CN102788782A

CN102788782A - 流动注射化学发光测量水体溶解氧浓度的方法

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Publication number: CN102788782A
Application number: CN2012102908430A
Authority: CN
Inventors: 刘岩; 马然; 赵娜; 张述伟; 褚东志; 赵斌; 石小梅; 张颖; 刘东彦; 范萍萍; 吕靖; 高杨; 任国兴; 曹璐; 张婷; 邹涛; 王洪亮; 曹煊; 张颖颖; 汤永佐
Original assignee: Oceanographic Instrumentation Research Institute Shandong Academy of Sciences
Current assignee: Oceanographic Instrumentation Research Institute Shandong Academy of Sciences
Priority date: 2012-08-15
Filing date: 2012-08-15
Publication date: 2012-11-21
Anticipated expiration: 2032-08-15
Also published as: CN102788782B

Abstract

本发明提供了一种流动注射化学发光方式测量水体溶解氧的方法，所述方法按下述步骤进行：（1）水样泵输送被测水体溶液；（2）水体溶液与过氧化氢溶液混合；（3）与过氧化氢混合后的溶液与酸性缓冲溶液混合，然后进入冷却管；（4）混合溶液流出冷却管后，与鲁米诺溶液混合和碱性缓冲溶液管路中碱性缓冲液混合，流入检测室；（5）光电倍增管对流通过的溶液所发出的光信号进行采集放大，并转换成电信号送入微型计算机数据处理系统，微型计算机数据处理系统对信号进行量化，计算出水体中溶解氧的浓度。采用本发明方法，具有灵敏度高，线性范围宽，而且快速、重现性好、自动化程度高，准确度等特点。

Description

流动注射化学发光测量水体溶解氧浓度的方法

技术领域

本发明属于环境化学监测技术领域，具体地说是基于鲁米诺能够被臭氧所氧化而产生化学发光的现象，利用流动注射技术，通过过氧化氢产生氧原子与水体中溶解氧结合形成臭氧，利用臭氧氧化鲁米诺产生的化学发光强度的差别测量水体溶解氧浓度的方法。

背景技术

在环境水质监测、养殖业、废水处理、污水曝气、锅炉用水脱氧、发酵工业的溶氧控制、金属元素提炼等领域，水体中溶解氧是一个重要的水质参数，因此溶解氧的测量方法十分重要。目前常用方法有碘量法、电化学法和荧光猝灭方法，它们具有各自的优缺点。如碘量法检测灵敏度高，但是操作繁琐，需要熟练的技术人员操作，数据偶然误差大；电化学法具有使用简单的优点，但是过滤膜的时效性差，需要频繁更换，成本高，另外电极的使用寿命短，造成数据重现性不好；荧光猝灭方法具有数据获取快速，不需要试剂的优势，但是应用过程中，干扰因素众多，数据准确度不高。因此对于复杂多变水体环境，无论使用哪种方法进行水体溶解氧测量，其结果的准确性和可靠性均受到质疑，从而不能确切掌握水质现状及其异常变化。

近年来，随着电子技术、新材料、新工艺、新的光学器件的发展，尤其是计算机技术的日新月异，通过自动分析仪来测量水体中溶解氧浓度的方法相应出现，虽然这些技术摆脱了实验室分析的一些缺点，如持续时间长，分析过程繁杂，条件苛刻等，但其还存在着稳定性差、灵敏度和分辨率低、离子干扰等难以克服的缺陷，使之应用范围受到限制，没能得到广泛的应用。

发明内容

本发明提供了一种流动注射化学发光方式测量水体溶解氧的方法，它可以解决现有技术存在的操作繁琐，误差大；数据重现性不好；准确度较低等问题。

为了达到解决上述技术问题的目的，本发明的技术方案是，一种流动注射化学发光测量水体溶解氧浓度的方法，所述方法采用检测装置，所述检测装置包括检测室、光电探测装置、控制装置、微型计算机数据处理系统、水样泵、过氧化氢溶液泵、酸性缓冲溶液泵、鲁米诺溶液泵和碱性缓冲溶液泵，所述检测室通过管路与上述泵的管路连接，在酸性缓冲溶液泵与鲁米诺溶液泵之间的管路上具有冷却管，所述方法通过所述检测装置按下述步骤进行：

(1)通过水样泵输送被测水体溶液；

(2)水体溶液在水样泵的作用下与过氧化氢管路中的过氧化氢溶液混合；

(3)与过氧化氢混合后的溶液继续在管路中流动，再与酸性缓冲溶液混合，混合后进入冷却管，使混合溶液的温度范围在2-10℃；

(4)混合溶液流出冷却管后，先后与鲁米诺管路中的鲁米诺溶液混合和碱性缓冲溶液管路中碱性缓冲液混合，一同流入检测室，光电探测装置中的光电倍增管检测溶液中臭氧分子与鲁米诺产生的化学发光信号；

