CN105067542A - 基于光度法的船载式pH和pCO2测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光度法的船载式pH和<i>p</i>CO₂测量装置及测量方法，所述装置包括前处理装置及测量装置；所述前处理装置包括潜水泵、海水采集管路、海水排出管路、海水样品槽、过滤头、和第一恒温水浴槽；所述测量装置包括海水进样管路、指示剂袋、指示剂进样管路、三通阀、蠕动泵、混合器、Teflon？AF2400管路、流通池、排废管路、微型氘-卤钨灯、光谱仪、空气恒温箱和第二恒温水浴槽。该测量装置可以分别检测海水pH和<i>p</i>CO₂，解决了海洋碳酸盐体系测量过程繁琐复杂，功耗成本高的问题，同时该测量装置以光度法为基础，测量精度高，可广泛应用于传感器。

Description

基于光度法的船载式pH和pCO2测量装置及测量方法

技术领域

本发明属于海洋化学分析领域，涉及基于光度法的船载式高精度海水pH和PCO₂测量系统和分析方法。

技术背景

要了解并探究海洋酸化和海洋碳循环问题，需要对海洋碳酸盐体系进行系统的研究。pH、溶解无机碳(DIC)、碱度(TA)和二氧化碳分压(pCO₂)是碳酸盐体系的四个基本参数，也是研究碳循环和海洋酸化的重要因素。通过已知的两个参数，可以计算碳酸盐体系的另外两个参数。然而目前无论是在热点研究海区或是近岸海域，均缺乏可用于碳酸盐体系研究的长期观测数据。海洋酸化和碳循环的研究对测量精度提出了更高的要求，因此目前急需可以高精度测量海洋碳酸盐体系的自动化监测设备。目前可用于船载或原位观测碳酸盐体系的较为成熟的常规传感器仅为pH和pCO₂传感器。普通的pH电极测量精密度一般为0.01，无法满足碳酸盐体系研究需要。多数pCO2传感器以红外检测技术为基础，在测量过程中会出现基线漂移，需要经常校准

光度法是高精度检测海水pH和pCO₂的理想方法，其测量精度可分别达到0.002和1μatm。以光度法为基础的海水pH和pCO₂自动测量系统操作简单快速，无需使用校准液进行校准，适合现场测定，其测得的数值的精度均符合海洋酸化和碳循环研究的测量要求。本专利在光度法的基础上阐述了一种船载式高精度检测海水pH和pCO₂的自动测量系统和分析方法，可分别进行pH和pCO₂的检测，利用测得的两个参数，可推算碳酸盐体系中的TA和DIC参数，大大简化了海洋调查的难度和工作力度。

发明内容

针对现有测量技术存在的不足，本发明提供了一种基于光度法和流动注射分析技术的高精度海水pH和pCO₂的测量系统和分析方法，可分别进行pH和pCO₂的检测。测量海水pH时，将一定体积的指示剂与海水混合，通过测量混合溶液的吸光度来计算pH值；测量海水pCO₂时，指示剂和半透膜外界海水中的CO₂达到平衡后，测定其吸光度得到指示剂pH值，然后根据指示剂溶液和碳酸盐体系的电离、水解平衡关系得到海水pCO₂。该测量装置可以解决现有测量技术精密度低，测量过程繁琐复杂，功耗成本高的问题，可广泛应用于传感器。

本发明的一种基于光度法的船载式pH和pCO₂测量装置，包括前处理装置及测量装置；所述前处理装置包括潜水泵、海水采集管路、海水排出管路、海水样品槽、过滤头和第一恒温水浴槽；所述过滤头位于样品槽内，所述样品槽位于第一恒温水浴槽内，所述样品槽分别与海水采集管路及海水排出管路连接，所述潜水泵设置于海水采集管路的进口端；所述测量装置包括与过滤头连接的海水进样管路；依次连接的第一指示剂袋、第一指示剂进样管路、第一三通阀、第一蠕动泵、混合器；依次连接的第二指示剂袋、第二指示剂进样管路、TeflonAF2400管路、第二蠕动泵；流通池及分别与其连接的第二三通阀、排废管路、微型氘-卤钨灯、光谱仪；空气恒温箱和第二恒温水浴槽；所述TeflonAF2400管路浸没于海水样品槽内；所述第一三通阀分别与海水进样管路、第一蠕动泵、第一指示剂进样管路连接；所述第二三通阀分别与混合器、第二蠕动泵、流通池连接；所述微型氘-卤钨灯及光谱仪通过光纤与流通池连接。

进一步的，所述过滤头为不锈钢或PEEK材料，孔径为1-10μm。

进一步的，所述海水采集管路和海水排出管路为乳胶管，其他管路均为聚四氟乙烯材料，海水采集管路和海水排出管路内径为1-3mm，外径为2-5mm，其他管路内径为0.5-2mm，外径为1-3mm。

进一步的，所述流通池内部管路为Z型，材料为POM或PEEK，光程长度为1-10cm。

进一步的，所述光谱仪对波长的分辨率高于2nm，信噪比值高于800:1。

进一步的，所述指示剂袋材料为聚四氟乙烯，所述第一指示剂袋中的指示剂为间甲酚紫和氯化钠溶液，间甲酚紫指示剂的浓度范围为0.5-10mmol/L；所述第二指示剂袋中的指示剂为溴百里酚蓝和碳酸钠溶液，溴百里酚蓝指示剂的浓度范围为3-50μmol/L。

