CN111566466A - 鱼塘及类似环境中的物质特别是氨气的浓度的实时监测 - Google Patents

鱼塘及类似环境中的物质特别是氨气的浓度的实时监测 Download PDF

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Abstract

一种用于在一水性环境中检测一溶解的气态杂质的设备及方法，包括一管体或一采样器、一真空泵浦及一容纳室。所述管体用于隔离液体表面，所述采样器用于从所述水性环境中获取所述液体样品，所述真空泵浦被设置在施加一真空的位置，以由所述表面蒸发到所述真空中，所述容纳室用于容纳蒸发的气体，然后可以使用电化学方法或光谱法对所述蒸发的气体进行分析。所述设备可用于检测鱼池中的氨气的含量程度或实际上可能溶解在水中的任何杂质。

Description

鱼塘及类似环境中的物质特别是氨气的浓度的实时监测
技术领域及背景技术
本发明在其一些实施例中涉及监测多个溶液中的物质的浓度，所述物质更具体地但不限于涉及溶解在水中的多个污染物，特别是涉及水产养殖及多个鱼池中的多个污染物，例如：氨气。
由于世界人口增长而需要生产更大量的食物的需求是农业及水产养殖生产系统增强化的驱动力之一。当前有多种养殖鱼类的方法，从广泛的生产池塘(其中所述鱼类的密度大约等于或低于每1立方米一条鱼，并且取决于维持水质的多个自然手段)到能够回收所述水及每1立方米生产约100倍的鱼类的多个系统。本领域的多个改进引起了对所述多个生产系统中所使用的所述水质进行密切监控的需要，在多个水产养殖中最重要的所述多个因素中的一个是所述池水中的多个氨气(NH3)浓度的含量程度。
氨气被认为对鱼类有剧毒，甚至0.06百万分率(ppm)的多个低浓度也足以对鱼类造成长期压力，导致鱼鳃及肾脏组织受损，而0.6百万分率的多个浓度已被认为对一些鱼类具有致死性，一些物种可能对低至0.1百万分率的多个浓度敏感。氨气作为多个蛋白质的脱氨作用的一最终过程而出现在水中。氨气既可以是多个鱼类代谢物的一产物，也可以来自于水中未食用的食物。由于鱼类食品通常含有多个高含量程度的蛋白质(最高60％的蛋白质)。因此，多个氨气的所述多个含量程度可能会变得有毒的可能性一直备受关注。水中的氨气的所述多估含量程可以快速变化，并且取决于水中存在的许多因素。植物、藻类及细菌消耗氨气作为一能量来源，因此可以降低水中的氨气的含量程度。有一些非生物因素会影响毒性，例如：pH值、温度、碱性及盐度。为了保持鱼类健康及生长，必须每天监测氨气的多个含量程度。
现有的监测多个氨气的含量程度的多个设备可以分为湿式系统及干式系统，所述湿式系统用于测量溶解在液体中的氨气，而所述干式系统则用于监测气相中的氨气。用于测量水中氨气的大多数测试系统都是基于多个化学反应，其中许多测试系统将水中的总氨氮(TAN)算作多个NH4 +分子的含量程度，然后使用pH值及多个温度图表来计算所述NH3 +的多个浓度NH3(aq)+H2O(l)<->NH4 + (aq)+OH- (aq)。这些易于使用的系统不考虑白天发生的变化，例如：日间的藻类活动，因此所述多个系统的范围受到限制。所述多个系统中的大多数均基于多个比色结果，所述多个比色结果是主观的，并且会受到池塘的水的背景色的影响。还有其他系统可以利用NH4 +分子的所述电荷实时监测氨气的多个含量程度，并且根据所述多个pH值及温度计算所述氨气旳含量程度。然而，当所述池塘的水中存在其他可溶性离子时，所述多个系统往往会产生多个错误的结果。
发明内容
本发明的多个实施例将被测试的水的一样品蒸发到一有效的真空中并使用光谱学来确定氨气或任何其他指定物质的数量。此外，本发明的多个实施例可用于根据所述多个成分的光谱特征来分析例如血液、尿液、汗液、唾液、各种饮料等多个液体中的其他成分的浓度。特别地，可以基于公知的氧气在60吉赫(GHz)下的吸收线，使用所述方法来进行多个池塘及其他液体中的所述氧气浓度。
根据本发明的一些实施例的一方面，提供了一种于在一水性环境中检测一溶解的气态杂质的设备，所述设备包括：
真空泵，被设置在对一隔离的液体的表面上施加一真空，使所述表面蒸发到所述真空中；及
一容纳室，用于容纳来自于所述样品的蒸发气体。
多个实施例可以包括一光谱检测单元，以检测所述蒸发气体的多个光谱信号，从而识别所述水性环境中的所述气态杂质或识别所述气态杂质的一浓度。
所述光谱检测单元可包括一辐射源及一检测器，并且所述光谱检测单元可以内置在所述保持单元中。
所述光谱检测单元可被配置为使用傅里叶变换红外线(FTIR)光谱学。