(5)光电倍增管对流通过的溶液所发出的光信号进行采集放大，并转换成电信号送入微型计算机数据处理系统，微型计算机数据处理系统对信号进行量化，计算出水体中溶解氧的浓度，并进行显示、打印输出。

在本发明中，还具有以下技术特征，水体溶液流量为0.05-0.10ml/min。

在本发明中，还具有以下技术特征，过氧化氢溶液流量为0.5-1.0ml/min，浓度为0.1-0.3mol/L。

在本发明中，还具有以下技术特征，所述酸性缓冲溶液为磷酸二氢钾与盐酸，其中，磷酸二氢钾和盐酸浓度比例为5：1，所述酸性缓冲溶液流量为0.5-1.0ml/min，浓度为(0.8-1.2)×10^-4mol/L。

在本发明中，还具有以下技术特征，所述的鲁米诺溶液流量为0.5-1.0ml/min，浓度为(0.8-1.2)×10^-4mol/L。

在本发明中，还具有以下技术特征，所述的碱性缓冲溶液为磷酸氢二钠和氢氧化钠，其中，磷酸氢二钠和氢氧化钠浓度比例为1：5，所述碱性缓冲溶液浓度为(1.8-2.2)×10^-3mol/L，流量为0.05-0.10ml/min。

在本发明中，还具有以下技术特征，所述的泵均为蠕动泵，所述的管路均采用聚四氟乙烯材料制成。

在本发明中，还具有以下技术特征，选择记录化学发光信号稳定后的50-150秒的发光强度积分值，根据水体1积分值和标准溶解氧溶液浓度与积分信号的对应关系，计算出水体溶解氧的浓度，并进行显示、打印输出。

在本发明中，还具有以下技术特征，反应所发出的光信号为微弱的化学发光信号，最大发光波长在542nm，微弱光信号经光电探测装置的光学镜头聚能，导入光电倍增管，光信号经光电倍增管处理转换为电信号输出，输出电信号经微弱信号放大电路进行转换，放大到一定电压幅度送数据处理装置的A/D转换通道进行量化、积分处理。

在本发明中，还具有以下技术特征，利用微型计算机数据处理系统，通过软件编程实现对微型计算机数据处理系统的控制、信号处理、溶解氧浓度计算。

在本发明中，还具有以下技术特征，光电倍增管采用日本滨松Photosensor Modules H5784Series。

本发明的方法是由光、机、电、算组成的一体化流动注射化学发光光电探测系统。按工作模块可分成四部分：第一部分是流动注射部分，主要是被测水样在蠕动泵的推动下作为一个运动着的、无空气间隔的连续载流，过氧化氢溶液、酸性缓冲液、鲁米诺溶液和碱性缓冲液作为试样在各自蠕动泵的作用下依次被注射到载流中，在与载流向前运动过程中由于对流和扩散作用而分散成一个个具有浓度梯度的试样带，试样带分别与载流中氧分子发生化学反应，最后产生可被检测的化学发光信号，被载带到检测室中。第二部分是光电转换和放大部分，主要采用微光光电倍增管作为探测元件，载液流通检测室，产生的光信号被立即转变成电信号，并被连续记录。第三部分是数据采集、记录部分，该部分完成电信号的采集、A／D转换、传输和存储。第四部分是微型计算机数据处理系统，主要负责对得到的连续信号进行积分，再根据信号积分数据和标准溶解氧溶液浓度与积分信号的对应关系，计算出水体中溶解氧的浓度，并进行显示、打印输出。

利用化学发光反应的高灵敏性已经成为检测反应物质的理想手段。鲁米诺，即3-氨基邻苯二甲酰肼，因其检测灵敏度高，而且反应在水相中进行，所以是化学发光分析中最常用的发光剂。臭氧与鲁米诺氧化过程当中会产生化学发光现象，利用这种现象，采用流动注射技术，通过采用过氧化氢溶液产生的氧原子与水体溶解氧结合生成臭氧，臭氧再与鲁米诺反应产生的化学发光的强度来计算水体中溶解氧的含量，为了消除体系带来的误差，微型计算机数据处理系统对采集的信号选择并记录化学发光信号稳定后的50-150秒的发光强度积分值，计算出溶解氧的浓度，并进行显示、打印输出。

本发明的优点在于：

1、由于通常化学发光反应速度很快，所以必须保证样品与发光试剂能够快速、有效、高度重现的混合，本发明的流动注射方法满足了这一要求，因此流动注射与化学发光分析相结合产生的流动注射臭氧氧化方式测量水体溶解氧浓度的方法不仅灵敏度高，线性范围宽，而且.快速、重现性好、自动化程度高，可以在环境分析等领域得到发展。

