CN111735788B

CN111735788B - 在水质分析仪中用于确定样品浓度的方法和水质分析仪

Info

Publication number: CN111735788B
Application number: CN202010702587.6A
Authority: CN
Inventors: 吴升海; 张思相; 邓守权; 蒋攀峰
Original assignee: Thermo Fisher Scientific Shanghai Instruments Co Ltd
Current assignee: Thermo Fisher Scientific Shanghai Instruments Co Ltd
Priority date: 2020-07-21
Filing date: 2020-07-21
Publication date: 2021-01-05
Anticipated expiration: 2040-07-21
Also published as: CN111735788A

Abstract

本发明提供一种在水质分析仪中用于确定样品浓度的方法，包括如下各步骤：a.标液测量步骤；b.样品测量步骤；c.关联系数更新步骤，基于之前的预定次关联系数更新步骤和样品浓度确定步骤中的每个所采用的更新后的标定溶液吸光度和当前样品吸光度及确定的当前样品浓度作为预设关联系数模型的输入，确定更新后的关联系数；d.样品浓度确定步骤，基于更新后的关联系数、更新后的标定溶液吸光度及当前样品吸光度，确定样品的当前样品浓度；e.如果符合预设条件，则重复执行步骤a‑e；否则重复执行步骤b‑e。由此可以消除水样色度浊度、试剂变化对于测量结果的影响，减少标定次数以及控制试剂的消耗量。本发明还提供一种水质分析仪。

Description

在水质分析仪中用于确定样品浓度的方法和水质分析仪

技术领域

本发明涉及水质监测分析领域，主要涉及一种在水质分析仪中用于确定样品浓度的方法以及一种构造成能执行该方法的水质分析仪。

背景技术

目前，水污染问题作为一个突出的环境保护问题日益引起关注。为了保护人类赖以生存的水环境、确保人们饮水卫生，一方面需要对生产、生活中的水质进行检测，另一方面，也须加强对各种生产和生活污水排放的监测。在对水环境进行监测的过程中，通常采用水质检测装置，其已经广泛应用于发电厂、生活污水处理厂、纺织厂、制药厂、环保部门、防疫部门、医院等等。尤其是，水质分析仪的质量对水环境监测起着至关重要的作用。

已知的水质在线监测仪以比色法对地表水、生活污水以及工业废水等各行业的水质进行在线监测。由于比色反应是用于检测分析的一种常用方法，它也普遍应用于实验室分析过程，典型的应用包括对COD_Cr、COD_Mn、氨氮、六价铬等各种分析过程。

然而，比色反应容易受到色度和浊度的干扰。在实验室分析过程中，可以通过前处理来解决该问题，但是在水质在线分析过程时，大部分情况下是根本无法通过前处理来解决的。

为此，可以试图通过在加入显色反应试剂之前，检测由于水样的色度和浊度引起的光强变化，然后在加入显色反应试剂后，再测检测光强。最后，在计算时，采用加入显色反应后的光强减去加入显色反应之前的光强，同基准进行比较，从而获得吸光度，以进行浓度计算。

但是，由于大多数显色反应试剂是有色物质，有色物质本身会影响吸光度，进而最终会影响测定结果。为了消除这些显色物质对于测量的影响，常用的方式只能是频繁的校准，即采用标准浓度的被测物进入分析过程。

具体来说，获得标准浓度被测物的吸光度或者光强，建立标准曲线，从而对由于显色反应试剂颜色变化而对测量结果有影响的状况进行校正。以氨氮测量为例，在现场采集一段时间内的氨氮标定数据（浓度相同），由于显色反应试剂的因素导致在大约两个月内，标定点信号值可能会下降达到43%。

总结来说，上述操作存在两个方面的问题。第一，一旦显色反应试剂颜色发生变化，就需要校准，因而无法避免频繁校准。第二，显色反应试剂颜色发生变化的本质是试剂发生变化，一旦试剂变化到一定程度，则可能影响测量，但无法预知该过程对于测定过程的影响。

