷水样进行消解，流路单元结合控制单元实现水样的自动混合，检测单元结合控制单元实现磷酸盐浓度的自动检测。系统框图如图1所示。

图1 总磷自动检测系统框图

2.2 消解单元

消解单元选用的是本实验室研制的小型消解装置，示意图如图2所示，由消解管、紫外灯、电热片和热电偶组成。该装置是基于紫外热复合的消解方法，选取高透紫外光特性的螺旋石英管作为消解管，通过柔性电热片对消解管内部水样进行加热，采用热电偶进行实时温度监测，当温度达到80 ℃时，开启紫外灯，对水样进行消解，消解30 min。

2.3 流路单元

流路单元由工业级精密注射泵、10通道的多位阀和配套的管路组成，示意图如图3所示。与平衡态的化学反应不同，利用顺序注射法在狭窄管路中发生的化学反应是非平衡态的[9]。在检测之前，需要对系统中的管路进行预处理，需要将管路中的空气排空，将定量环和检测池的相应管路中充满载液(去离子水)，其余管路中应充满对应液体。检测时，多位阀和注射泵顺序将105 μL钼酸铵、75 μL磷酸盐试样、105 μL抗坏血酸连续抽取到2 mL定量环中，试样带在载流的携带下在管路中连续流动，发生层流和扩散效应，使各溶液间发生交叠，进而发生反应。随后使试样带在定量环处静置40 s并且将其流向连续反转2次，以增加展宽和扩散效应。然后将试样带连续推送到检测池进行吸光值的检测，本系统中检测池的光路出口连接光学检测单元光电转换模块，将光强信号转换成光电压值进行表征，因此检测到的信号是一个连续变化的电压信号。在这一流动检测过程中，由于反应是非平衡态的，钼酸铵、磷酸盐形成的杂多酸部分被抗坏血酸还原成蓝色络合物，但是由于顺序注射法是高度时机重现的，即反应时间、溶液量都是精确控制和严格一致的，这就使得反应过程中每个样品中被还原的杂多酸的百分比总是相同的。

图3 流路单元系统示意图

每个水样的测试过程都需要将75 μL的磷酸盐试样替换为75 μL的去离子水进行基线的检测。将磷酸盐检测的光电压曲线与基线作差，得到的峰差曲线的峰值与试样中磷酸盐的浓度成比例关系。

2.4 光学检测单元

光学检测单元由LED驱动器、660 nm波长光源、流通检测池和光电检测模块组成，各器件之间由光纤耦合。该检测单元具有光路简单、易于维护、体积小等特点。光电检测模块基于单片二极管放大器OPT101进行设计，实现将光强信号转换为电压信号的功能。影响该模块输出信号大小的因素有光源强度、光源距芯片感光单元的垂直距离以及角度，为了准确测量，设计了相应的电路板夹具对模块进行固定，以确保距离和角度的一致性。光电探测器的输出信号交由A/D检测模块进行数据采集。A/D转换模块选用的AD7790进行设计，该芯片是低功耗低噪声的16位模数转换器，最高采样频率为120 Hz，适合对低频信号进行检测。参考电压为2.5 V，因此电压的分辨率为0.076 mV。

2.5 控制单元

控制单元采用STM32F407作为主控芯片。搭载 μC/OS-III嵌入式实时操作系统对系统进行控制。外围驱动设计包括注射泵和多位阀驱动电路、温度测控单元、紫外灯驱动电路、液晶屏驱动电路等。控制单元主要从软硬件上实现对其他3个单元的驱动和控制，对数据进行处理。

3 结果与讨论

3.1 光电探测器的性能测试

光电探测器是光学检测系统的核心模块，其检测的准确性和稳定性直接影响磷酸盐的检测结果。因此分别采用设计的光电检测电路和光电流放大器对相同光源强度的信号进行检测，将光学检测模块输出的光电压值进行处理后得到相应的光电流值，对比实验结果如图4所示，从实验结果可以看出，光电压检测电路具有较大的输出响应，并且与商用光电检测仪器之间具有较好的一致性。

图4 光电探测器与商用检测器结果比较

3.2 温度对系统检测的影响

由于光学部分的检测过程受温度影响较大，本文重点研究了温度对顺序注射-分光光度法的影响，通过水浴加热控制定量环处的温度从25 ℃变化至65 ℃，在不同温度下分别测量0.5 mg/L磷酸盐对应的光电压曲线的峰值信号，实验结果如图5所示。实验结果表明，在25～59 ℃温度范围内，随着温度增加，输出信号随之增大；59 ℃之后随之减小；当温度到达65 ℃时，光电压曲线产生了畸变，无法实现对磷酸盐的测量。根据实验结果分析认为反应部分定量环的环境温度应控制在59 ℃以下。

图5 峰值信号随温度变化情况

3.3 重复性与标准曲线

配制系列标准浓度的磷酸盐溶液(0.05、0.01、0.25、0.5、1.0 mg/L)，用研制系统分别测量相应的光电压峰值信号，结果如图6所示，从结果可以看出，在660 nm波长的光源下，系统的输出信号与磷酸盐的浓度成良好的线性关系[灵敏度为0.850 2 V/(mg·L-1)，R2=0.999 9]，检测下限为0.014 mg/L。使用研制系统对磷酸盐浓度为0.5 mg/L的溶液在不同时间进行5次峰电压值的测量，测量结果如表1所示，从表1可以看出，系统具有较好的重复性，多次测量的相对偏差不超过6%。

图6 磷酸盐检测标准工作曲线

序号0.5 mg/L磷酸盐的测量值相对偏差/%10.498-0.420.493-1.430.471-5.840.519+3.850.470-6.0

4 结论

本文基于钼酸铵分光光度法，设计了基于朗伯比尔定律的总磷光学检测系统，实现了对磷酸盐溶液的准确检测；基于顺序注射法，设计了重复性好、试剂消耗量少的流路控制系统，可以实现溶液的自动进样和流动检测。研究了温度对光学检测系统的影响，对日后应用于在线监测具有参考意义。最后，对系统进行了曲线标定和重复性测量的实验，实验结果表明，研制的总磷自动化检测系统具有良好的线性和重复性，并且具有体积小、操作简单、试剂消耗量少的优点，对总磷的在线监测具有重要意义。