通过集成化学发光、光电转换器件、数据采集、软件处理对水体中溶解氧浓度的测量是目前非常有效的快速分析手段。

2、本发明采用过氧化氢溶液提供氧原子与水体中溶解氧结合，生成臭氧。臭氧分子受环境因素影响很大，例如水体的酸碱度以及温度等，容易分解，因此方法通过一方面采用添加酸性缓冲溶液，维持体系为酸性，因为臭氧分子在酸性体系中能稳定存在，不分解，酸性缓冲溶液为磷酸二氢钾与盐酸，浓度比例为5：1；另一方面保持体系在低温状态，例如2-10℃，低温能抑制臭氧分子分解，所以采用冷却管维持体系温度在2-10℃。臭氧分子稳定存在保证了测量数据的准确性。

3、本发明采用臭氧与鲁米诺氧化产生化学发光现象，因为臭氧分子与鲁米诺产生的化学发光现象，需要体系在碱性条件下，所以本发明方法采用添加碱性缓冲液维持体系为碱性。碱性缓冲溶液为磷酸氢二钠和氢氧化钠，浓度比例为1：5。

附图说明

图1是本发明的方法工作原理流程图；

图2是本发明的检测装置结构示意图。

1.水体溶液；2.水样蠕动泵；3.过氧化氢溶液蠕动泵；4.过氧化氢溶液；5.酸性缓冲溶液蠕动泵；6.酸性缓冲液；7.鲁米诺溶液蠕动泵；8.鲁米诺溶液；9.碱性缓冲液蠕动泵；10.碱性缓冲液；11.冷却管；12.水样收集器；13.检测室；14.光电探测装置；15.控制装置；16.微型计算机数据处理系统。

具体实施方式

参见图1和图2，本发明的方法包括以下几个步骤：

(1)通过蠕动泵2在0.05ml/min流量下输送的被测水样；

(2)水样在水样蠕动泵2的作用下流动一段管路后，先与过氧化氢溶液蠕动泵3输送的过氧化氢溶液混合，过氧化氢溶液主要是提供氧原子与水体中溶解氧结合，生成臭氧，因为臭氧能氧化鲁米诺产生化学发光。过氧化氢溶液流量为0.5ml/min，浓度为0.2mol/L；

(3)与过氧化氢混合后的水样溶液继续在管路中流动，流动一段距离后，与酸性缓冲溶液蠕动泵5输送的酸性缓冲溶液混合，酸性缓冲溶液为磷酸二氢钾与盐酸，混合后进入冷却管11，使混合溶液保持在温度2-10℃。因为生成的臭氧分子容易分解，所以要保持体系维持在臭氧分子存在的条件下，即体系为酸性以及温度在2-10℃，所以采用添加酸性缓冲液维持体系酸性，采用冷却管维持体系温度在2-10℃。酸性缓冲溶液流量为0.5ml/min，其中，磷酸二氢钾与盐酸浓度比例为5：1，浓度为0.8×10^-4mol/L；

(4)混合溶液流出冷却管11后，先后与鲁米诺溶液蠕动泵7和碱性缓冲溶液蠕动泵9分别输送的鲁米诺管路中的鲁米诺溶液混合和碱性缓冲溶液(磷酸氢二钠和氢氧化钠)管路中碱性缓冲溶液混合，一同流通过检测室13，光电探测装置14中的光电倍增管记录溶液中臭氧分子与鲁米诺产生的化学发光信号。因为臭氧分子与鲁米诺产生的化学发光现象，需要体系在碱性条件下，所以采用添加碱性缓冲液维持体系为碱性。鲁米诺溶液流量为0.5ml/min，浓度为1×10^-4mol/L，碱性缓冲液溶液流量为0.05ml/min，其中，磷酸氢二钠和氢氧化钠浓度比例为1：5，碱性缓冲液溶液浓度为2×10^-3mol/L；

(5)光电探测装置14的光电倍增管对流通过的溶液所发出的光信号进行采集放大，并转换成电信号送入微型计算机数据处理系统16，微型计算机数据处理系统16对信号进行量化，并选择记录化学发光信号稳定后的100秒的发光强度积分值，通过水体溶液积分值与标准溶解氧溶液浓度与积分信号的对应关系，计算出水体溶解氧的浓度，并进行显示、打印输出。

反应所发出的光信号为微弱的化学发光信号，最大发光波长在542nm，光电倍增管对这个范围的光信号进行采集，微弱光信号经光电探测装置14的光学镜头聚能，导入光电倍增管，光信号经光电倍增管处理转换为电信号输出，输出电信号经微弱信号放大电路进行转换，放大到一定电压幅度送数据处理部分的A/D转换通道进行量化，积分处理。