本发明的一种基于光度法的船载式pH的测量方法，步骤为：

1)将海水样品、指示剂及测量装置恒温至25.0℃；

2)将过滤头浸没在海水样品中，将第一三通阀的①②和第二三通阀的①②连接，将空白海水抽取至流通池中完成冲洗和进样，打开微型氘-卤钨灯，光谱仪检测流通池内空白海水在434、487.6、578和750nm波长处的光强，记录数据；

3)将第一三通阀的②③连接，第一蠕动泵将间甲酚紫溶液抽取至流路，然后再将第一三通阀改为①②连接，第一蠕动泵继续抽取海水样品至流路中，在第一蠕动泵的驱动下海水样品和指示剂混合，打开微型氘-卤钨灯，光谱仪检测流通池内混合溶液在434、487.6、578和750nm处波长的光强，记录数据；

4)以步骤2)中空白海水的检测光强为I₀，以步骤3)中海水和指示剂混合溶液的检测光强为I，计算混合溶液吸光度A＝-log(I/I₀)，计算得出混合溶液在434、487.6、578和750nm处吸光度；再根据吸光度、温度和盐度数据，计算得出海水样品的pH值；

5)延长指示剂间甲酚紫的进样时间，使进入流通池的间甲酚紫体积为步骤3)中的两倍，重复步骤3)中的操作，对同一海水样品进行第二次测量，得到混合溶液在434、487.6、578和750mn处的吸光度，并计算pH；

6)以步骤3)和步骤5)两次测得的混合溶液487.6nm处的吸光度为X轴，pH值为Y轴做直线，当X为0时的得到的Y值是海水精确pH值。

进一步的，所述步骤3)中混合溶液中海水和指示剂的体积比为20:1-1000:1。

本发明的一种基于光度法的船载式pCO₂的测量方法，步骤为，

1)在实验室内利用CO₂标准气体对测量系统进行校准，得出校准系数；

1)将海水样品、指示剂及测量装置恒温至25.0℃；

3)将TeflonAF2400管路浸没在海水样品中，将第一三通阀的①②和第二三通阀的①②连接，将空白海水抽取至流通池中完成冲洗和进样，打开微型氘-卤钨灯，光谱仪检测流通池内空白海水在434、620和750nm处的光强，记录数据；

4)将第二三通阀的②③连接，将溴百里酚蓝指示剂抽取至管路中，指示剂缓慢经过AF2400管路时与海水的pCO₂达到平衡，打开微型氘-卤钨灯，检测流通池内指示剂在434、620和750nm处的光强；

5)以步骤3)中空白海水的检测光强为I₀，以步骤4)中指示剂的检测光强为I，计算吸光度A＝-log(I/I₀)；再根据吸光度、温度和盐度数据，计算得出海水样品的pH值；

6)根据指示剂中氢离子浓度[H⁺]，钠离子浓度[Na⁺]和指示剂浓度c_HI数据，计算得出海水pCO₂；将测得的海水pCO₂值乘以步骤1)中的校准系数，得到海水精确pCO₂的数值。

与现有技术相比，本发明具有的优点和效果是：

1.本发明在同一测量体系中实现了高精度海水pH以及pCO₂的检测，提高了测量系统的集成性，降低了测量系统的成本。结合海洋碳酸盐体系中四个参数的相互计算方法，根据得到的pH和pCO₂数据还可以计算碳酸盐体系的其他两个参数。避免了碳酸盐体系研究中复杂重复的人工操作，节省了精力和成本。

2.本发明采用光度法原理和流动注射分析技术实现对海水pH和pCO₂的检测，不存在基线漂移的现象，并且测量精度高，适用于长时间的现场检测。

3.本发明利用纯化后的间甲酚紫进行海水pH的测量，并在每次测量中校正指示剂对于海水pH的干扰，提高了测量系统准确度，同时免去了实验室内对指示剂干扰校正的操作步骤，简化了实验操作步骤。

附图说明

图1.本发明的前处理装置结构示意图；

图2.本发明的测量装置结构示意图。

具体实施方式

下面通过实施例对本发明所述基于光度法和流动注射分析技术的船载式海水pH和pCO₂测量体系的结构和本发明所述分析方法的操作步骤进一步予以说明。

本发明提供一种船载式海水pH和pCO₂分析装置。该分析装置由前处理装置和测量装置组成。前处理装置包括潜水泵、海水样品槽、恒温水浴槽和过滤头，测量装置由指示剂袋、流体管路、三通阀、流通池、蠕动泵、混合器、恒温装置、微型氘-卤钨灯、光纤、光谱仪组成。

如图1所示为前处理装置，所述前处理装置包括潜水泵21、海水采集管路22、海水排出管路23、海水样品槽24、过滤头25和第一恒温水浴槽26。所述样品槽24位于恒温水槽26内，所述样品槽24分别与海水采集管路22及海水排出管路23连接，所述潜水泵21设置于海水采集管路22的进口端，将海水抽送至海水样品槽中，由恒温水浴槽将海水温度稳定在25.0℃，恒温水浴槽的温度误差控制在0.1℃以内。所述过滤头25位于样品槽24内，可将海水中颗粒物滤掉，以免颗粒物堵塞管路或影响吸光度的测定，过滤头为不锈钢或PEEK聚醚醚酮材料，孔径为1-10μm。所述海水采集管路和海水排出管路为乳胶管，其他管路均为聚四氟乙烯材料，海水采集管路和海水排出管路内径为1-3mm，外径为2-5mm，连接测量装置的海水进样管路内径为0.5-2mm，外径为1-3mm。

