基于颜色检测的亚硝酸盐传感器设计

李新民 罗学科,2* 李 文 陈梦凡

(1.北方工业大学 机械与材料工程学院，北京 100144；2.北京印刷学院 机电工程学院,北京 102600)

引 言

亚硝酸盐作为环境污染物的一种，遍布在自然界的地表水和地下水中,严重影响着人类生活[1]。在国家环保政策的倡导下，饮用水和食品安全越来越受到人们的重视。亚硝酸盐属于一类无机化合物，微量的亚硝酸盐化合物也可能会引发食物中毒，食入0.3～0.5 g的亚硝酸盐，严重者可能致死。因此，严格控制亚硝酸盐在生活用水和食品中的含量是食品卫生监督部门工作的重要内容，也是必须引起消费者重视的食品安全问题[2]。

针对亚硝酸盐现有多种检测方法，包括吸光光度法、紫外分光光度法、荧光法、色谱法、电化学法等，其中吸光光度法分为盐酸萘乙二胺分光光度法和酚二磺酸分光光度法[3]，经典的分光光度法仪器操作简单，具有一定的实用性且价格低廉。赵萍等[4]采用在线镉柱还原-流动注射分析法对硝酸盐和亚硝酸盐进行监测，方法便捷，检测精度高，能够同时检测水中的亚硝酸盐和硝酸盐；方力等[5]提出了用均匀设计法检测水中的硝酸盐和亚硝酸盐，其操作简单，适用于饮用水的检测。荧光法发展还不完善，且检测费用相对较高。杨喜民等[6]建立了荧光分光光度法来测定血液中的硝酸盐浓度，但检测精度比较低。色谱法发展时间较长，其特点是快速、简便、准确且灵敏度高[1]，但检测仪器比较昂贵。电化学法包括离子选择电极法、极谱法和毛细管电泳法等[7]，但这些方法对检测结果的影响因素较多。

本文针对亚硝酸盐检测的准确性和自动连续在线检测需求，基于比色法原理，设计了以颜色检测设备为检测媒介的亚硝酸盐传感器；该方法不仅满足了食品中亚硝酸盐与硝酸盐的测定要求，而且理论上可以在不同溶剂中进行亚硝酸盐浓度的检测，其操作简便、成本低、仪器结构简单，实现了亚硝酸盐传感器的便携性和检测的快速性。

1 材料与方法

1.1 试剂与仪器

氨基苯磺酸(C6H7NO3S)溶液，浓度12 mol/L，北京世纪奥科生物技术有限公司；α-萘胺(C10H9N)，分析纯，亚硝酸盐溶液，165 μg/mL，去离子水，北京仪化通标科技有限公司；浓盐酸，质量分数37%，唐山市丰南区尚德商贸有限公司。

KX-17018型恒温水浴箱，水温控制范围5～100 ℃，金坛市科析仪器有限公司；亚硝酸盐传感器，自制；JF-NO2-485型亚硝酸盐传感器，检测范围0～20×10-6，上海景飞环保科技有限公司；BJ-RZ1030型蠕动泵，流量范围0～170 mL/min，Smart SV-04型阀岛，6通道，南京润泽流体控制设备有限公司；4v210-08型电磁阀，正泰集团股份有限公司；TCS3200颜色传感器，深圳市微雪电子有限公司；自制反应池，25 mL。

1.2 检测原理

利用亚硝酸盐与对氨基苯磺酸酸性溶液发生反应，酸性环境中亚硝酸根离子将对氨基苯磺酸的氨基重氮化，生成重氮盐，反应方程式为

(1)

再利用式(1)的反应物重氮盐与α-萘胺酸性溶液发生偶联反应，生成偶氮化合物，偶合部位在α-萘胺的氨基邻位，反应方程式为

(2)

经过上述两步反应后，溶液呈紫红色。从反应式(1)、(2)可以得出，亚硝酸盐的浓度与偶氮化合物浓度成正比。因此，利用颜色检测设备对反应后的偶氮化合物进行检测，得出浓度与颜色之间的线性关系，从而间接得出亚硝酸盐的浓度。颜色检测设备能够静态识别物体颜色，不同颜色输出不同频率方波，不同的频率对应相应三原色(RGB)的值。利用颜色传感器对不同色光的滤波器特性，过滤除红色以外的光，即可读出溶液的颜色值。不同颜色值与亚硝酸盐浓度之间存在线性关系，通过建立数学模型得出亚硝酸盐浓度，检测原理如图1所示。