至此，在水质监测分析领域中需要一种能够避免频繁标定同时还能尽可能排除色度和浊度等因素对于测定的影响的一种用于确定样品浓度的方法。

发明内容

为此，本发明提供一种在水质分析仪中用于确定样品浓度的方法，所述水质分析仪包括：样品容纳装置；第一标定溶液容纳装置，用于容纳具有第一浓度的第一标定溶液；第二标定溶液容纳装置，用于容纳具有第二浓度的第二标定溶液；试剂容纳装置；检测装置，用于测量包含试剂的各溶液和样品的吸光度。该方法包括如下各步骤：a. 标液测量步骤，混合所述第一标定溶液和所述试剂，并测量混合后的所述第一标定溶液的吸光度作为更新后的第一标定溶液吸光度；以及混合所述第二标定溶液和所述试剂，并测量混合后的所述第二标定溶液的吸光度作为更新后的第二标定溶液吸光度；b. 样品测量步骤，混合所述样品和所述试剂，并测量混合后的所述样品的吸光度作为当前样品吸光度；c. 关联系数更新步骤，基于之前的预定次关联系数更新步骤和样品浓度确定步骤中的每个所采用的更新后的第一标定溶液吸光度、更新后的第二标定溶液吸光度和当前样品吸光度、以及确定的当前样品浓度作为预设关联系数模型的输入，确定更新后的关联系数；d. 样品浓度确定步骤，基于所述更新后的关联系数、所述更新后的第一标定溶液吸光度、所述更新后的第二标定溶液吸光度以及当前样品吸光度，确定所述样品的当前样品浓度；e. 如果符合预设条件，则重复执行步骤a-e；如果不符合预设条件，则重复执行步骤b-e。

借助本发明的方法，可以消除水样色度浊度、试剂变化对于测量结果的影响，取消前处理，同时还为减少标定次数以及控制标定溶液和试剂的消耗量提供灵活的可能性。

此外，本发明还提供一种构造成能执行前述的方法的水质分析仪。

优选的是，预设条件为所述步骤b的累计执行次数超过第一预设次数，步骤e包括：如果累计执行次数超过第一预设次数，则重复执行步骤a-e，并对步骤b的累计执行次数清零；如果累计执行次数未超过第一预设次数，则重复执行步骤b-e。

通过设置第一预设次数，可以使得在预设的周期内减少标定工作，从而在不影响精确度的情况下提高整体水质分析的效率，减少试剂用量。

也优选的是，预设条件为所述步骤b的累计执行次数超过第二预设次数，步骤e包括：如果步骤b的累计执行次数超过第二预设次数，则重复执行步骤a-e，并对步骤b的累计执行次数清零，其中，基于所述更新后的第一标定溶液吸光度、所述更新后的第二标定溶液吸光度、已知的所述第一和第二浓度、以及所述当前样品吸光度，确定所述样品的参考浓度；如果所述当前样品浓度与所述参考浓度之差大于或等于预先确定的浓度阈值，则减小所述第二预设次数；反之，则保持所述第二预设次数不变或者增大所述第二预设次数；如果步骤b的累计执行次数未超过第二预设次数，则重复执行步骤b-e。

通过设置第二预设次数，并且在达到第二预设次数时确定样品的参考浓度与计算所得的当前样品浓度之间的比较环节，可以确定当前样品浓度的测定是否仍处于可接受范围内。由此，减少标定工作，从而在不影响精确度的情况下提高整体水质分析的效率，减少试剂用量。

更有利的是，在步骤b的累计执行次数超过第二预设次数从而重复执行步骤a-e的过程中，步骤e还包括将所述参考浓度代替在步骤d中确定出的所述样品的当前样品浓度。

通过利用此时确定的参考浓度直接代替计算的当前样品浓度来提高后续时间段内的样品浓度确定精度或者使需要标定的周期拉长，从而提高水质分析的效率，减少试剂用量。

特别是，在步骤c中，所述预设关联系数模型的输入还可以包括之前的预定次关联系数更新步骤中的每个所采用的环境温度；以及在步骤d中，还可以基于当前环境温度，确定所述样品的当前样品浓度。

通过引入温度这个变量，可以尽可能消除环境对样品浓度确定过程的精度影响，提高水质分析的质量。

有利地，在步骤a之前，所述方法还可以包括首次启用标定溶液时执行的首次标定步骤：混合首次启用的第一标定溶液和所述试剂，并测量混合后的第一标定溶液的吸光度作为首次标定第一吸光度；以及混合首次启用的第二标定溶液和所述试剂，并测量混合后的第二标定溶液的吸光度作为首次标定第二吸光度；在步骤a中，如果所述首次标定第一吸光度与更新后的第一标定溶液吸光度之差超过第二阈值，和/或如果首次标定第二吸光度与更新后的第二标定溶液吸光度之差超过第三阈值，则更换所述试剂。