如图2所示为测量装置，所述测量装置包括与前处理装置连接的海水进样管路1；依次连接的第一指示剂袋2、第一指示剂进样管路3、第一三通阀4、第一蠕动泵5、混合器6；依次连接的第二指示剂袋10、第二指示剂进样管路11、TeflonAF2400管路12、第二蠕动泵13；流通池8及分别与其连接的第二三通阀7、排废管路9、微型氘-卤钨灯14、光谱仪16；空气恒温箱17和第二恒温水浴槽18。所述流通池设有流体入口、流体出口以及光入射口和光出射口，分别与第二三通阀、排废管路、微型氘-卤钨灯和光谱仪连接。所述微型氘-卤钨灯及光谱仪通过光纤与流通池连接。所述流通池内部管路为Z型，可减少气泡的产生，其材料为聚甲醛树脂POM或者聚醚醚酮PEEK，光程长度可为1-10cm。

所述光谱仪对波长的分辨率高于2nm，信噪比值高于800:1。所述测量装置中流体管路均为聚四氟乙烯材料，内径为0.5-2mm，外径为1-3mm。混合器内为弯曲的流体管路，有利于海水和指示剂的混合。所述TeflonAF2400管路使用的半透膜对包括CO₂在内的部分微量气体具有非常高的气体可透过性，响应时间短，是满足体系要求的良好材料。

所述第一三通阀分别与海水进样管路1、第一指示剂进样管路3及第一蠕动泵5连接。所述第二三通阀分别与混合器6、第二蠕动泵13及流通池8连接。所述三通阀为两位三通电磁阀，可通过改变三通阀的通道选择流体的流路。

所述测量装置中第一三通阀4、第一蠕动泵5、混合器6、第二三通阀7、流通池8、蠕动泵13、微型氘-卤钨灯14、光纤15、光谱仪16位于空气恒温箱17中，使系统的温度稳定在25.0℃，空气浴恒温箱的误差在0.1℃之内。所述第一指示剂袋与第二指示剂袋位于恒温水浴槽18中，所述恒温水浴槽18的温度稳定在25.0℃，确保指示剂的温度与海水样品温度一致。

所述指示剂袋材料为隔绝空气的聚四氟乙烯，所述第一指示剂袋2中的指示剂为间甲酚紫和氯化钠溶液，间甲酚紫指示剂的浓度范围为0.5-10mmol/L，可用于近岸和大洋海水pH的测定。所述第二指示剂袋10中的指示剂为溴百里酚蓝和碳酸钠溶液，溴百里酚蓝指示剂的浓度范围为3-50μmol/L，其pH范围与外界海水CO₂所改变的范围相符。

测定海水pH时，光谱仪分别检测海水以及海水与指示剂混合溶液在434、487.6、578和750nm波长处的光强，以此计算吸光度。所述434nm和578nm分别为间甲酚紫指示剂在酸态和碱态的最大吸收峰处波长；487.6nm为间甲酚紫酸态和碱态的等吸收波长，487.6nm处的吸光度可反映指示剂和海水混合溶液中指示剂浓度的大小，用来校正指示剂本身对海水pH的检测带来的干扰；750nm为间甲酚紫不吸收的波长，750nm处的光强可做参比，消除光源发光强度的变化以及流体中微小颗粒对测定的干扰。

测定海水pCO₂时，光谱仪分别检测海水以及溴百里酚蓝指示剂在434、620和750nm处的光强，以此计算吸光度。所述434nm和620nm分别为溴百里酚蓝指示剂在酸态和碱态的最大吸收峰处的波长；750nm为溴百里酚蓝不吸收的波长，750nm处的吸光度可做参比，消除光源发光强度的变化以及流体中微小颗粒对测定的干扰。

在测定吸光度时，应通过调整指示剂浓度或者流通池光程长度，使得吸光度数据在0.2-1.0之间。

本发明所述船载式高精度海水pH和pCO₂的检测方法包括如下步骤：

1.测量海水pH的检测方法

11)测量前处理准备

所述潜水泵21将海水样品通过海水采集管路22抽送至海水样品槽24中并利用第一恒温水浴槽26恒温；将指示剂袋放入第二恒温水浴槽18中，使海水样品和指示剂间甲酚紫溶液的温度达到25.0℃，同时空气浴恒温箱也将测量装置恒温至25.0℃。

12)测量空白海水样品的光强实验：

测量海水pH时，将过滤头25进入海水样品槽d中将抽取的海水过滤，为了提高海水pH测量的准确度，所用指示剂为提纯后的间甲酚紫溶液。

体系中海水样品和指示剂的流动通过控制蠕动泵和两位三通电磁阀来实现。将测量装置中第一三通阀4的①②和第二三通阀7的①②连接，打开第一蠕动泵，将空白海水抽取至管路中完成冲洗和进样，多余的液体经排废管路排出。打开微型氘-卤钨灯，光谱仪检测流通池内空白海水在434、487.6、578和750nm波长处的光强，记录数据。