1.3 实验溶液制备

取浓盐酸用去离子水稀释，配制成浓度为2.4 mol/L的稀盐酸溶液；取配制的稀盐酸溶液作为溶剂，氨基苯磺酸作为溶质，配制成质量浓度为4 mg/mL的氨基苯磺酸酸性溶液；以稀盐酸溶液为溶剂，α-萘胺为溶质，配制成质量浓度2 mg/mL的α-萘胺酸性溶液。取标准亚硝酸盐试剂配成质量浓度分别为0.050、0.075、0.100、0.125、0.150、0.175、0.200、0.225、0.250、0.275、0.300 mg/L的亚硝酸盐溶液。

1.4 系统设计

1.4.1传感器结构设计

亚硝酸盐传感器结构分为3层：下层放置颜色检测设备和信号传输线，用来将检测到的RGB颜色的频率信号输出至数据采集板；中间层主要是玻璃材料的反应池，用于试剂反应和数据检测；顶层为检测背景，选择白光作为补偿光源置于中心位置。亚硝酸盐传感器的三维结构如图2所示。

首先将水样通过进水口抽入反应池中，再将配制好的对氨基苯磺酸酸性溶液抽入反应池中，在此过程中水样里的亚硝酸根与对氨基苯磺酸发生重氮化反应，生成重氮盐；待第一阶段反应结束后，将α-萘胺酸性溶液抽入反应池中，完成重氮盐与α-萘胺溶液的偶联反应；颜色检测设备将检测出的稳定数据传给采集板，检测结束。

1.4.2亚硝酸盐检测流程设计

整个系统的检测装置以蠕动泵为动力源，定量向反应池中抽入反应所需的对氨基苯磺酸酸性溶液和α-萘胺酸性溶液试剂。系统中加入定量装置，以避免反应池中溶液过量。颜色检测设备将数据传输至采集板，经数据换算后，再将亚硝酸盐浓度值通过串口传送到上位机。上位机采用LabVIEW编程，不仅能将数据储存到数据库中，还可以通过TCP/IP将数据上传到网络服务端，以供其他设备提取。亚硝酸盐的在线检测结构设计如图3所示。整个过程可实现自动连续在线检测的要求，检测周期设定为1 h。

亚硝酸盐的检测流程图如图4所示。首先清洗检测室内的残留物质，为防止清洗时残留清水稀释水样，保证检测的准确性，需要用水样润洗检测室。使用高精度注射泵控制水样的进液量为10 mL，调节阀岛，转换到试剂1进液口，向检测室内注入3 mL氨基苯磺酸；等待进液完毕后，调节阀岛，转换到进气口，向检测室内吹入空气，达到搅拌效果，使亚硝酸根与氨基苯磺酸完全反应。5 min后，调节阀岛，转换到试剂2进液口，向检测室内注入3 mL α-萘胺，搅拌10 min；待重氮盐与α-萘胺充分反应后，使用颜色检测设备读取检测室中的颜色值[8]，传递到采集板。数据通过RS485串口发送给上位机。经过上位机处理的数据一部分通过TCP/IP上传到网络服务器，另一部分储存到数据库中。待检测结束后，排空检测室中的水样并清洗检测室为下次检测作准备。

2 实验结果与分析

2.1 实验建模

在常温常压条件下，依次检测质量浓度为0.05、0.075、0.10、0.125、0.15、0.175、0.20、0.225、0.25、0.275、0.30 mg/L的亚硝酸盐标准溶液，并进行6组实验后取平均值(颜色检测设备输出的为频率值f，kHz)，如表1所示。

表1 实验测试值及平均值Table 1 Experimental test values and average values

依据表1检测数据，对6次实验数据平均值与标准溶液质量浓度值进行拟合。以检测数据平均值为横坐标、标准溶液质量浓度ρ为纵坐标绘制曲线，如图5所示。在标准曲线绘制过程中，对不同质量浓度的亚硝酸盐溶液进行检测，从而得出利用颜色检测设备检测出的频率值与标准试剂质量浓度值之间关系。

数据模型为

ρ=8×10-5f2+0.006 3f-0.039 2

(3)

