原位营养盐在线分析技术综述

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(1.天津大学 环境科学与工程学院，天津 300072; 2.天津大学 环境科学与工程学院海洋生态环境研究中心，天津 300072; 3.深圳市朗诚科技股份有限公司，深圳 518029)

1 研究背景

营养盐是海水中氮磷硅类营养元素的总称，是海洋浮游植物生长所必需的基础物质。适量营养盐可促进生物的生长繁殖，过量则会诱发赤潮、绿潮等富营养化现象，严重危害海洋生态环境。此外，不同的营养盐也可显著影响海洋初级生产力和海洋生态系统结构[1]。因此，监测海水中营养盐的时空分布和动态变化，对控制海洋水体富营养化，预防海洋灾害，保护海洋生态环境等具有重要意义。由于传统的营养盐检测方法难以实现连续实时监测，故需要一种高度自动化的现场实时监测方法替代，原位营养盐在线分析技术便应运而生且得到蓬勃发展。

2 技术介绍

原位营养盐在线分析技术涵盖间断微量取样、湿化学分析、流动分析、光谱比色、PLC微机控制和网络通信等多种技术。其分析仪器高度集成化，可实现营养盐的实时原位监测，获取极具代表性且准确可靠的海水水质监测数据。该技术可概括为三个主要方面：湿化学分析技术、流动分析技术以及自动化控制和通信技术。

2.1 湿化学分析技术

目前，原位营养盐在线分析技术中应用较为成熟的化学分析方法主要为湿化学光度法和荧光分析法。湿化学光度法具有方法简单、检测灵敏、准确度高、再现性强等优点。但同时也存在化学试剂在野外环境存放容易变质，化学反应易受海水基底质干扰等问题。所以需进一步改进试剂保存方法，优化化学检测方法。目前，海水营养盐分析仪器检测5类营养盐的主要湿化学光度法[2]如表1。

表1 海水营养盐分析仪的主要检测方法及性能

其中，将硝酸盐还原为亚硝酸盐的方法除了表中提到的镉柱还原法，还有UV还原法、氯化钒还原法。在海水的实际检测中，UV还原法易受到水中其他离子干扰；氯化钒试剂极易被氧化变质而失去还原性。这两种方法的稳定性和还原率都不如镉柱法高，遂逐渐被淘汰。

原位营养盐分析仪器以液体流动方式进样分析故多采用流通池比色法，使用同一套比色装置，检测结果重复性高。通过确定合理的清洗次数可有效降低交叉污染造成的影响，且该方法的仪器适应性高、应用广泛。郭翠莲等[3]研制的海水五参数原位营养盐分析仪以光程为 20 mm 的“U型”光度流通比色皿测量营养盐的吸光度，溶液自下而上被压入检测仓，可有效消除气泡对检测的影响。在对流通池比色技术的改进方面，不少学者将液芯波导引入流动分析技术中。液芯波导( Liquid core waveguide，LCW) 能够约束检测器发射的光线在具有较高折射率的液相中传输[4]，降低光损耗，增加有效光程，从而提高仪器比色分析的灵敏度和精度[5]。Amornthammarong等[6]利用顺序注射分析技术(SIA)和2m长液芯波导对低浓度硅酸盐进行检测，检测限达0.1μM/L、检测量程为0.1～10μM/L。李彩等[7]结合流动注射分析技术(FIA)和5m长液芯波导设计了测量海水中极低浓度营养盐的在线分析仪，检测速度达到40个样品/h，检测限低至1.3μg/L，相对标准偏差(RSD)为1.2%。杨泽明[8]基于SIA技术研制的便携式海水营养盐分析仪基于“Z型”液芯波导样品池检测试样，可显著提高亚硝酸盐的分析效率，检测时间从10min缩减至近1min。

原位营养盐在线分析技术中另一重要的湿化学分析方法——荧光分析法，其检出限低，灵敏度高。Masserini Jr等[9]利用反向流动注射技术(rFIA)结合荧光法测定海水中铵盐的含量，检出限低至1×10-3μmol/L。但在实际检测中，能在紫外线照射下直接发射荧光的化学物质并不多，因此多采用间接荧光法，即先用有机试剂与被测定物质结合成络合物，再根据该络合物在紫外线照射下发出的荧光强度换算出待测物质含量。早在1971年，Roth[10]发现邻苯二甲醛(OPA)、巯基乙醇或硼化氢还原试剂和氨或伯胺的三元反应能生成一种异吲哚取代衍生物。该衍生物能发射出较强的荧光，根据该反应可快速检测出水样中氨氮的含量。国内学者郭翠莲等[3]研制的海水五参数原位营养盐分析仪，即是以OPA荧光法(激发波长365nm，发射波长400～480nm)测定海水中氨氮含量，检出限达1.79μg/L，线性范围为10～500μg/L。目前，OPA荧光法已被广泛用于原位营养盐监测仪器中，意大利Systea公司研发的WIZ probe营养盐在线分析仪、厦门吉龙德公司研制的KLD-C Probe 原位营养盐水质分析仪和斯坦道公司研制的OSTD-NutriS原位营养盐自动分析仪等仪器都采用OPA法检测氨氮含量。