13)测量海水样品及指示剂混合溶液的光强实验：

将第一三通阀4的②③连接，第一蠕动泵将一定体积的间甲酚紫溶液从第一指示剂袋中抽取至流路后，第一三通阀4改为①②连接，第一蠕动泵继续抽取海水样品至流路中，在第一蠕动泵的驱动下海水和指示剂在流路中混合，打开微型氘-卤钨灯，光谱仪检测流通池内混合溶液在434、487.6、578和750nm处波长的光强。控制流通池内海水和指示剂的体积比为20:1-1000:1。

以空白海水的检测光强为I₀，海水和指示剂混合溶液的检测光强为I，计算吸光度A＝-log(I/I₀)，计算得出混合溶液在434、487.6、578和750nm处吸光度。根据吸光度、温度和盐度数据，计算海水样品的pH值。所述海水样品的盐度由其它测量仪器测定。

所述海水pH的计算方法如下：

$pH=-\log \left(K_2{e}_2\right)+\log \left(\frac{R-e_1}{1-R\frac{e_3}{e_2}}\right),$

其中K₂为指示剂二级解离常数，R为吸光度比值，e₁，e₂，e₃为指示剂不同形态在不同波长的摩尔吸光系数的比值：

$R=\frac{{\mathrm{\&lambda;}}_{2}A}{{\mathrm{\&lambda;}}_{1}A},e_1=\frac{{\mathrm{\&lambda;}}_2{\mathrm{\&epsiv;}}_{{\mathrm{HI}}^{-}}}{{\mathrm{\&lambda;}}_1{\mathrm{\&epsiv;}}_{{\mathrm{HI}}^{-}}},e_2=\frac{{\mathrm{\&lambda;}}_2{\mathrm{\&epsiv;}}_{I^{2-}}}{{\mathrm{\&lambda;}}_1{\mathrm{\&epsiv;}}_{{\mathrm{HI}}^{-}}},e_3=\frac{{\mathrm{\&lambda;}}_1{\mathrm{\&epsiv;}}_{I^{2-}}}{{\mathrm{\&lambda;}}_1{\mathrm{\&epsiv;}}_{{\mathrm{HI}}^{-}}},$

λ₁和λ₂为指示剂在酸态和碱态的最大吸收波长434nm和578nm，λ₂A和λ₁A为在λ₂、λ₁波长下下测定的样品吸光度，和为I₂ ^-在λ₁和λ₂波长时的吸光系数，和为HI^-在λ₁和λ₂时的吸光系数。公式中-log(K₂e₂)、e₁和e₃/e₂是温度(T)、盐度(S)的函数，以下为-log(K₂e₂)、e₁和e₃/e₂的计算公式，温度的单位为K，适用范围为：278.15≤T≤308.15，20≤S≤40：

-log(K₂e₂)＝a+b/T+clnT-dT

a＝-246.64209+0.315971S+2.8855×10^-4S²

b＝7229.23864-7.098137S-0.057034S²

c＝44.493382-0.052711S

d＝0.0781344

e₁＝-0.007762+4.5174×10^-5T

e₃/e₂＝-0.020813+2.60262×10^-4T+1.0436×10^-4×(S-35)

在实际测量中，将测得的温度、盐度和吸光度代入到公式中便可以计算海水pH。具体计算时，将测得的两个波长的吸光度减去不吸收的吸光度A₇₅₀，以消除光源发光强度的变化以及流体中微小颗粒对测定的干扰，因此吸光度比的计算方法为：

$R=\frac{A_{578}-A_{750}}{A_{434}-A_{750}}.$

14)消除指示剂对海水pH干扰的实验：

由步骤12)和步骤13)得到的是海水和指示剂混合溶液的pH值，由于指示剂本身是一种二元酸，会对海水pH产生干扰，因此需要消除指示剂对海水pH的干扰。本发明通过标准加入的方法对指示剂的干扰进行消除。

本发明在步骤13)后对相同海水样品的pH进行第二次测定，此时延长间甲酚紫的进样时间使进入流路的间甲酚紫体积大约为步骤13)中的两倍，重复步骤13)中的操作，测得此次混合溶液在434、487.6、578和750mn处的吸光度，并计算pH。

以两次测得的混合溶液487.6nm处的吸光度为X轴，pH值为Y轴做直线，得到本次测量的校正公式，当X为0时的Y值便是海水精确的pH值。因此本发明针对每次测量都会实时得出一个消除指示剂干扰的公式，相比现有技术中在实验室内做校正实验得到的校正公式而言更加准确。

2.测量海水pCO₂的检测方法

21)测量系统校准实验：

为了获得更准确的海水pCO₂值，需在实际测量前在实验室内利用CO₂标准气体对体系中的pCO₂测量系统进行校准，得出校准系数。

22)测量前处理准备

所述潜水泵21将海水样品通过海水采集管路22抽送至海水样品槽24中并利用第一恒温水浴槽26恒温；将指示剂袋放入第二恒温水浴槽18中，使海水样品和指示剂溴百里酚蓝溶液的温度达到25.0℃，同时空气浴恒温箱也将测量装置恒温至25.0℃。

23)测量空白海水样品的光强实验：

测定pCO₂时将TeflonAF2400管路没入到海水样品槽24中，使指示剂在经过TeflonAF2400管路时与海水样品的CO₂浓度达到平衡。由于目前还没有标准的溴百里酚蓝的提纯方法，可使用未经提纯的溴百里酚蓝作为海水pCO₂测量的指示剂。