通过增加首次标定步骤，可以排除因标定溶液和试剂本身的问题带来的后续不必要的检测误差，从而提高水质分析效率。

尤其是，水质分析仪还可以包括：检测单元，各溶液和所述样品中的至少一种与所述试剂在所述检测单元内混合，并且进行吸光度检测；抽取装置，所述抽取装置构造成能分别将所述第一标定溶液、所述第二标定溶液、所述样品和所述试剂抽取到所述检测单元；其中，步骤a包括：借助所述抽取装置将所述第一标定溶液和所述试剂依次抽取到所述检测单元内，以进行混合；以及借助所述抽取装置将所述第二标定溶液和所述试剂依次抽取到所述检测单元内，以进行混合；其中，步骤b包括：借助所述抽取装置将所述样品和所述试剂依次抽取到所述检测单元内，以进行混合。

借助检测单元、抽取装置等机构可以实现自动检测和抽取及混合试剂和溶液，提高浓度确定效率，确保尽量少受人工因素影响。

此外，水质分析仪还可以包括：多通阀，所述多通阀构造成能选择性地建立所述第一标定溶液、所述第二标定溶液、所述样品和所述试剂与所述检测单元之间的流体连通；其中，步骤a包括：切换所述多通阀，以使得所述第一标定溶液和所述试剂能分别与所述检测单元连通，以抽取溶液和试剂；以及切换所述多通阀，以使得所述第二标定溶液和所述试剂分别与所述检测单元连通，以抽取溶液和试剂；其中，步骤b包括：切换所述多通阀，以使得所述样品和所述试剂分别与所述检测单元连通，以抽取样品和试剂。

由于多通阀可以灵活在各个容器之间进行切换，因而可以实现所需的连通和切断，确保自动分析的效率。

另外，在步骤a中，所述第一标定溶液吸光度包括在所述第一标定溶液中依次加入第一种试剂到第m种试剂时分别测量出的所述第一标定溶液的吸光度的一组数值，而所述第二标定溶液吸光度则包括在所述第二标定溶液中依次加入所述第一种试剂到所述第m种试剂时分别测量出的所述第二标定溶液的吸光度的一组数值，其中，m为大于1的自然数。

由于可以利用多于两种试剂，提高了水质分析的灵活度，扩大了应用面，降低了成本。

附图说明

图1示意地示出根据本发明的一个实施例的水质分析仪的系统原理图；以及

图2示意地示出根据本发明的一个实施例的用于确定样品浓度的方法步骤的原理图。

附图标记列表：

100 水质分析仪；

10 第一标定溶液容纳装置；

12 第二标定溶液容纳装置；

20 样品容纳装置；

30 试剂容纳装置；

40 多通阀；

50 检测单元；

60 检测装置；

70 控制器；

80 废液收集容器；

90 显示设备。

具体实施方式

应注意参考的附图并非都按比例绘制，而是可扩大来说明本发明的各方面，附图不应被解释为限制性的。

术语定义及原理

根据本发明的用于确定样品浓度的方法主要用于水质分析仪、尤其是用于在线水质分析仪，但当然也可以应用于非水质分析的其它生物或化学分析过程以及非在线的其它实验室分析过程。在本发明中，术语“样品浓度”主要是指样品中指定被测物的浓度。可以理解到，针对同一样品，可以选定不同的被测物并且测定样品中该种被测物的浓度。

在本发明中，术语“更新的…（各种参数）”是指与之前相比新确定或新计算出的参数，但这并不意味着更新的参数的数值本身必须发生变化（例如，数值本身不一定增大或减小）。

在本发明中，术语“样品”实际是指具有被测物的样品溶液，术语“试剂”是指用于比色反应的相关试剂溶液。

根据本发明的方法主要基于前述比色分析法。比色分析法的原理是基于朗伯—比尔定律（Lambert—Beer），即当一束平行单色光垂直通过某一均匀非散射的吸光物质时，其吸光度与吸光物质的浓度及吸收层厚度成正比。因此，可采用显色反应，将其转化为有色吸光物，通过测量其吸光度，可以计算出样品浓度。

比色分析法往往会使用多种显色或者反应试剂。有些试剂本身为有色试剂，由于空气氧化和自身分解等各种因素的影响，随着使用时间的延长，试剂本身的颜色会有变化。因此，如前已述，为了消除对测量的影响，常用需要进行频繁校准。