一实施例可以包括一电化学检测器单元，所述电化学检测器单元被配置为识别所述气态杂质。
所述采样器可以是耐真空的，所述采样器在一端处包括一阀门，所述阀门为可开启的，以获取所述液体样品，并且所述阀门在从另一端对所述样品的一表面施加所述真空之前为可关闭的。
在一实施例中，所述容纳室是可卸除的，以用于远程光谱分析。
在一实施例中，所述检测器单元被配置为检测氨，或检测氨或其他水性物质的一浓度。
在一实施例中，所述水性环境是一水产养殖环境。
根据本发明的另一方面，提供了一种在一水性环境中检测多个溶解的气态杂质的方法，所述方法包括：
获得所述水性环境的一样品容积；
在所述样品容积的一表面上方施加一真空；
使所述样品容积蒸发到所述真空中；及
对所述蒸发物进行测量，以检测一气态杂质。
所述测量是使用电化学检测来获得。
所述测量是使用光谱学来获得，例如：傅里叶变换红外线(FTIR)光谱学。
本方法可以用于检测氨气的一浓度，并且所述水性环境可以是一水产养殖环境。
替代地，所述水性环境可以是供人类饮用的一液体。
在多个实施例中，多个测量装置可以漂浮在一水体上，并且可以将多个测量值传输到一中心位置，以提供对所述水体的实时监测。所述多个装置可以包括一发射机及例如一全球定位系统(GPS)的一位置检测器，所述多个装置可以系泊或自由漂浮，并且可以由电池或太阳能供电，所述多个设备可以是多个物联网(IOT)设备，以用于适应性连接。
除非另外定义，否则本文所使用的所有技术术语和/或科学术语都具有与本发明所属领域的普通技术人员通常所理解的相同的意义。虽然本发明的实施方式可以通过类似或等同于本发明的实施方式所述的任何方法和材料实施或测试，本发明的实施方式、列举的方法和/或材料已在下面描述。在冲突的情况下，将以本专利说明书并且包括定义为准。此外，材料、方法和实施方式仅是举例性质，并且不必然用以限制。
附图说明
本发明的一些实施例在此仅通过举例的方式并参考多个附图来描述，通过详细说明附图具体的参考资料，应当强调所示的细节仅为举例，用以说明本发明实施例的目的。基于这点，结合所述附图及描述使得本领域技术人员能清楚的实施本发明的实施例。
在附图中：
图1A是示出根据本发明的一实施例的池塘水采样的一简化图；
图1B是示出图1A的所述池塘水采样的一变型的一简化图；
图2A是可用于本发明的多个实施例的一采样方法的一流程图；
图2B是图2A所示的所述方法的一变型的一流程图；
图3A是用于根据本发明的多个实施例的一样品的傅里叶变换红外线(FTIR)光谱的一光学设置的一图示；
图3B是图3A的一部分的一细节；
图4是表示将一气体室插入用于FTIR的一测定装置中的一照片；
图5是示出根据本发明的多个实施例的用于多个样品的受控温度测量的一实验性设置的一照片。
图6是表示使用本发明的多个实施例得到的针对多个不同的氨气浓度的多个光谱吸收线的多个实验结果的一图表。
图7是示出了从图6的所述图表中确定的多个吸收线与氨气浓度之间的关系的一简化的图表；
图8是表示使用本发明的多个实施例在多个不同的温度下针对一单一氨气浓度得到的多个光谱吸收线的多个实验结果的一图表；
图9是示出了由图8的图表确定的在固定的氨气浓度下的多个吸收线与温度之间的关系的一简化的图表；及
图10是根据本发明的多个实施例的多个测量单元被布设在一水体上的一简化的示意图。
具体实施方式
本发明在一些实施例中涉及监测多个溶液中物质的浓度，所述物质更具体但不限于涉及溶解在水中的多个污染物，特别是涉及水产养殖及多个鱼塘中的例如氨气等的多个污染物。
各式各样的气体传输室可用于使用红外光谱学来分析多个气体及气相组分，所述多个气体传输室的范围为从用于百分比浓度测量的短路径长度的气体室到用于十亿分之一浓度的长路径长度的气体室(或多次通过气体室)。多个选项包括固定及可变的路径长度的气体室，以及周围环境温度及多个加热气体室，气体通过所述多个室，并使用多个光谱检测技术进行分析。
然而，多个气体传输室被设计为用于多个气体，而不是用于多个液体，即使所述池塘中的水被蒸发了，由于水的衰减大且信噪比(SNR)差，多个光谱检测技术可能无法有效地识别水中的一小组分。
本发明的多个实施例描述了一种监测多个鱼池中的所述氨气浓度的多个变化的方法及设备，所述方法及设备允许使用多个气体室，所述方法是基于在中红外线(MIR)及远红外线(FIR)光谱范围内监控纯氨气(NH3)的光谱特征。所述池塘中的所述水不是通过加热而是通过使用一真空泵进行蒸发，然后被传送到一气体室，所述气体室中可以使用光谱学或其他测量技术，例如：电化学技术。使用一真空泵的一优点在于对于许多物质而言，仅需要一弱真空来改善蒸发，因此，与将所述样品加热到达到相同效果所需的程度相比，所需的能量更少。