首先将第一三通阀4的①②和第二三通阀7的①②连接，开启第一蠕动泵5，将空白海水抽取至流路中完成冲洗和进样，多余的液体从废液管路9中排出。打开微型氘-卤钨灯，光谱仪检测流通池内空白海水在434、620和750nm波长处的光强，记录数据。

24)测量指示剂溶液的光强实验：

将第二三通阀7的②③连接，开启第二蠕动泵13，将指示剂溴百里酚蓝从第二指示剂袋中抽取至流路中，指示剂经过TeflonAF2400管路时与海水的pCO₂达到平衡，打开微型氘-卤钨灯，检测流通池内指示剂在434、620和750nm处的光强，记录数据。将吸光度代入公式中计算指示剂pH。

以空白海水的检测光强为I₀，指示剂溶液的检测光强为I，计算吸光度A＝-log(I/I₀)，计算得出指示剂在434、620和750nm处的吸光度。指示剂pH的计算方法如下：

$pH={\mathrm{pK}}_a+\log \frac{R-e_1}{e_2-{\mathrm{Re}}_3},$

其中pK_a为指示剂解离常数，R为吸光度比值，e₁，e₂，e₃为指示剂不同形态在不同波长的摩尔吸光系数的比值：

$R=\frac{{\mathrm{\&lambda;}}_{2}A}{{\mathrm{\&lambda;}}_{1}A},e_1=\frac{{\mathrm{\&lambda;}}_2{\mathrm{\&epsiv;}}_{{\mathrm{HI}}^{-}}}{{\mathrm{\&lambda;}}_1{\mathrm{\&epsiv;}}_{{\mathrm{HI}}^{-}}},e_2=\frac{{\mathrm{\&lambda;}}_2{\mathrm{\&epsiv;}}_{I^{2-}}}{{\mathrm{\&lambda;}}_1{\mathrm{\&epsiv;}}_{{\mathrm{HI}}^{-}}},e_3=\frac{{\mathrm{\&lambda;}}_1{\mathrm{\&epsiv;}}_{I^{2-}}}{{\mathrm{\&lambda;}}_1{\mathrm{\&epsiv;}}_{{\mathrm{HI}}^{-}}},$

λ₁和λ₂为指示剂在酸态和碱态的最大吸收波长434nm和620nm，λ₂A和λ₁A为在λ₂、λ₁波长下下测定的样品吸光度，和为I^-在λ₁和λ₂波长时的吸光系数，和为HI^-在λ₁和λ₂时的吸光系数。在25℃时，pK_a＝7.0， ${\mathrm{\&lambda;}}_1{\mathrm{\&epsiv;}}_{I^{2-}}=3301L{\mathrm{mol}}^{-1}{\mathrm{cm}}^{-1},{\mathrm{\&lambda;}}_2{\mathrm{\&epsiv;}}_{I^{2-}}=29042L{\mathrm{mol}}^{-1}{\mathrm{cm}}^{-1},{\mathrm{\&lambda;}}_1{\mathrm{\&epsiv;}}_{{\mathrm{HI}}^{-}}=14223L{\mathrm{mol}}^{-1}{\mathrm{cm}}^{-1},$ 测得吸光度比值R后，可将以上数据代入公式中，计算指示剂的pH。具体计算时，将测得的两个波长的吸光度减去不吸收的吸光度A₇₅₀，以消除光源发光强度的变化以及流体中微小颗粒对测定的干扰，因此吸光度比的计算方法为：

$R=\frac{A_{620}-A_{750}}{A_{434}-A_{750}}$

根据指示剂溶液和碳酸盐体系的电离、水解平衡关系得到pH和pCO₂的关系式，如下式：

[H⁺]³+[Na⁺]-K_ac_HI/(K_a+[H⁺]))[H⁺]²-(K₁K_hpCO₂+K_w)[H⁺]-2K₁K₂K_hpCO₂＝0其中，[H⁺]是氢离子的浓度，[Na⁺]是指示剂溶液中Na⁺离子的浓度，Ka为指示剂离解平衡常数，c_HI是指示剂的总浓度，K₁、K₂分别为碳酸的一级和二级离解平衡常数，K_h为亨利常数，K_w是水的离解平衡常数。由以上方程可得出指示剂溶液中H⁺浓度和样品中pCO₂的关系，可见，只要测定指示剂溶液的pH值，就可由各平衡常数计算海水样品的pCO₂。将测得的海水pCO₂值乘以校准系数，便可得到海水pCO₂的精确数值。

本发明所述的船载式高精度海水pH和pCO₂测量系统以光度法和流动注射分析为基础，能够分别进行海水pH和pCO₂的检测。本测量装置结构简单、集成度高、不存在极限漂移现象，适用于船载式走航测量。根据测得的pH和pCO₂数据，可以计算得到碳酸盐体系的其他两个参数，即碱度和溶解无机碳，从而避免了在海洋酸化和碳循环研究中复杂的对四个参数复杂的测量操作过程。在本发明所述的测量体系中，海水pH测量部分采用纯化的间甲酚紫做指示剂，并在每次测量中校正指示剂的干扰；针对pCO₂测量部分，在实际测量pCO₂之前，在利用CO₂标准气体对测量体系进行校准，以上措施可以提高测量系统的准确度，获得更为精准的pH和pCO₂数据。