此外，在其他光谱分析技术方面，Sakamoto 等[11]利用光谱反卷积技术[12]研制出了水下硝酸盐分析仪Deep SUNA。该仪器无需化学试剂，配备改进的光学系统和内置的智能采样调节系统，可在高浊度、高CDOM(有色溶解有机物)等特殊环境下测量分析，有效消除海水中基底质的检测干扰。

2.2 流动分析技术

流动分析是借助物质流动对试样进行分离和测定的方法[13]，是原位营养盐在线分析技术的“血液”。其发展先后经历了空气间隔式连续流动分析(SCFA)、流动注射分析(FIA)和顺序注射分析(SIA)等主要过程。

1957年，Skeggs[14]首创空气间隔式连续流动分析(SCFA)技术(图2)，通过在管路中通入空气，借助其流动作用使样品和试剂产生混合、分离的效果，反应达到化学平衡状态后再由检测器检测。该技术的问世标志着样品分析从手动操作向自动分析的转变。

图2 空气间隔式连续流动分析(SCFA)示意图

1975年Ruzicka 和Hansen[15]以单通道蠕动泵结合一个注射阀进样的方式设计了流动注射分析(FIA)模型(图3)，首次提出流动注射分析的概念并将该技术应用于海水中磷酸盐含量的检测[16]，检测速率可达280个样品/h。届时，流动注射分析成为湿化学自动分析技术的重大突破，为后来发展原位营养盐在线分析技术奠定了重要基础。

图3 流动注射分析(FIA)示意图

1989年，顺序注射分析(SIA)技术诞生[17](图4)。SIA技术分别以多通道选择阀替代FIA技术中的注射阀，用注射泵替代蠕动泵。相较于FIA技术，SIA进样管路简明通用，结构更加集成化，分析参数灵活可控，可多参数同步分析。

图4 顺序注射分析(SIA)示意图

目前，原位营养盐在线分析仪器多采用顺序注射方式完成自动进样。由注射泵提供液体流动的驱动力，经控制阀控制流路管道的接入，分别在反应管混合反应、流通池内比色检测。完成一个营养盐参数测量后，管路再由清洗系统自动清洗，然后执行下一个参数的测量，整个过程可自动化连续测量。此类分析仪器所选用的控制阀主要分为旋转阀和固定多通阀两种。

旋转阀的作用是确保流路中仅有一个指定通道接入，其他通道保持关闭状态，以使所需的试样能够按照设定好的顺序准确地输送至指定管路[18]。美国Green Eyes公司研制的EcoLABII多通道水下原位营养盐分析仪以八通道旋转阀控制不同试样的接入。旋转阀始终保持只有一个通道处于打开状态，其余通道均处于关闭状态，以此控制仪器准确进样分析。

固定多通阀与旋转阀功用相同只是在控制方式上略有差异。固定多通阀通过各个独立的小型阀门控制器控制对应的阀门开闭调节流路的通断。深圳朗诚科技公司研制的μ Chem NIA2000原位营养盐分析仪将十六通阀和微量注塞泵有效结合，以实现试样的高精度取样，取样精度达0.10μL，保证了检测的精准度和仪器的灵敏度。

此外，在进样泵的选取方面，也有以蠕动泵驱动进样的原位营养盐分析仪。郭翠莲等[3]采用微量蠕动泵将试样泵入微型环路，自动完成光学检测并获得原位数据。同样可实现营养盐的原位实时检测。

2.3 自动化控制和通信技术

原位营养盐在线分析仪器的自动化控制技术主要包括PLC和软件控制技术。

PLC(Programmable Logic Controller)可编程逻辑控制器主要由电源、CPU、存储器、输入输出接口电路、功能模块、通信模块等6部分组成。原位营养盐分析仪通过PLC和操作软件实现仪器的进样、分析、检测、数据处理、实时存储及传输等过程。其中操作软件主要用于程序更新、远程监控、指令设置和数据查询。美国Green Eyes公司研制的Micro LAB原位营养盐分析仪安装的Nutrient DATA软件，通过“monitor mode”模式和“research mode”模式可对仪器进行命令编程、测试分析、数据提取及存储处理等操作，可控程度高。