利用微型计算机数据处理系统16，通过软件编程实现对微型计算机数据处理系统16的控制、信号处理、溶解氧浓度计算。

光电倍增管采用日本滨松Photosensor Modules H5784Series。

水体溶液流通检测室13，水体中产生的臭氧与鲁米诺产生的化学发光由检测室侧壁的光电探测装置装置14的光电倍增管(日本滨松Photosensor Modules H5784Series)进行采集放大，并转换成电信号送入微型计算机数据处理系统16，利用微型计算机数据处理系统16，通过软件编程实现对信号进行处理，积分，再通过水体溶液积分值与标准溶解氧溶液浓度与积分信号的对应关系，计算出水体中溶解氧的浓度，并进行显示、打印输出。

实验举例：从海水浴场、码头、远海等几处海区取样，分成两份。一份在山东省海洋环境监测技术重点实验室进行检测，一份用本发明的方法进行检测。

实验表明，两者方法有良好的对应关系，其结果偏差小于等于10％。

本方法与常用方法所测量水体中溶解氧浓度比较如下：

对比如下：

水体溶液中溶解氧的含量

水样	常用方法(mg/L)	流动注射化学发光法	方法之间的误差
				1	8.45	8.14	3.66
2	7.68	7.25	5.59
				3	5.42	5.02	7.38
4	6.56	6.14	6.40
				5	7.45	6.98	6.31
6	9.56	9.08	5.02
				7	4.56	4.11	9.87

根据本发明方法与常用方法所测量水体溶解氧浓度对比数据，本发明一方面解决现有分析技术存在的持续时间长，分析过程繁杂，条件苛刻，稳定性差，离子干扰等问题，另一方面本发明测量数据与常用方法测量数据之间误差在允许范围内(≤10％)，因此本发明优势明显。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是，凡未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims

1.一种流动注射化学发光测量水体溶解氧浓度的方法，其特征在于，所述方法采用检测装置，所述检测装置包括检测室、光电探测装置、控制装置、微型计算机数据处理系统、水样泵、过氧化氢溶液泵、酸性缓冲溶液泵、鲁米诺溶液泵和碱性缓冲溶液泵，所述检测室通过管路与上述泵的管路连接，在酸性缓冲溶液泵与鲁米诺溶液泵之间的管路上具有冷却管，所述方法通过所述检测装置按下述步骤进行：

（1）通过水样泵输送被测水体溶液；

（2）水体溶液在水样泵的作用下与过氧化氢管路中的过氧化氢溶液混合；

（3）与过氧化氢混合后的溶液继续在管路中流动，再与酸性缓冲溶液混合，混合后进入冷却管，使混合溶液的温度范围在2-10℃；

（4）混合溶液流出冷却管后，先后与鲁米诺管路中的鲁米诺溶液混合和碱性缓冲溶液管路中碱性缓冲液混合，一同流入检测室，光电探测装置中的光电倍增管检测溶液中臭氧分子与鲁米诺产生的化学发光信号；

（5）光电倍增管对流通过的溶液所发出的光信号进行采集放大，并转换成电信号送入微型计算机数据处理系统，微型计算机数据处理系统对信号进行量化，计算出水体中溶解氧的浓度，并进行显示、打印输出。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，水体溶液流量为0.05－0.10ml/min。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，过氧化氢溶液流量为0.5 －1.0ml/min，浓度为0.1-0.3mol/L。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述酸性缓冲溶液为磷酸二氢钾与盐酸，其中，磷酸二氢钾和盐酸浓度比例为5∶1，所述酸性缓冲溶液流量为0.5 －1.0ml/min，浓度为（0.8-1.2）×10^－4 mol/L。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的鲁米诺溶液流量为0.5 －1.0ml/min，浓度为（0.8-1.2）×10^－4mol/L。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的碱性缓冲溶液为磷酸氢二钠和氢氧化钠，其中，磷酸氢二钠和氢氧化钠浓度比例为1∶5，所述碱性缓冲溶液浓度为（1.8-2.2）×10^－3 mol/L，流量为0.05 －0.10ml/min。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的泵均为蠕动泵，所述的管路均采用聚四氟乙烯材料制成。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，选择记录化学发光信号稳定后的50-150秒的发光强度积分值，根据水体积分值和标准溶解氧溶液浓度与积分信号的对应关系，计算出水体溶解氧的浓度，并进行显示、打印输出。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，反应所发出的光信号为微弱的化学发光信号，最大发光波长在542nm，微弱光信号经光电探测装置的光学镜头聚能，导入光电倍增管，光信号经光电倍增管处理转换为电信号输出，输出电信号经微弱信号放大电路进行转换，放大到一定电压幅度送数据处理装置的A/D转换通道进行量化、积分处理。

10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，利用微型计算机数据处理系统，通过软件编程实现对微型计算机数据处理系统的控制、信号处理、溶解氧浓度计算。