实施例1

本实施例中前处理装置(图1)包括潜水泵21、海水采集管路22、海水排出管路23、海水样品槽24、过滤头25和第一恒温水槽26。第一恒温水浴槽26将海水温度稳定在25.0℃，误差在控制为0.1℃。所述海水采集管路和海水排出管路为乳胶管，内径为3.0mm，外径为5.0mm，所述连接测量装置的海水进样管路为聚四氟乙烯材料，内径为1.0mm，外径为2.0mm。过滤头为不锈钢或PEEK材料，孔径为1-10μm。

测量装置(图2)包括海水进样管路1、第一指示剂袋2、第一指示剂进样管路3、第一三通阀4、第一蠕动泵5、混合器6、第二三通阀7、流通池8、排废管路9、第二指示剂袋10、第二指示剂进样管路11、TeflonAF2400管路12、第二蠕动泵13、微型氘-卤钨灯14、光纤15、光谱仪16、空气恒温装置17和第二恒温水浴槽18。指示剂袋材料为隔绝空气的聚四氟乙烯，第一指示剂袋2中的指示剂为纯化的间甲酚紫和氯化钠溶液，第二指示剂袋10中的指示剂为溴百里酚蓝和碳酸钠溶液，指示剂袋放置于温度稳定在25.0℃的第二恒温水槽18中。三通阀为两位三通电磁阀，可通过改变三通阀的通道选择流体的流路。所述流体管路为聚四氟乙烯材料，内径为1.0mm，外径为2.0mm。流通池8的光程长度为2cm。

实施例2

本实施例分析海水pH值，使用实施例1中所述的分析装置。

1.配制指示剂溶液

配制间甲酚紫和氯化钠混合溶液，间甲酚紫浓度为2mmol/L，氯化钠浓度为0.7mol/L，并用1.0mol/L的盐酸和氢氧化钠将混合溶液的pH值调至约7.9。

2.海水pH的测量

21)将指示剂恒温至25.0℃。用潜水泵21将海水样品通过海水采集管路22抽取至海水样品槽24中，利用恒温水槽将海水样品恒温至25.0℃。空气浴恒温箱17将测量装置恒温至25.0℃。

22)过滤头25浸没在海水样品中。测量装置中第一三通阀4的①②和第二三通阀7的①②连接，打开第一蠕动泵5，将海水抽取至管路中完成冲洗和进样，多余的液体从废液管路9中排出，打开微型氘-卤钨灯14，光谱仪16检测流通池8内空白海水在434、487.6、578和750nm波长处的光强。然后第一三通阀4的②③连接，第一蠕动泵5将一定体积的间甲酚紫指示剂抽取至流路后，第一三通阀4改为①②连接，第一蠕动泵5继续抽取海水样品至流路中，在第一蠕动泵5的驱动下海水和指示剂在流路中混合，打开微型氘-卤钨灯14，光谱仪16检测流通池8内混合溶液在434、487.6、578和750nm处波长的光强。以空白海水的检测光强为I₀，海水和指示剂混合溶液的检测光强为I，计算吸光度A＝-log(I/I₀)，以此计算得出混合溶液在434、487.6、578和750nm处吸光度。根据吸光度，温度和盐度数据，计算海水样品的pH值。

$pH=-\log \left(K_2{e}_2\right)+\log \left(\frac{R-e_1}{1-R\frac{e_3}{e_2}}\right),$

其中K₂为指示剂二级解离常数，R为吸光度比值，e₁，e₂，e₃为指示剂不同形态在不同波长的摩尔吸光系数的比值：

$R=\frac{{\mathrm{\&lambda;}}_{2}A}{{\mathrm{\&lambda;}}_{1}A},e_1=\frac{{\mathrm{\&lambda;}}_2{\mathrm{\&epsiv;}}_{{\mathrm{HI}}^{-}}}{{\mathrm{\&lambda;}}_1{\mathrm{\&epsiv;}}_{{\mathrm{HI}}^{-}}},e_2=\frac{{\mathrm{\&lambda;}}_2{\mathrm{\&epsiv;}}_{I^{2-}}}{{\mathrm{\&lambda;}}_1{\mathrm{\&epsiv;}}_{{\mathrm{HI}}^{-}}},e_3=\frac{{\mathrm{\&lambda;}}_1{\mathrm{\&epsiv;}}_{I^{2-}}}{{\mathrm{\&lambda;}}_1{\mathrm{\&epsiv;}}_{{\mathrm{HI}}^{-}}},$

λ₂A和λ₁A为在间甲酚紫碱态和酸态最大吸收峰处即在578nm和434nm波长下测定的样品的吸光度，和为I₂ ^-在434nm和578nm波长下的吸光系数，和为HI^-在434nm和578nm波长下的吸光系数。

公式中-log(K₂e₂)、e₁和e₃/e₂是温度(T)、盐度(S)的函数，以下为-log(K₂e₂)、e₁和e₃/e₂的计算公式，温度的单位为K，适用范围为：278.15≤T≤308.15，20≤S≤40。

在25.0℃时，纯化的间甲酚紫各参数计算公式为：

-log(K₂e₂)＝7.814471-0.008162S+9.7257×10^-5S²

e₁＝0.005707

e₃/e₂＝0.0567841+1.0436×10^-4×(S-35)

在实际测量中，将测得的温度、盐度和吸光度代入到公式中便可以计算海水pH。吸光度比值的计算方法为：

$R=\frac{A_{578}-A_{750}}{A_{434}-A_{750}}.$

23)延长间甲酚紫的进样时间，使进入流路的间甲酚紫指示剂体积大约为步骤22)中的两倍，重复步骤22)中的操作，对同一海水样品进行第二次测量，测得混合溶液在434、487.6、578和750mn处的吸光度，并计算pH。

