一种测定氨氮的分光/荧光一体检测器

技术领域

本发明涉及检测仪器技术领域，涉及测定水中氨氮的检测器，尤其是一种测定氨氮的分光/荧光一体检测器。

背景技术

可见分光光度法是通过测定被测物质在特定波长处或一定波长范围内光的吸光度，对该物质进行定性和定量分析的方法。朗伯-比尔（Lambert - Beer）定律是分光光度法定量分析依据的基本原理，当一束单色光通过一均匀溶液时，如图1所示，溶液对单色光的吸光度与溶液浓度和液层厚度的乘积成正比，即

荧光分光光度法是基于被测物质的基态分子吸收能量被激发到较高电子能态后，在返回基态过程中，以发射辐射的方式释放能量，通过测量辐射光的强度对被测物质进行定量的一种分析方法。对于稀溶液，辐射光强度

可见分光光度法和荧光分光光度法需使用的仪器分别为可见分光光度计和荧光分光光度计。可见分光光度计基本结构包括光源、单色器、样品池、检测器和显示装置，如图2所示，光源、样品池和检测器在同一直线上。荧光分光光度计包括激发光源、激发单色器、样品池、发射单色器、检测器和放大显示装置组成，如图3所示，光源与激发单色器、样品池与发射单色器之间均设有入射狭缝，激发单色器与样品池、发射单色器与检测器之间均设有出射狭缝；为避免光源的发射光进入检测器，激发光传播方向必须与检测器成垂直角度。

由于可见分光光度计和荧光光度计基本结构不同，对应的方法测定灵敏度相差2-3个数量级。由于地表水中的氨氮浓度跨越很大，例如从近岸海域至外海，河流的上游至下游，氨氮浓度往往跨越几个数量级，一种仪器很难适用于全部范围。

发明内容

针对领域需求和上述现有技术状况，本发明提供一种体积小、制作成本低的针对宽浓度范围氨氮检测的测定氨氮的分光/荧光一体检测器，相比于现有的分光光度计或荧光光度计，可探测的氨氮浓度范围更广；可制作成便携式仪器、在线检测器，有利于氨氮的现场检测。

实现本发明目的的技术方案是：

一种测定氨氮的分光/荧光一体检测器，包括按照光路顺序设置的光源、样品池和光电转换器，所述光电转换器通过数据采集卡与电脑连接，与现有技术不同的是，所述光源由分光光源和荧光激发光源组成；所述分光光源和荧光激发光源共用样品池；所述光电转换器由第一光电转换器和第二光电转换器组成；

分光光源的光路为直线光路，分光光源与样品池之间设有衰减片，与分光光源对应的是第一光电转换器；

荧光激发光源的光路为直角光路，与荧光激发光源对应的是第二光电转换器，荧光激发光源到样品池的光路与样品池到第二光电转换器的光路呈直角状；样品池与第二光电转换器之间设有滤光片；

所述分光光源为550nmLED；

所述荧光激发光源为405nmLD；

所述滤光片中心波长为430.8 nm，半波带宽为8.5 nm。

进一步地，所述的检测器为在线检测器，所述样品池呈空心圆柱体状。

进一步地，所述的检测器为便携式检测器，所述样品池呈空心长方体状。

进一步地，所述样品池采用石英玻璃制成。

发明人在研究过程中发现，氨氮与邻苯二甲醛（OPA）和亚硫酸钠反应，当氨氮浓度较高时可生成的产物呈现黄棕色溶液，其吸收光谱见图4所示，在430nm和550nm有最大吸收波长，基于此，本发明建立了氨氮的分光检测方法，检测限为μmol/L级别；而当氨氮浓度较低时，反应产物在365nm处有最大激发波长，在432nm处有最大荧光波长，其激发光谱和荧光光谱见图5所示，OPA荧光法测氨氮的检测限为nmol/L级别。

本发明公开的针对宽浓度范围氨氮检测的分光/荧光一体检测器，当测定溶液进入检测器流通样品池中，首先被分光光度计探测，如果低于仪器检测限，马上切换至荧光的工作模式，由荧光计对溶液进行探测，也就是一份溶液即被分光检测亦可被荧光检测。

本发明的一体检测器，相比于现有的分光光度计或荧光光度计，可探测的氨氮浓度范围更广，此外，采用LED和LD作为光源，可制作成便携式仪器；如以石英管作为流通样品池，可制作在线检测器，无论是便携式还是在线检测器，仪器体积小，轻便，有利于氨氮的现场检测。

附图说明

图1为溶液对单色光吸光示意图；

图2为紫外-可见分光光度计的结构示意图；

图3为分子荧光分光光度计的结构示意图；

图4为氨氮-邻苯二甲醛-亚硫酸钠反应产物的吸收光谱图；

图5为氨氮-邻苯二甲醛-亚硫酸钠反应产物的激发光谱和荧光光谱图；

图6为实施例中在线式测定氨氮的分光/荧光一体检测器结构示意图；

图7为实施例中便携式测定氨氮的分光/荧光一体检测器结构示意图；

图8为实施例中在线式测定氨氮的分光/荧光一体检测器骨架盒三维模型与各组件配装的示意图；

图9为实施例中便携式测定氨氮的分光/荧光一体检测器骨架盒三维模型与各组件配装的示意图；

图10为检测器总体结构原理框图；

图11为在线分光测定氨氮的工作曲线；

图12为便携式分光测度氨氮工作曲线；

图13为在线荧光测定氨氮的工作曲线；

图14为便携式荧光测度氨氮工作曲线。

图中，1.分光光源 2.激发光源 3.样品池 4.第一光电转换器 5.第二光电转换器6.衰减片 7.滤光片 8.数据采集卡 9.电脑。

图6图7中虚线表示光路。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明内容作进一步的阐述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例：