利用光谱学，一光束与所述蒸发的气体发生相互作用，并且如下所述，发现了在所述蒸发过程中的氨气的所述浓度与所述检测到的信号之间的一线性关系。被检测到的氨气浓度低至1或甚至0.1ppm，并且通过多个常规方法确定了所述多个含量程度。如果在多个较长路径的气体室(例如：多个多路径室)中使用多个较长的相互作用路径，则可以实现多个更高的灵敏度。本发明的多个实施例的多个优点可以包括作为氨气的一直接测量、一更高的准确度及实时操作，而不是目前所使用的多个间接计算。
因此，本发明的多个实施例可以提供一实时的创新的方法来监测鱼池的水中的有毒氨气的多个变化。
如所提及的，本发明的多个实施例可以使用光谱学，并且可以使用纯氨气在所述中红外线(MIR)波段及远红外线(FIR)波段中的公知的多个吸收线与在蒸发物中检测到的多个线之间的一比较。来自于所述池塘水的所述多个蒸发的气体与在MIR及FIR的光谱范围内的电磁辐射之间的相互作用可能会产生一光谱特征。随后将所述多个测量的光谱特征及所述蒸发物的多个吸收线与纯氨气的所述多个吸收线进行比较，可以得出所述池塘水中氨气的所述浓度。因此，使用本方法可以允许实时地对所述池塘中的NH3浓度的直接测量。
多个进一步的实施例可以提供一种技术，所述技术通过增加所述测量室中的所述相互作用长度来帮助克服与检测多估非常低浓度相关的多个问题。
过去已经使用多个气体室，本发明的多个实施例可以将所述水蒸发到一真空中，然后使用光谱法测量所述真空室中的所述多个内容物。由于衰减大及信噪比(SNR)差，因此无法使用多个光谱技术在所述水性环境本身中准确地测量氨气或其他物质。本发明的多个实施例可以检测及测量水中的氨气或其他物质的所述独特的吸收线，特别是优先在所使用的温度下的水中蒸发的多个物质。本发明的多个实施例允许从所述水或其他水溶液蒸发到所述真空室的环境中。所述真空室内部有两个组件：一辐射源及一传感器，所述辐射源及所述传感器适合于所述水溶液中的所述氨气或其他所需物质的所述吸收线的范围。可以通过使用类似于在多个电子血压测量设备中找到的那种类型的一真空泵来实现所述室的内部的所述真空。在所述辐射的所述多个传输测量值降低的情况下，这意味着部分的所述辐射功率已被存在于所述真空室中的所述蒸发物中的所述多个氨气分子吸收。
本发明的多个实施例可以提供以下多个优点中的一个或多个：
对水中低于1PPM的氨气浓度进行一实时或一连续测量。
直接测量氨气，与现有技术相比，现有技术的所述测量是间接的，并且基于多个计算及所述水的温度及pH值，因而会失去准确性。
几乎不需要维护，与根据现有技术的所述多个装置相比，现有技术中的所述多个仪器通常需要日常维护及不断地更换。
即使需要清洗的情况下，也可能极少进行清洗。
所述多个结果通常可能超出多个现有装置的多个准确度范围。
通过一些小的修改，本发现的多个实施例可以用于测量水溶液、鱼塘及任何其他环境中可能存在的各种有害或其他物质，可以所述方式监测的多个物质包括：氧气浓度、亚硝酸盐浓度、硫化物浓度、硝酸盐浓度、有机磷酸盐、醇及水溶液中可能存在的其他物质。
除了水产养殖，本发明的实施例还可应用于诸如以下领域：饮用水监测、食品工业、体液诊断及监测，包括尿液测试、血液测试，例如：酒精或葡萄糖浓度、或分析汗液，甚至呼吸监测及细菌检测，特别是通过寻找多个细菌废物来进行细菌检测，并且所述多个实施例确实可以用于光谱学可以检测一蒸发物中不同及已知的谱线的任何其他情况。
测量氨气所需的实施例可以相对简单，因此便宜。
在详细解释本发明的至少一个实施方式之前，应当理解本发明不一定限定于本发明的构造的细节，以及在以下描述和/或附图图示/或实施方式所阐述的组件和/或方法的排列。本发明能够以其他实施方式或以各种方法来实施或应用。
现在参考附图，图1A是示出本发明的一第一实施例的一简化图。在图1A中，将一采样管插入池塘水1中。一采样管包括一阀门2，所述阀门2通向一管体3。关闭所述阀门以隔离一样品，并且当泵浦5从水的表面吸去空气走时形成一局部真空。在所述管体内，通过容纳室4从所述水样本的表面引导所述真空至作为所述真空源的真空泵5。
可以将所述管体3插入所述池塘水1的一预定深度，并且一样本容积的水进入所述管体。所述阀门2关闭，并且所述泵浦5在所述水表面上方产生所述真空。然后所述真空填充有从所述水表面蒸发的多个气体分子，所述多个气体分包括氨气(如果存在于所述水中)。所述提取的气体通过光谱学、电化学或其他方法进行分析。然后，所述阀门2打开，并且随着取得更多的样品，可以重复所描述的循环。可以通过在隔室4中包括一气体室来对所述多个样品进行现场测量，或者，隔室4可以是一可移动的隔室，并且可以将所述样品取出进行异地测量。