水质分析仪

如图1中清楚所示，根据本发明的水质分析仪100可包括样品容纳装置20，具有待确定的样品浓度的样品可容纳于该样品容纳装置20内。在水质分析仪100应用于在线监测水质的情况下，样品例如可取自于监测的河流、管道等中的水，并且可以储存在样品容纳装置20内。水质分析仪100还可以包括用于更新样品的其它抽取装置或控制装置。

本发明的水质分析仪100还可包括多个、例如多于两个标定溶液容纳装置，例如，在优选的实施例中，水质分析仪100包括第一标定溶液容纳装置10和第二标定溶液容纳装置12，其分别用于容纳具有第一浓度的第一标定溶液和容纳具有第二浓度的第二标定溶液。在此，第一浓度和第二浓度均是已知的。

此外，水质分析仪100还应包括试剂容纳装置30。优选的是，本发明可采用不止一种试剂，因而与此对应地可存在多个试剂容纳装置30，例如第一到第三试剂容纳装置。

为了测量吸光度，本发明的水质分析仪100还可包括检测装置60。该检测装置60主要用于检测在混合有试剂之后的样品以及各种溶液的吸光度。吸光度检测装置60本身是已知的，例如市场上可购得的各种微流控芯片可用于精确检测吸光度，在此不再赘述。

优选的是，水质分析仪100可以包括检测单元50，以使得各溶液和样品中的至少一种与试剂能在其内进行混合，并且进行吸光度检测。例如，第一标定溶液及试剂在其内混合、第二标定溶液及试剂在其内混合以及样品与试剂在其内进行混合。但可以理解到，这些混合都是彼此独立、互不影响的，从而提供可靠的吸光度结果。

此外，水质分析仪100可以包括抽取装置，其可以构造成能分别将各个标定溶液（例如，第一和第二标定溶液）以及样品和试剂抽取到前述检测单元50内，从而减少整个过程中受外界影响的程度以及由此提高精度。

特别有利的是，水质分析仪100还可以包括多通阀40。该多通阀40可以构造成选择性地建立各个标定溶液（例如，第一标定溶液、第二标定溶液等）、待测样品和试剂与检测单元50之间的流体连通。为此，多通阀40可设有多个端口，且这些端口之间可以选择性连通或切断。鉴于多通阀40的结构本身是已知的，在此不再赘述。

另外，本发明的水质分析仪100还可以包括或者不包括废液收集容器80，确定样品浓度后的样品、标定溶液等可以直接导入这些废液收集容器80中。如有需要，还可以进一步回收利用。

最后，本发明的水质分析仪100优选集成有能执行下面详述的方法步骤的控制器70或者其它类似控制器件以及可选的显示设备90。显示设备90特别是用于在线水质分析仪，可以让使用者对当前水质情况有即时的了解。但可以理解到，水质分析仪也可以外设有控制器70和显示设备90，即它们也可以并不构成本发明的水质分析仪本身的一部分。

标定过程的基本原理

如图2中所示，对于一个比色分析过程，往往包括多种显色或者反应试剂。假设在特定的比色反应中使用了三种试剂，为了便于理解，标记为R1、R2和R3。在这三种试剂中，假设R1为有色试剂，并且随着使用时间的延长，由于空气氧化和自身分解等各种因素的影响，导致R1颜色有变化。

在图2的实施例中，为了排除试剂R1的变化导致出现的问题，可以包含如下两步：

1）加入溶液（例如，样品、标定溶液等）、试剂R2和试剂R3，再次加入与试剂R1等体积的无被测物溶液（或者纯水），采集此时的吸光度，记录为abs₁;

2）加入溶液（例如，样品、标定溶液等）、试剂R2、试剂R3和试剂R1，采集此时的吸光度，记录为abs₂。

具体来说，对于一般情况而言，均可以假设以具有第一浓度的第一标定溶液为第一标定点，当第一标定溶液内没有加入试剂（例如，没有加入试剂R1，但加入与试剂R1等体积的无被测物溶液或者纯水）时和当第一标定溶液内混合有试剂（例如，加入试剂R1）时，分别用检测装置60可测量到两个吸光度（也称“第一标定点第一吸光度”和“第一标定点第二吸光度”）Abs_a1和Abs_a2，二者之差即为第一标定点的吸光度（也称“第一标定溶液吸光度”）Abs_a= Abs_a2- Abs_a1；