24)以两次测得的混合溶液487.6nm处的吸光度为X轴，pH值为Y轴做直线，当X为0时的Y值便是海水精确的pH值。

实施例3

本实施例分析海水pCO₂值，使用实施例1中所述的分析装置。

1.配制指示剂溶液

配制溴百里酚蓝和碳酸钠的混合溶液，溴百里酚蓝的浓度为20μmol/L，碳酸钠的浓度为50μmol/L。

2.海水pCO₂的测量

21)在实验室内利用CO₂标准气体对该测量系统进行校准，得出校准系数。

22)将指示剂恒温至25.0℃。用潜水泵a将海水样品通过海水采集管路b抽取至海水样品槽d中，利用恒温水槽将海水样品恒温至25.0℃。空气浴恒温箱17将测量装置恒温至25.0℃。

23)TeflonAF2400管路浸没在海水样品中。首先第一三通阀4和第二三通阀7的①②连接，开启第一蠕动泵5，将空白海水抽取至流路中完成冲洗和进样，多余的液体从废液管路9中排出，打开微型氘-卤钨灯，光谱仪16检测流通池8内空白海水在434、620和750nm处的光强。第二三通阀7的②③连接，开启第二蠕动泵13，将溴百里酚蓝抽取至流路中，指示剂经过TeflonAF2400管路12时与海水的pCO₂达到平衡，打开微型氘-卤钨灯14，检测流通池8内指示剂在434、620和750nm处的光强。以空白海水的检测光强为I₀，指示剂的检测光强为I，计算吸光度A＝-log(I/I₀)。指示剂pH计算公式为：

$pH={\mathrm{pK}}_a+\log \frac{R-e_1}{e_2-{\mathrm{Re}}_3},$

其中K_a为指示剂解离常数，R为吸光度比值，e₁，e₂，e₃为指示剂不同形态在不同波长的摩尔吸光系数的比值：

$R=\frac{{\mathrm{\&lambda;}}_{2}A}{{\mathrm{\&lambda;}}_{1}A},e_1=\frac{{\mathrm{\&lambda;}}_2{\mathrm{\&epsiv;}}_{{\mathrm{HI}}^{-}}}{{\mathrm{\&lambda;}}_1{\mathrm{\&epsiv;}}_{{\mathrm{HI}}^{-}}},e_2=\frac{{\mathrm{\&lambda;}}_2{\mathrm{\&epsiv;}}_{I^{2-}}}{{\mathrm{\&lambda;}}_1{\mathrm{\&epsiv;}}_{{\mathrm{HI}}^{-}}},e_3=\frac{{\mathrm{\&lambda;}}_1{\mathrm{\&epsiv;}}_{I^{2-}}}{{\mathrm{\&lambda;}}_1{\mathrm{\&epsiv;}}_{{\mathrm{HI}}^{-}}},$

λ₂A和λ₁A为在溴百里酚蓝碱态和酸态最大吸收峰处即在620nm和434nm波长下测定的样品的吸光度，和为I₂ ^-在434nm和620nm波长下的吸光系数，和为HI^-在434nm和578nm波长下的吸光系数。在25℃时， ${\mathrm{\&lambda;}}_1{\mathrm{\&epsiv;}}_{I^{2-}}=3301L{\mathrm{mol}}^{-1}{\mathrm{cm}}^{-1},{\mathrm{\&lambda;}}_2{\mathrm{\&epsiv;}}_{I^{2-}}=29042L{\mathrm{mol}}^{-1}{\mathrm{cm}}^{-1},{\mathrm{\&lambda;}}_1{\mathrm{\&epsiv;}}_{{\mathrm{HI}}^{-}}=14223L{\mathrm{mol}}^{-1}{\mathrm{cm}}^{-1},$ 测得吸光度比值R后，可将以上数据代入公式中计算指示剂的pH,，吸光度比值的计算方法为：

$R=\frac{A_{620}-A_{750}}{A_{434}-A_{750}}$

24)将指示剂中氢离子浓度[H⁺]，钠离子浓度[Na⁺]和指示剂浓度c_HI代入pH与pCO₂关系式中，计算得出海水pCO₂。公式如下：

[H⁺]³+[Na⁺]-K_ac_HI/(K_a+[H⁺]))[H⁺]²-(K₁K_hpCO₂+K_w)[H⁺]-2K₁K₂K_hpCO₂＝0其中，[H⁺]是氢离子的浓度，[Na⁺]钠离子的浓度，K₁、K₂分别为碳酸的一级和二级离解平衡常数，K_h为亨利常数，Ka为指示剂离解平衡常数，c_HI是指示剂的总浓度，[Na⁺]是指示剂溶液中Na⁺离子的浓度，K_w是水的离解平衡常数。

25)将测得的海水pCO₂值乘以校准系数，便可得到海水pCO₂的精确数值。

以上实施例仅是本发明若干种优选实施方式中的几种，应当指出，本发明不限于上述实施例；对于本领域的普通技术人员来说，依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明所要求保护的技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种基于光度法的船载式pH和pCO₂测量装置，其特征在于，包括前处理装置及测量装置；所述前处理装置包括潜水泵、海水采集管路、海水排出管路、海水样品槽、过滤头和第一恒温水浴槽；所述过滤头位于样品槽内，所述样品槽位于第一恒温水浴槽内，所述样品槽分别与海水采集管路及海水排出管路连接，所述潜水泵设置于海水采集管路的进口端；