在一变型中，可以使用一简单的烧杯等来采集所述池塘水样品，并将所述池塘水样品添加到所述采样装置，所述采样装置附接在位于执行所述测量的一远程位置处的所述真空泵。
在进一步的一变型中，所述采样装置可以包括如图所示的一内置泵以及一便携式光谱仪，从而所有测量都在现场进行。
更一般地，图1A示出了一种用于检测在一水性环境中的一溶解的气态杂质的设备，所述设备包括但不限于多个养鱼池中的氨气。
管体3形成一样品容器，所述样品容器可以容纳所述水性环境的一液体样品，即通常为所述池塘水。所述泵浦5是一真空泵，并且所述泵浦5被设置在向所述液体样品的所述表面施加一真空，从而使所述样品将多个气态分子蒸发到所述真空中。一保持室4保持来自于所述样品的所述蒸发气体，以用于后续测量，或所述保持室4自身可以包括用于测量的一气体室。
可以使用光谱学进行测量，一光谱检测单元可以检测所述蒸发的气体分子中的多个光谱信号，并且允许识别一气态杂质或所述气态杂质的一浓度。所述光谱检测单元可以包括一辐射源及一检测器，所述光谱可以使用傅里叶变换红外线(FTIR)技术，如在下面更详细地讨论的。
所述光谱检测单元可以首先在待检测的物质的一已知的样品上进行校准。
替代地，可以使用一电化学检测器单元进行测量，所述检测器单元允许形成一色谱柱，然后检测多个电信号。
如所讨论的，所述采样器在一端处具有一阀门2，所述阀门2下降到被采样的所述水中，从而可以采集一样品，并且关闭所述阀门。所述真空泵5可以位于隔室4的另一端，以对所述样品的所述上表面施加一真空。一旦所述阀门2被关闭，然后，所述样品被蒸发到所述真空中，并且可以在所述腔室4中获得所述多个蒸发分子的一样品，用于随后的分析。
在一些实施例中，所述隔室4是可移除的，以用于远程光谱分析。因此，可以使用多个不同的隔室对一养鱼场中的一系列的池塘进行一个接一个的采样，然后对所述多个不同的隔室贴上标签、取下及取出所述多个不同的隔室，以进行采样。
所述检测器单元可以被明确地编程为检测一特定的污染物，例如：氨、或检测所述特定的污染物的所述浓度。
在多个实施例中，所述水性环境1可以是一水产养殖环境。
现在参照图1B，图1B是图1A的所述采样管3的一变型。在图1B中，省去了一阀门，因为为了形成一真空，仅需要由周围壁部隔离的一表面。将所述管体3插入水中，并且所述管体的多个壁部因而隔离水1的部分的所述表面，以形成一隔离的表面。同样，当泵浦5将空气从所述管体内的所述水的所述表面中吸走时，形成一局部真空，所述真空从所述水表面通过保持室或气体室4而引导至作为所述真空源的所述真空泵5。
所述管体3可以被插入在所述池塘水1中的一预定深度中，并且隔离所述管体内的所述水1的所述表面。所述泵浦5在所述水表面上方产生所述真空，从而增强蒸发作用。因此，所述真空填充有从所述水表面蒸发的多个气体分子，其中包括氨气(如果存在于所述水中)。所述提取的气体通过光谱学、电化学或其他方法进行分析。由于没有阀门可以打开，因此所述管体内的水的容量与所述周围环境保持平衡，可以重复上述循环以动态更新所述水的状态。现在参照图2A，图2A是示出了在一水性环境中检测多个溶解的气态杂质的一方法的一简化流程图，。
方块10指示获得所述水性环境的一样品体积的一阶段，方块12是例如通过关闭一阀门来隔离所述样品的一可选的阶段，方块14示出了施加一真空。特别地，可以将所述真空施加到所述样品容积的所述上表面，然后使所述样品容积蒸发到所述真空中，以及方块16指示捕获所述蒸发作用的一阶段，通常被动地通过以一预定时间施加所述真空来捕获，方块18表示对所述蒸发物进行一测量以检测一气态杂质。如将在下面更详细地讨论的，所述测量可以涉及光谱法，特别是傅里叶变换红外线(FTIR)光谱法，或其他方法，包括电化学检测方法。最后，在方块20中，所述多个测量值被用于识别所述污染物或所述污染物的所述浓度。在所述水产养殖环境中特别关注的多个污染物可能包括氨气。同样可以检测多个氧气含量程度，因此，本发明不限制在多个污染物。
现在参照图2B，图2B示出了在一水性环境中检测多个溶解的气态杂质的一变型方法的一简化流程图。