同理，假设以具有第二浓度的第二标定溶液为第二标定点，当第二标定溶液内没有加入试剂（例如，没有加入试剂R1，但加入与试剂R1等体积的无被测物溶液或者纯水）时和当第二标定溶液内混合有试剂（例如，加入试剂R1）时，分别用检测装置60也可测量到两个吸光度（也称“第二标定点第一吸光度”和“第二标定点第二吸光度”）Abs_b1和Abs_b2，二者之差即为第二标定点的吸光度（也称“第二标定溶液吸光度”）Abs_b= Abs_b2– Abs_b1。

在一个实例中，加入试剂可以是指加入有色试剂R1，而没有加入试剂R1可以是指没有加入任何试剂，但也可以是加入了除了试剂R1外的其它试剂，例如试剂R2、R3。

根据朗伯比尔定律，吸光度与浓度之间存在一个特定的关系：

Y=kX+b，公式1

其中Y为浓度，X为吸光度，根据第一标定点的吸光度（也称“第一标定溶液吸光度”）X₁（即，上文的Abs_a）和第二标定点的吸光度（也称“第二标定溶液吸光度”）X₂（即，上文的Abs_b）以及已知的第一标定溶液的第一浓度Y₁和已知的第二标定溶液的第二浓度Y₂，由二元一次方程即可以解出公式1中的两个系数k和b。在此，可将公式1中的两个系数k,和b整体上称为样品浓度Y与吸光度X之间的“关联系数K”（具体参见下文）。

在测定样品中的被测物浓度时，针对具有待确定浓度的样品（溶液），当样品内没有加入试剂（例如，没有加入试剂R1，但加入与试剂等体积的无被测物溶液或者纯水）时和当样品内混合有试剂（例如，加入试剂R1）时，分别用检测装置60也可测量到两个吸光度（也称“测定点第一吸光度”和“测定点第二吸光度”）Abs_s1和Abs_s2，二者之差即为样品的吸光度Abs_s= Abs_s2– Abs_s1。

最后，根据样品的吸光度X（即，上文的Abs_s）和上述解出的公式1中的两个系数k和b，可以获得样品的（被测物）浓度Y。

可以理解到，尽管吸光度与浓度之间存在上述公式1的特定关系，但在每次浓度测定时都需要重新标定第一标定点吸光度和第二标定点吸光度等，因而实际上该特定关系构成一种曲线（即，图2中所称的“当前标准曲线”）。

关联系数矩阵

根据上述基本原理，本发明的用于确定样品浓度的方法可以在浓度与吸光度之间建立一种系数关系（该系数关系构成下文将进一步详述“预设关联系数模型”）。在优选的实施例中，这种预设关联系数模型可以是一种自学习模型，尤其适用于自动多次在线监测水质的场景。

具体来说，首先可以将前述公式Y=kX+b简化为X与Y之间存在一个关联系数（矩阵）K。对于多次测量和浓度确定来说，K实际上为关联系数矩阵，Y为被测样品的浓度矩阵（也可称为“因变量矩阵”），而X为被测参数矩阵（也可称为“自变量矩阵”），其可以包含被测量的各种物理参数。例如，X可包括但不限于对应的测量时刻的各标定溶液的吸光度、测量时刻的温度T、测量时刻的样品吸光度Abs_s等物理参数。

但应注意到，在下文中所称的预设关联系数模型的“输入”或“输出”与“自变量X”和“因变量Y”的含义并不对应。具体来说，“输入”或“输出”是相对于求解预设关联系数模型而言的，而“自变量X”和“因变量Y”是用于构建关联系数K的。

假设在对样品浓度确定的当前次中（可以简单理解为发生在时刻t），自变量矩阵X(t)可以为：

公式2，

由上式可见，被测参数矩阵X包含了对应的测量时刻的第一和第二标定溶液的吸光度（也称“第一标定溶液吸光度”和“第二标定溶液吸光度”）、测量时刻的温度值T、测量时刻的样品吸光度Abs_s。但上式仅仅为示例性的。例如，被测参数矩阵X还可以包含对应的测量时刻的多于两种、例如三种、四种或更多种标定溶液的吸光度（例如，第N标定溶液吸光度）。还例如，被测参数矩阵X可以不包括温度值T（即，考虑温度T是优选的方案），或者替代地包括诸如环境湿度等其它物理参数。