测定系数R2=0.998 9>0.9。

实验检测数据如表2所示。根据GB/T 5009.33—2008《食品中亚硝酸盐与硝酸盐的测定》[9]、HJ/T 197—2005《水质 亚硝酸盐氮的测定》[10]中对亚硝酸盐的检测指标，对相对误差、精度、重复性即相对标准偏差(RSD)等检测数据进行处理，各指标的计算公式如下。

表2 拟合值及其他数据统计参数对照Table 2 Comparison of fitted values and other statistical parameters

相对误差

(4)

式中，δ为相对误差；ρ*为质量浓度测量值；ρ标为质量浓度标准值。

重复性

(5)

(6)

精度

(7)

式中，σ为传感器测试精度；ρ′为传感器量程值。

从表2可以看出，拟合值与标准试剂值相对误差的最大值为5.12%，精度最大值为6.97%，相对标准偏差的最大值为6.77%，能够满足GB/T 5009.33—2008《食品中亚硝酸盐与硝酸盐的测定》要求。

2.2 对比实验验证

为验证该亚硝酸盐传感器对实际水样检测的准确性，使用由上海景飞环保科技有限公司生产的亚硝酸盐传感器(JF-NO2-485)作对比实验。取实验室自来水，加入不同浓度的低浓度亚硝酸盐试剂，在相同条件下进行6组对比实验，表3为所得实验数据。

表3 验证实验数据参数对照Table 3 Parameter comparison for verification of experiment data

由于该传感器检测上限为0.30 mg/L，因此第6组实验数据无效。由表3可以得出，与亚硝酸盐传感器(JF-NO2-485)对比，本文仪器相对误差的最大值为2.76%。

2.3 稳定性实验

为验证所设计传感器的稳定性，调节恒温水浴箱温度分别为5、10、15、20、25、30 ℃，分别检测质量浓度为0.05、0.10、0.15、0.20、0.25、0.30 mg/L的亚硝酸盐标准试剂，每个温度下连续测试4组并取平均值，结合稳定性计算公式可得表4。

表4 不同温度下亚硝酸盐检测值Table 4 Nitrite detection values at different temperatures

稳定性计算公式为

(8)

式中，α为稳定值；ρmin为测试最小质量浓度值；ρmax为测试最大质量浓度值。

由表4可以得出，当温度在5～30 ℃之间时，质量浓度检测的最大相对误差为5.72%，最大稳定值为0.099。

2.4 干扰因素分析

经实验测试，得出干扰因素如下：①水中含有其他悬浮物对光学检测的精度造成影响;②颜色传感器的光源衰减会影响溶液颜色检测的准确度，最终增大亚硝酸盐检测误差；③检测时，外界自然光对颜色传感器的干扰；④实验试剂的保质期有限，变质的试剂影响检测精度；⑤进液管中滞留的溶液将会造成其他试剂的污染；⑥颜色传感器的光照强度有限，当亚硝酸盐浓度相差不大时，很难做到精准分辨。

针对以上干扰因素，提出应对措施如下：①在检测前对水样进行预处理，过滤水样中的悬浮物和溶液中的颗粒物等[11]，以减少水中其他悬浮物对光学检测精度造成的影响；②为保证颜色检测设备的准确性，需定期对颜色检测设备作白平衡校正；③检测室的设计是封闭的，应保证在黑暗环境下检测，避免外界自然光的干扰；④为实现连续在线检测，将预配制好的反应试剂存放在恒温箱内，有效使用期限为一周，试剂需在有效期内更换，以保证其连续检测的功能；⑤在进样、添加试剂等流程结束后，控制阀岛转到进气口，需抽取小段空气，以实现水样与试剂、试剂与试剂之间的隔绝；⑥当亚硝酸盐浓度相差不大时，为提高检测的准确性和提高分辨率，需添加白光对颜色传感器进行补光处理。

3 结论

基于比色法原理设计了一种非接触式的液相溶解亚硝酸盐浓度检测仪器，实验结果表明该仪器经修正后曲线的测定系数为0.998 9，相对误差的最大值为5.12%，完全能够满足水中亚硝酸盐的测定要求；配合上位机数据存储和网络传输，实现了水中亚硝酸盐的在线连续检测，降低了成本，提高了检测精度。