仪器的通信技术方面，原位营养盐在线分析仪长时间现场监测海水时，通常搭载在浮台上作业，由浮台上的北斗卫星通信模块或GPRS无线通信模块实现远程通信。目前，此类分析仪器在通信模式上主要采用串口RS232或RS485通信协议与浮台上的数据采集器连接，再通过GPRS、GSM等移动通信或北斗卫星通信系统进行数据的远程传输，从而实时获取水质检测数据。

德国SubCtech公司研制的Marine SYSTEA水下原位营养盐分析仪可使用无线电、GSM、SMS、Argos卫星通讯系统等多种通信模式进行数据远程自动传输。国内早期的现场分析仪器主要依靠串口通信或蓝牙[19]通信。此类通信模式传输距离短、通信效率低。后来借助北斗卫星或GPRS无线通信才实现仪器监测数据的远距离传输。董玉明[20]等基于3G无线通信模块和定量模块对营养盐在线分析技术进行改进，所采用的3G无线通信可供大容量数据和命令信息交换，实现远程操作下载最新程序包和算法，保证仪器长期正常运行。

5G通信技术的出现为许多与无线通信相关的领域带来了技术升级的机会。在5G技术更加成熟后，便可将其引入原位营养盐在线分析技术中，装载在仪器的通信模块，以此提高仪器的通信质量和效率。

3 仪器研制现状

仪器作为技术的载体，其性能高低反映出技术的优劣。原位营养盐在线分析仪器集多项先进技术于一体，保证了其监测过程的高度自动化、智能化；检测结果真实可靠，具有代表性。通过研究仪器的生产现状，对比不同仪器的性能特点，能够更好的改进技术，实现突破。

3.1 国外现状

国外发达国家在营养盐分析技术的研究方面起步较早，仪器研制也处于领先水平。通过学习其先进技术，取长补短。本文选取德国SubCtech公司的Marine SYSTEA水下原位营养盐分析仪、美国Envirotech公司的NAS-3X和Micro LAB两款原位营养盐分析仪以及意大利Systea公司的WIZ probe野外营养盐在线分析仪予以具体分析。

德国SubCtech公司的Marine SYSTEA水下原位营养盐分析仪采用环流分析(LFA)技术，以泵阀控制系统驱动水样和试剂的进出，配备两个射线光度计进行吸光度检测，最多可检测5种营养盐的4个参数组合。仪器具有以下特点：

·试剂消耗量低，每次只需100μL；

·具有自动预过滤水样和废水处理功能；

·试剂保存时间长，试剂可放入仪器内部贮存器冷藏或外部压缩制冷保存；

·使用SmartDITM数据系统智能控制仪器测量同时显示仪器采集到的有效数据；

·强大的数据存储功能，可存储超过5年不间断测量所得的数据；

·电耗低，待机状态4 W，工作状态约10 W。

美国Envirotech公司基于SIA 技术研发的NAS-3X原位营养盐分析仪采用注射泵结合新型旋转阀进样，反应后的产物被注入测量荧光或光束衰减的检测器中检测。该仪器在无人值守模式下可连续检测约3个月。作为NAS-3X的升级版，MicroLAB紧凑型原位营养盐分析仪集成更高分辨率和更低噪声的检测电子器件，能够显著提高仪器的检测准确度。比起NAS-3X，MicroLAB有着更大的测量范围和更高的精密度。

意大利Systea公司的WIZ probe野外营养盐在线分析仪使用先进的分析探针技术：1.5mL的微环流反应装置(μLFR)可大大缩减试样用量，每次仅消耗30～60μL试剂。仪器配备光纤式比色探测器和新型荧光计，检测灵敏度高，抗干扰能力强。在自校准方面，仪器依靠试剂筒内存放的浓缩标准液可自行完成校准。而关于仪器的软件控制和通信模块，WIZ probe所用的控制面板软件(Wiz Control Panel，WCP)通过RS232串行端口与设备外部接口相连即可实现现场全功能操控。在附加GSM装置后，WCP还可进行远程操控。

3.2 国内现状

国内在营养盐分析仪研制起步较晚，主要是学习借鉴国外的先进技术并在其基础上自主研发改进。

早期，国家海洋技术中心在“863计划”支持下，基于顺序注射光度法研制了由单片机控制，可自动采样、计量，完成各种试剂的添加和吸光度测量的自动分析仪。该分析仪适用于浮标平台作业，可检测硝酸盐、亚硝酸盐、磷酸盐。测量数据经处理存储后通过串口传输至计算机[21]。此后，杜军兰等[18]又研制了适于海洋水下系留缆中作业的营养盐自动分析仪，并实现了对营养盐五参数的测量。通过综合考虑5类营养盐的化学反应特点和光学检测条件，分别将反应原理相近的硅酸盐和磷酸盐检测装置、亚硝酸盐和硝酸盐检测装置两两合并，最终简化为3套装置，改进后的仪器体积明显缩小，能耗降低，检测更加高效。