水进入一管中，以形成由方块12指示的一隔离表面。方块14示出了对所述隔离表面施加一真空。真空增强了从所述水表面的蒸发作用，方块16指示捕获所述蒸发作用，方块18指示对所述蒸发物进行一测量，以检测一气态杂质，例如：使用光谱学。最后，在方块20中，所述多个测量值被用于识别所述污染物或识别所述污染物或其他感兴趣的物质的所述浓度。在所述水产养殖环境中特别感兴趣的多个污染物可能包括氨气，而其他感兴趣的物质可能包括氧气。
所有阶段都可以在所述池塘的现场进行。替代地，可以在所述池塘中获得所述样品，并且可以远程地进行所述蒸发及测量。替代地，可以在所述池塘处获得所述样品，并且可以使用所述真空进行蒸发及所述测量皆可以远程进行。
现在将更详细地讨论所述多个实施例。
实验建立及多个材料准备：
傅里叶变换红外线光谱(FTIR)：
中红外线(MIR)及远红外线(FIR)光谱特征已被证明是表征、鉴定及定量不同物质的一可靠的方法。所述傅里叶变换红外线光谱技术(FTIR)的使用提供了一功能强大的工具，能够检测在气体、空气及多个固体材料中的多个物质指纹。多个氨气分子由一单一氮原子组成，被三个氢原子包围。所述结构在室温下在MIR光谱中具有一独特的光谱特征，其中在950cm-1处包括三个吸收线，所述H-N连接在950cm-1处进行摇摆振动，所述H-N-H连接在1800cm-1处进行剪式振动，并且所述H-N连接在3400cm-1处进行伸张振动。其他材料也可以使用其他结构。
所述FTIR光谱已被证明可用于检测在多个农业场所中的多个NH3分子，并且能够测量及量化所述多个NH3分子的含量程度。所述多个测量是在所述分子的所述气相上的一开放路径系统中进行。为了获得可靠的数据，本发明的多个实施例可以同时使用几个微窗片进行多个测量，以避免或最小化水蒸气干扰。
本发明的一实施例涉及监测多个变化及检测鱼塘水中的多个低浓度的有毒的氨气，并且可以进一步用于去除或甚至消除在所述鱼塘环境中存在的其他物质。所述实施例还可以确定作为一时间函数的氨气的所述含量程度的增加或降低，并因此提供关于接近一危险的含量程度的一警报。所述方法涉及利用氨气的所述光谱特征的所述独特性，所述光谱特征与多个鱼池中遇到的其他物质的特征不同。氨气没有颜色及由一沸点为-33℃的一分子组成，因此通常以一气体形式存在。氨气在水中的所述溶解度在0℃时约为47％，而在25℃，压力为1bar时下降至约31％。所述氨气分子比空气轻，因此释放所述氨气分子时偏向于往上升。
现在参照图＝图3A及3B，在本发明的多个实施例中，可以使用一FTIR光谱仪进行多个氨气吸收谱线的所述光谱分析，并且在一实验建立中使用了一BRUKER IFS-113，现在以示例的方式进行说明。所述FTIR的一实验光学方案如图3A及图3B所示，所述红外光谱仪IFS 113v的所述光谱范围在所述远红外线及中红外线频率范围内都很强大，并辅以一准光学系统。
来自所述腔室32中的多个辐射源30的辐射，例如：一汞灯、一钨灯及一炽棒灯，可以根据所期望的频率范围使用一小的可旋转的镜34来选择。
所述光穿过固定镜36，然后穿过一可变开孔38进入容纳一迈克尔逊干涉仪的所述干涉仪室40。所述光束通过容纳有四个不同衰减器的一滤光转轮42发射。然后，所述光束被第二转轮44上的六个分束器中的一个分开成两束光线。然后，所述多个分开的光束通过多个镜46及48而变得平行。镜50是一双面镜，所述镜50的移动方向如箭头52所示，所述移动的双面镜50分别改变了所述两条光线之间的所述路径差，然后再将所述两条光线反射回第二转轮44上的所述相应分束器上。通过使用一He-Ne激光器53及一白光源55的一参考干涉仪检测所述镜50的准确位置(见图3B)。
离开所述干涉仪腔室40，人们可以在两个焦点(i)60及(j)62之间进行选择，以将一低温恒温器、烤箱或仅将所述样品(参考标号68)放置在反射单元66的腔室64中，所述腔室可以使用一合适的附件进行传输、反射及多个ATR测量。
所述光束继续进入检测器室70，可以在所述检测器室70中安装几个检测器，例如：碲镉汞(MCT)、锑化铟(InSb)及两个氘化硫酸三甘肽(DTGS)。本发明的实施例中使用所述DTGS检测器中的一种。额外地，如果需要低温，则在右侧具有多个凸缘，所述右侧使用两个He-辐射热计82。所述选择取决于所需的频率范围、灵敏度、信号杂讯比(SNR)及响应时间。
现在参照图4，图4示出了所述隔室4中所述气体样本被插入到根据图3A及图3B的一FTIR设备中。为了测量所述池塘水的蒸发，使用了一可控温的气体室(TGS-3-BR2型)来容纳根据图1A或图1B获得的所述样品。所述气体室90包括一金属主体92及在两端的多个适配器94，所述气体室90被锁定在所述FTIR的所述测量室96中，使用隔膜真空泵98将所述蒸发样品传送到所述气体室中。