如图6图7所示，一种测定氨氮的分光/荧光一体检测器，包括按照光路顺序设置的光源、样品池3和光电转换器，所述光电转换器通过数据采集卡8与电脑9连接，与现有技术不同的是，所述光源由分光光源1和荧光激发光源2组成；所述分光光源1和荧光激发光源2共用样品池3；所述光电转换器由第一光电转换器4和第二光电转换器5组成；

分光光源1的光路为直线光路，分光光源1与样品池3之间设有衰减片6，与分光光源1对应的是第一光电转换器4；

荧光激发光源2的光路为直角光路，与荧光激发光源2对应的是第二光电转换器5，荧光激发光源2到样品池3的光路与样品池3到第二光电转换器5的光路呈直角状；样品池3与第二光电转换器5之间设有滤光片7；

所述分光光源1为550nmLED；

所述荧光激发光源2为405nmLD；

所述滤光片7中心波长为430.8 nm，半波带宽为8.5 nm。

进一步地，如图6所示，所述的检测器为在线检测器，所述样品池3呈空心圆柱体状，样品池底端封口。

进一步地，如图7所示，所述的检测器为便携式检测器，所述样品池3呈空心长方体状，所述样品池底端封口。

进一步地，所述样品池3采用石英玻璃制成。

为使分光检测器和荧光检测器合为一体检测器，采用四面透光荧光池石英管作为样品池3，也就是对同一份氨氮反应溶液，即可进行分光检测亦可进行荧光检测。

具体地，采用AutoCAD三维建模技术设计可将分光和荧光检测器各元器件合理布局的骨架盒模型，如图8图9所示，整体尺寸为长50 mm，宽50 mm，高50 mm，模型与实物尺寸大小为1:1，分光检测光路和荧光检测光路错开一定距离，有效避免相互干扰。分光光源1与样品池3相距一定距离，分光光源1使用全光谱衰减片6对光强衰减，有效地减弱光源的强度，使第一光电传感器4不会发生电压饱和。氨氮荧光产生较弱，激发光源2和第二光电传感器5尽量近距离的靠近样品池3。因为光电传感器对全光谱光都有光电效应，因此使用窄带滤光片7对背景光进行滤除。本发明使用黑色PLA材料通过Prusa3D打印机实现检测器骨架盒的3D打印，打印机参数如下：打印材料直径：1.75 mm；打印温度：喷头温度215 ℃，底板温度60 ℃；喷头尺寸：0.25 mm；打印层高：0.1 mm；填充率：20%；支撑：无支撑。

将分光检测光源550nmLED、荧光检测光源405nmLD、5%的中性衰减片6、石英管样品池3、滤光片7、TSL257光电传感器安装在图8图9所示检测器骨架盒的对应位置上，各部件由电源模块供电，即制作成分光/荧光一体检测器。样品池3外径4 mm、内径2 mm、长50 mm；滤光片7中心波长为430.8 nm、半波带宽为8.5 nm、峰值透过率为78.0%。

检测器的结构原理框图见图10所示，由LED恒流源模块提供稳定电流；光电转换模块包括分光光源、衰减片和试样池即样品池；荧光光源即荧光激发光源和滤波片即滤光片，信号处理模块包括光电转换器和数据采集卡；上位机电脑用于接收数据、处理存储数据和显示数据。

对本发明一体检测器的分光检测性能测试：

配制0-0.8mmol/L范围内的氨氮标准溶液，采用顺序注射技术在线加入OPA-Na

如使用便携式检测器分光检测功能，检测信号与氨氮浓度的关系如图12所示，线性回归方程为

对本发明一体检测器的荧光检测性能测试：

配制浓度为2，4，5，6，7，8，9µmol/L氨氮标准溶液，分别加入OPA-Na

在线检测器获得检测器的荧光信号与氨氮浓度成线性关系，如图13所示，拟合曲线为：

如使用便携式检测器荧光检测功能，检测信号与氨氮浓度的关系如图14所示，

本发明一体检测器在实际水样中的应用：

2019年4月5日，在桂林电子科技大学花江校区相思湖采集5个实际水样，用滤头将试剂水样进行过滤后，采用一体检测器的分光检测功能进行检测，测定结果见表1所示。

表 1实际水样检测结果

2019年5月，在桂林市花江桂林电子科技大学段从上游至下游采集了13 个水样，采用一体检测器的荧光检测功能测得水样结果见表2所示。

表2 采集于花江的实际水样的测定结果

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的保护范围由所附权利要求及其等同物限定。