厦门斯坦道公司研制的OSTD-NutriS原位营养盐自动分析仪采用分光光度法和荧光法分析亚硝酸盐、硝酸盐、磷酸盐、氨氮四参数。仪器模块化设计，体积小，携带方便。仪器具备如下功能：远程自动校准功能，保证数据的准确性；自诊断功能，在断电重启、试剂缺乏、漏液等异常状态时，自动发送报警信息；数据存储备份功能，异常情况下数据不丢失。此外，仪器还自带废液回收装置，防止检测过程中产生二次污染。

深圳朗诚(Lightsun)科技公司研制的 μ Chem NIA2000原位营养盐分析仪基于顺序注射技术，创新地融合柱塞泵精准取样；十六通阀控制流路；定量分配系统微流控技术；流通池比色技术等多项重要技术于一体。可实时原位监测多种水体中的氮磷物质及其他离子含量。该仪器具有以下优点：

(1)高线性度；采用多通道LED复合光源，耦合效率高、光学准直性能好；

(2)高精度定量；取样精度达0.1μL，能有效保障数据的精度；

(3)高可靠性；仪器测量稳定、废液量小、维护间隔时间长，适于野外环境长期监测；

(4)适应性强；可根据样品浓度随时调整样品量、试剂量、反应条件等参数；

(5)功耗低；工作状态8W，待机状态1.2W；

(6)仪器配备废液回收装置，实现检测过程“零污染”。

4 技术展望

原位营养盐在线分析技术自流动分析技术问世起经历了多次技术变革，日趋成熟，在海洋环境监测和生态保护方面发挥着重要作用。但现阶段国内原位营养盐分析仪器内部以及监测过程中受外部环境的影响仍存在不少问题，亟待解决。如：仪器环境适应性差、水样预处理装置不完备、化学试剂难长时间稳定保存、仪器检测精度和灵敏度有待进一步提高、程序控制和网络通讯欠稳定、仪器供电问题等等。本文针对部分问题提出相关改进建议。

(1)提高仪器的环境适应性

主要是提高仪器的防震和营养盐检测过程中减弱或消除海水基底质干扰等能力。防震方面，可通过改进仪器的机械构造或设计特殊连接方式缓冲仪器与所搭载浮台或外来物体之间的碰撞；抗海水基底质干扰方面，可使用人工海水或待检测水域的海水作为空白校正液进行仪器校正和调试工作，或者采用改进的不需化学试剂的电导法和光谱反卷积法。

(2)优化水样预处理装置

目前，原位营养盐在线分析仪器的取水器多采用过滤棉和多目网(常用800目)过滤水样，进行预处理。但受近海水浊度和微生物影响，简易的过滤器15天左右便会失去过滤功能，严重影响仪器测定的准确性和使用寿命。因此必须优化水样预处理装置。在此方面，褚东志等[22]开发的反冲式营养盐在线过滤系统值得参考。该系统采用微孔陶瓷滤芯作为二级过滤元件，过滤系统工作一段时间后，定期用过滤后的海水自动冲洗微孔陶瓷滤芯，去除其表面堆积的滤饼层，保证系统良好的过滤效果，且经其过滤后的水样不影响待测海水营养盐的化学分布形态和浓度。

(3)延长试剂的稳定保存时间

原位营养盐分析仪器中装载的试剂受野外环境影响特别是夏季高温影响，极易导致变质，从而引起仪器较大的检测误差。为了延长试剂的稳定保存时间，可借鉴德国SubCtech公司Marine SYSTEA仪器的试剂冷藏方法，将试剂放入仪器内部可冷藏的贮存器，或外部提供压缩制冷条件下保存。

(4)降低仪器电耗

仪器野外工作主要由浮台上的蓄电池或太阳能板供电，但浮台上可装载的电池有限，太阳能板供电能力又受天气限制，因此可以考虑从仪器方面改进。比如采用微波消解法或者联合消解法缩短消解加热时间，实现仪器检测的高效低耗。另外，可进一步提高仪器流路的集成度，减少试剂和样品的用量或通过改进检测营养盐的化学方法，缩短反应时间，降低电耗以延长仪器野外作业时间。

上述各类问题的解决将更加有效地推进原位营养盐在线分析技术的发展。