当多个针阀门100关闭时，所述泵浦在所述组件的所述出口侧产生一真空。当达到所述可接受的真空度时，所述多个针阀门100打开，并且所述气体流入所述室90。所述MIR分析可以使用一炽棒灯辐射源、KBr分束器、直径25毫米(mm)且厚度2mm的多个ZnSe窗片及DTGS检测器在400cm-1至4000cm-1波段内进行。所述多个实施例可能能够检测低于1PPM且低至0.1ppm的多个低浓度含量程度的氨气，实际上取决于所述池塘中鱼的种类，所述要求是能够检测低至0.1ppm的氨气浓度。。
通过修改所述光学元件可以增加所述气体室的灵敏度，以使一光束在所述气体室的长度上多次穿过所述气体。一种气体室被称为一白室，所述白室在所述气体室的每一侧都提供了多个相对的镜，并且以接近90度的一角度将所述光束引入所述多个镜之间的所述空间。所述结果是产生了数百个光束穿过所述气体室的整个长度。同样地，一谐振器室是用于提供多路径的另一种可能性。一传感器被放置在所述两个相对的镜中的一个上，从而提供了一潜在的无限的路径长度，并且所述光束不需要离开所述空间。一多路径室的使用使所述测量装置保持更紧密，因为可以在70公分(cm)的一室中提供7米(m)的一路径长度。多个可变的路径长度的室可用于提供一可变的灵敏度。
应当注意，一单一测量装置可以用于检测多个物质。然而，多个不同的物质在所述电磁频谱上的多个不同位置处具有多个光谱吸收线，因此，只有当所述两种物质的多个吸收线非常靠近时，才可能使用一单一传感器。若所述多个吸收线相距略远，则多个过滤器可以与所述单一传感器一起使用。然而，若所述多个吸收线根本不靠近在一起，则可能需要多个独立的传感器，尽管它们可能位于同一个所述气体室中。
以下以示例的方式给出了对上述实验建立的测试。
校准测试：
使用设有温度控制气体室(TGS)TGS-3-BR2的FTIR光谱仪布吕克(Bruker)IFS-113进行水中氨的分析。将装有250立方公分(cc)的DiH2O的一瓶子进行测试，以创建一零基线(参考)，然后添加氨气，并以0.5PPM、1PPM、2PPM、4PPM及10PPM的浓度在所述DiH2O中进行测量。在所述实验开始及结束时对pH值进行采样，以定量所述溶液中的所述NH3的含量程度。为了获得多个可靠的实验结果，将每一浓度的所述多个测量重复10次。所述多个分析是在MIR的范围内进行。使用布鲁克的OPUS光谱代码来计算所述样品在966cm-1的波峰处的吸光度。使用所述气体室中的一Globar灯、KBr分束器、具有KBr窗片的DTGS检测器及多个2mm的ZnSe窗片。
温度测试建立：
所述实验中使用了三个250cc的真空玻璃瓶(西格玛·奥尔德里奇(Sigma-Aldrich)的SYNF 490250)。两个瓶子装满含有2.3ppm氨气的DiH2O水，而第三个瓶子用来监测所述多个瓶子内部的温度。如图5所示，将所有瓶子插入控温的一水浴中。首先，以确保内部残留的最少空气的一方式在一瓶子中填充一样品。然后将所述瓶子密封地关闭；连接到所述气体室的所述入口；以及关闭所述入口阀门。然后，通过所述出口将所述测量气体室抽空；然后，当达到所述可接受的真空度(在这种情况下约为10毫巴(mbar))时，关闭所述出口，并且打开所述入口。所述气体室(具有一容积约为15毫升)从所述样品瓶中吸取气体。在整个实验过程中，所述多个容积被连接起来，并且与大气隔绝。
所述多个实验从冷水(4℃)开始；然后通过向所述容器添加热水来升高所述水温。在逐步升高所述样品温度：5、10、15、20、25、30及35℃的同时，进行了一系列测量。在所述实验结束时对所述pH值进行采样，以定量所述溶液中的所述NH3的含量程度。为了提高所述蒸发作用中的氨气的含量的所述多个光谱测量的准确性，在每一温度下将所述多个光谱测量重复五次。所述分析在MIR的范围内进行；所述样品的所述吸光度在966cm-1的波峰处测得，并且通过布鲁克的OPUS标准光谱法计算。所述FTIR被配置为在所述气体室中使用所述炽棒灯、KBr分束器、具有KBr窗片的DTGS检测器及多个2mm的ZnSe窗片。
如图5所示：一密封关闭的瓶子110容纳了氨气在水中的一样品，并通过管体112与所述FTIR 116内的所述气体室114连接。所述气体室的所述相对的阀门连接到一隔膜真空泵(未示出)。一温度控制器118使用一热电偶120来获得瓶子122内部的所述温度，所述温度等于所述样品瓶110中的所述温度。所述密封关闭的瓶子124中容纳了与所述样品相同的所述对照氨气溶液。将所有三个瓶子放置在装有水128的槽体126中，以进行一控温的测试，所述温度计130显示水的温度。