所述测量装置包括与过滤头连接的海水进样管路；依次连接的第一指示剂袋、第一指示剂进样管路、第一三通阀、第一蠕动泵、混合器；依次连接的第二指示剂袋、第二指示剂进样管路、TeflonAF2400管路、第二蠕动泵；流通池及分别与其连接的第二三通阀、排废管路、微型氘-卤钨灯、光谱仪；空气恒温箱和第二恒温水浴槽；所述TeflonAF2400管路浸没于海水样品槽内；所述第一三通阀分别与海水进样管路、第一蠕动泵、第一指示剂进样管路连接；所述第二三通阀分别与混合器、第二蠕动泵、流通池连接；所述微型氘-卤钨灯及光谱仪通过光纤与流通池连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于光度法的船载式pH和pCO₂测量装置，其特征在于，所述过滤头为不锈钢或PEEK材料，孔径为1-10μm。

3.根据权利要求1所述的一种基于光度法的船载式pH和pCO₂测量装置，其特征在于，所述海水采集管路和海水排出管路为乳胶管，其他管路均为聚四氟乙烯材料，海水采集管路和海水排出管路内径为1-3mm，外径为2-5mm，其他管路内径为0.5-2mm，外径为1-3mm。

4.根据权利要求1所述的一种基于光度法的船载式pH和pCO₂测量装置，其特征在于，所述流通池内部管路为Z型，材料为POM或PEEK，光程长度为1-10cm。

5.根据权利要求1所述的一种基于光度法的船载式pH和pCO₂测量装置，其特征在于，所述光谱仪对波长的分辨率高于2nm，信噪比值高于800:1。

6.根据权利要求1所述的一种基于光度法的船载式pH和pCO₂测量装置，其特征在于，所述指示剂袋材料为聚四氟乙烯，所述第一指示剂袋中的指示剂为间甲酚紫和氯化钠溶液，间甲酚紫指示剂的浓度范围为0.5-10mmol/L；所述第二指示剂袋中的指示剂为溴百里酚蓝和碳酸钠溶液，溴百里酚蓝指示剂的浓度范围为3-50μmol/L。

7.一种基于光度法的船载式pH的测量方法，其特征在于，

1）将海水样品、指示剂及测量装置恒温至25.0℃；

2）将过滤头浸没在海水样品中，将第一三通阀的①②和第二三通阀的①②连接，将空白海水抽取至流通池中完成冲洗和进样，打开微型氘-卤钨灯，光谱仪检测流通池内空白海水在434、487.6、578和750nm波长处的光强，记录数据；

3）将第一三通阀的②③连接，第一蠕动泵将间甲酚紫溶液抽取至流路，然后再将第一三通阀改为①②连接，第一蠕动泵继续抽取海水样品至流路中，在第一蠕动泵的驱动下海水样品和指示剂混合，打开微型氘-卤钨灯，光谱仪检测流通池内混合溶液在434、487.6、578和750nm处波长的光强，记录数据；

4）以步骤2）中空白海水的检测光强为I₀，以步骤3）中海水和指示剂混合溶液的检测光强为I，计算混合溶液吸光度A=-log(I/I₀)，计算得出混合溶液在434、487.6、578和750nm处吸光度；再根据吸光度、温度和盐度数据，计算得出海水样品的pH值；

5)延长指示剂间甲酚紫的进样时间，使进入流通池的间甲酚紫体积为步骤3）中的两倍，重复步骤3）中的操作，对同一海水样品进行第二次测量，得到混合溶液在434、487.6、578和750mn处的吸光度，并计算pH；

6）以步骤3）和步骤5）两次测得的混合溶液487.6nm处的吸光度为X轴，pH值为Y轴做直线，当X为0时的得到的Y值是海水精确pH值。

8.根据权利要求7所述的一种基于光度法的船载式pH的测量方法，其特征在于，所述步骤3）中混合溶液中海水和指示剂的体积比为20:1-1000:1。

9.一种基于光度法的船载式pCO₂的测量方法，其特征在于，

1)在实验室内利用CO₂标准气体对测量系统进行校准，得出校准系数；

2）将海水样品、指示剂及测量装置恒温至25.0℃；

3)将TeflonAF2400管路浸没在海水样品中，将第一三通阀的①②和第二三通阀的①②连接，将空白海水抽取至流通池中完成冲洗和进样，打开微型氘-卤钨灯，光谱仪检测流通池内空白海水在434、620和750nm处的光强，记录数据；

4）将第二三通阀的②③连接，将溴百里酚蓝指示剂抽取至管路中，指示剂缓慢经过AF2400管路时与海水的pCO₂达到平衡，打开微型氘-卤钨灯，检测流通池内指示剂在434、620和750nm处的光强；

5）以步骤3）中空白海水的检测光强为I₀，以步骤4）中指示剂的检测光强为I，计算吸光度A=-log(I/I₀)；再根据吸光度、温度和盐度数据，计算得出海水样品的pH值；

6)根据指示剂中氢离子浓度[H⁺]，钠离子浓度[Na⁺]和指示剂浓度c_HI数据，计算得出海水pCO₂；将测得的海水pCO₂值乘以步骤1）中的校准系数，得到海水精确pCO₂的数值。