多个实验结果：
校准测试：
图6中给出了在966cm-1吸收线附近的六种不同浓度的在DiH2O中的氨气的多个实验光谱测量。所述多个分析在MIR的范围内进行；以及所述样品的所述吸光度是在966cm-1的所述波峰处进行，并且通过布鲁克的OPUS标准光谱法计算得出。所述曲线中的每条谱线均为八次测量的一平均值。所述FTIR被配置为在所述气体室中使用所述炽棒灯、KBr分束器、具有KBr窗片的DTGS检测器及多个2mm的ZnSe窗片。
更具体地，图6示出了在所述966cm-1处的光谱：淡蓝色线130-0ppm的NH3；蓝色132-0.2ppm；橙色134-0.4ppm；粉红色-0.8ppm；浅绿色138-1.6ppm；及黑色140-4ppm。
可以看出，0.2ppm的所述光谱132(所述蓝线)具有一无法预期的形状：右侧部分比所有其他光谱更宽。
图7示出了基于图6的所述多个结果的多个校准曲线。图7显示了以直线142示出的光谱吸收率(AU)对氨气浓度的相关性。
温度测试：
在多个不同的温度及恒定的氨气浓度下获得的多个光谱测量值显示在图8中。具体来说，所述蓝线150表示5℃；橙色152表示10℃；粉色154表示15℃；浅绿色156表示20℃；浅蓝色158表示25℃；棕色160表示30℃；绿色162表示35℃。如图8所示，所述波峰吸收值随着所述样品温度的所述增加而增加。
吸收对于所述温度的所述计算的相关性通过一直线图164显示在图9中。
所述温度相关性测试的所述多个结果(参照图9)显示所述线966cm-1处的所述吸光度非常接近线性的直线相关性。所述966cm-1线处的所述2.3ppm氨气在水中的溶液的所述吸光度非常接近所述直线相关性。当所述温度从5℃升高到35℃时，在966cm-1处的所述中间IR信号几乎翻倍，并且所述多个结果符合所述预期，因为随着所述温度增加，更多的氨气从所述水中释放出来。
在所述校准测试中，可以看到(图7)所述校准线接近0.4ppm以上的所述多个实验点。来自于0.4ppm至高达4ppm的所述多个水样品的所述真空抽取氨气的方法的所述校准线可实现足够准确的氨气含量的测定。
本发明的多个测试表明本发明的多个实施例在检测及测量所述水中的多个非常低浓度的NH3的方面可以是可靠的，所述方法可以用于实时检测多个鱼池中的多个氨气的含量程度的上升。可以使用相同的设备及方法来检测所述水中的其他变量的浓度，例如：硝酸盐、亚硝酸盐及不同的毒素，并且可以实现多个鱼池的水质控制的一整体改善。
现在参照图10，图10示出了一水体200。根据本实施例的一系列的测量装置202系泊或可以自由漂浮在所述水体中，所述水体可以是一鱼塘或可以是一长度的海岸线。所述多个测量装置可以包括多个电池或多个太阳能电池，并且可以定期进行多个测量，并且将所述多个结果发送到一中央控制器204，所述中央控制器204可以方便地是在某人的移动电话上运行的一应用程序。在多个自由浮动实施例中，每一装置可以包括一GPS系统，以便可以将所述位置与所述测量结果一起报告。所述系泊的多个实施例可以使用所述多个装置的GPS或简单标识，以较方便的为准。
因此，可以实时监测所述水体。在一鱼塘的情况下，在所述鱼开始感到不适之前，可以向所述池塘中添加淡水。在一河流或海岸线的情况下，氨气的一增加为一污染事件的一指标，例如：非法排污。实时检测所述污染事件可允许一加快及更有效率的反应速度。
预计在从本申请至一专利寿命到期的期间，将开发出许多相关的骨骼移除结构；所述相应的术语的范围意在包括所有类似的先前技术。
所述多个术语“包括(comprises)”、“包括(comprising)”、“包括(includes)”、“包含(including)”、“具有(having)”及其词形变化是指“包括但不限于”。
所述术语“由…组成(consisting of)”意思是“包括及不限于”。
所述术语“主要由…组成(consisting essentially of)”意思是所述组合物、方法或结构可以包括额外的成分、步骤和/或部件，但只有当额外的成分、步骤及/或部件实质上不改变所要求保护的组合物、方法或结构的基本特征及新特征。
本文所用的单数形式“一(a)”、“一(an)”以及“所述(the)”除非在上下文另有明确指出，否则本发明可包括复数个参考物。例如：术语“一化合物(a compound)”或“至少一化合物(at least one compound)”可以包括多个化合物，包括它们的混合物。
应当理解，本发明的某些特征，为了清楚阐明，描述在多个独立的实施例的上下文中，也可以是在一单一实施例中以组合提供。相反，本发明的各种特征，为了简明，在一单一实施例的上下文中描述，也可以单独或以任何合适的子组合或以适合于本发明的任何其它描述的实施方式来提供。在各种实施例的上下文中描述的部分特征不应被认为是那些实施例的主要特征，除非所述实施例在没有这些组件的情况下不运作。
虽然本发明已经结合其特定实施例进行了描述，但是显而易见的是，许多备选方案，修饰以及变化对本领域技术人员来说是显而易见的。因此，本发明旨在涵盖所有落入所述权利要求的精神和范围内的所有这样的备选方案、修饰以及变化。
在本说明书中提及的所有出版物、专利及专利申请以其整体作为参考文献并入本说明书中，其程度如同各独立的出版物、专利或专利申请案被明确地且个别地标示为以引用的方式并入本文中。此外，本申请中任何参考文献的引用或证明不应被解释为承认所述参考文献可作为本发明的现有技术。本申请中标题部分在本文中用于使本说明书容易理解，而不应被解释为必要的限制。

Claims (22)

1.一种用于在一水性环境中检测一溶解的气态杂质的设备，其特征在于：所述设备包括：
一开口，用于所述水性环境的液体；
一真空泵浦，被设置在对所述液体上施加一真空的位置，以使所述液体蒸发到所述真空中；及
一容纳室，用于容纳来自于所述样品的蒸发气体。
2.如权利要求1所述的设备，其特征在于：所述设备还包括一光谱检测单元，所述光谱检测单元被配置为检测所述蒸发气体的多个光谱信号，从而识别所述水性环境中的所述气态杂质或识别所述气态杂质的一浓度。
3.如权利要求2所述的设备，其特征在于：所述光谱检测单元包括一辐射源及一检测器。
4.如权利要求2或3所述的设备，其特征在于：所述光谱检测单元被配置为使用傅里叶变换红外线(FTIR)光谱学。
5.如权利要求1所述的设备，其特征在于：所述设备还包括一电化学检测器单元，所述电化学检测器单元被配置为识别所述气态杂质。
6.如前述权利要求的任一项所述的设备，其特征在于：所述设备包括一采样器，所述采样器用于容纳所述液体的一样本，所述采样器具有一第一端及一第二端，并且所述采样器是耐真空的，其中所述采样器在所述第一端处包括一阀门，所述阀门为可开启的，以获取所述样品，并且所述阀门在从所述第二端对所述样品的一表面施加所述真空之前为可关闭的。
7.如前述权利要求的任一项所述的设备，其特征在于：所述容纳室是可卸除的，以用于远程光谱分析。
8.如权利要求2至7任一项所述的设备，其特征在于：所述检测器单元被配置为检测氨气，或检测氨气或其他溶解的物质的一浓度。
9.如前述权利要求的任一项所述的设备，其特征在于：所述水性环境是一水产养殖环境。
10.一种在一水性环境中检测多个溶解的气态杂质的方法，其特征在于：所述方法包括：
获得所述水性环境的一隔离表面；
在所述隔离的表面上方施加一真空，以由所述表面进行蒸发；及
对所述真空进行测量，以检测一气态杂质。
11.如权利要求10所述的方法，其特征在于：所述测量是使用电化学检测来获得。
12.如权利要求10所述的方法，其特征在于：所述测量是使用光谱学来获得。
13.如权利要求12所述的方法，其特征在于：所述测量是使用傅里叶变换红外线(FTIR)光谱学来获得。
14.如权利要求11至13任一项所述的方法，其特征在于：所述方法用于检测氨气的一浓度。
15.如权利要求10至14任一项所述的方法，其特征在于：所述水性环境是一水产养殖环境。
16.如权利要求10至14任一项所述的方法，其特征在于：所述水性环境是供人类饮用的一液体。
17.一种检测一水体中的一污染物的方法，其特征在于：所述方法包括：
在所述水体内放置根据权利要求1至8任一项所述的多个检测设备，及
从所述多个检测设备中的每一个中收集多个测量值。
18.如权利要求17所述的方法，其特征在于：所述方法包括：系泊所述多个检测设备中至少一些。
19.如权利要求17所述的方法，其特征在于：所述方法包括：使所述多个检测设备中的至少一些自由浮动。
20.如权利要求17至19任一项所述的方法，其特征在于：所述方法包括：向所述多个检测设备中的至少一些提供位置及传输能力。
21.如权利要求17至20任一项所述的方法，其特征在于：所述方法包括：以多个预定的间隔收集所述测量值。
22.如权利要求17至21任一项所述的方法，其特征在于：所述方法包括：向所述多个检测设备中的至少一些提供一电池或一太阳能电池。
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