基于上一次确定过程中的关联系数，可确定当前次的样品浓度Y(t)（例如，浓度可记为C_s,t）：

Y(t) = K * X(t) 公式3

自学习模型可以将多次测量（假设从时刻0到时刻t的t+1次测量）的结果组成如下形式的多维数组：

因此：

公式4，

为了解出上式，在实际应用中，自变量X（假设有p个自变量）可能导致因变量Y （假设有q个因变量）给的样例很少，同时又不清楚自变量之间、因变量之间存在的关系。因此，考虑将X、Y进行降维转换，如分别在X与Y中提取出成分t₁和u₁（也就是说, t₁是X₀,X₁,…,X_p的线性组合，u₁是Y₀,Y₁,…,Y_q的线性组合）。在提取这两个成分时，为了回归分析的需要有下列两个要求:

(1) t₁和u₁应尽可能大地携带他们各自数据表中的变异信息；

(2) t₁与u₁的相关程度能够达到最大。

在第一个成分t₁和u₁被提取后，分别实施X对t₁的回归以及 Y对u₁的回归。如果回归方程已经达到满意的精度，则算法终止；否则，将利用 X被t₁解释后的残余信息以及Y 被u₁解释后的残余信息进行第二轮的成分提取。如此往复，直到能达到一个较满意的精度为止。若最终对 X共提取了 m个成分t₁,t₂,…,t_m，回归将通过实施Y_k对t₁,t₂,…,t_m的回归，然后再表达成Y_k关于原变量X₁,X₂,…,X_p的回归方程, k=1,2,…,q（在此应注意，此处的字母k不是公式1中的系数，也不是关联系数K，而是表示k个提取的主成分）。因而解出上式，可以得到关联系数矩阵K。

然后，在当前次的样品浓度确定过程中（假设为时刻t+1）测量到的样品吸光度为Abs_s,t+1。将其和上述确定的关联系数矩阵K一起代入下式，即可得到当前次的样品浓度C_s,t+1。

公式5，

随着测量数次的增多，上述关联系数矩阵K会被训练得越来越精确，此时就可以减少标定的次数或者拉大标定的间隔，通过精确的系数矩阵K直接得到较准确的C_s,t+1。同时，显色试剂因环境或存放时间的变化、测试环境温度以及样品基质（如色度、浊度等）变化都可以良好消除，以达到精确测量和减少试剂使用量及废液排放量。

在一个具体的实例中，取四次第一和第二标定溶液吸光度、环境温度和样品的吸光度为自变量矩阵，同时将四次实际测量到的样品浓度结果为因变量矩阵，则可以得到如下具体数据：

X=

Y=

经上述分解进行学习拟合，得出K和学习拟合相关性R²分别如下：

然后，基于计算出的K计算下一次的样品浓度测试结果如下：

故C_s,t+1 = 19.56288447，这与采用常规实时校准曲线法得到的样品浓度为19.465之间的相对误差为(19. 4504613-19.465)/19.465 = -0.08%，因而基于这种方法确定出的样品浓度的结果误差小、很准确。

如在迭代中出现异常值，则需考虑试剂失效，确认其是否在有效期内，如没有，则需更换试剂。

样品浓度确定方法

为了实现上述自学习过程，基于预设关联系数模型的本发明的样品浓度确定方法需要包含如下几个步骤：

首先，为了确定混合有试剂的标定溶液的吸光度，需要包含a.标液测量步骤：先将各个标定溶液与所需的试剂相混合，这例如可以通过利用水质分析仪100的抽取装置将各个标定溶液和试剂分别抽取到水质分析仪100的检测单元50中来实现，该步骤可以手动进行，但优选自动进行。在将二者混合之后，利用检测装置60来测量混合后的标定溶液的吸光度作为更新后的标定溶液吸光度。

可以理解到，在采用具有第一浓度的第一标定溶液和具有第二浓度的第二标定溶液的实施例中，可以分别获得更新后的第一标定溶液吸光度和更新后的第二标定溶液吸光度。还可以理解到，更新后的第一标定溶液吸光度和更新后的第二标定溶液吸光度的获得可以是同时的或者有先后次序的，但这对本发明的方法并不产生实际影响。

在水质分析仪100包括检测单元50和多通阀40的实施例中，步骤a包括：切换该多通阀40，以使得第一标定溶液和试剂能分别与检测单元50连通，以抽取溶液和试剂；以及切换多通阀40，以使得第二标定溶液和所述试剂分别与所述检测单元50连通，以抽取溶液和试剂。由此，各个标定溶液和试剂可以分别在检测单元50内进行混合并且检测其吸光度。

可以理解到，在步骤a中，第一标定溶液吸光度可以包括在第一标定溶液中依次加入第一种试剂到第m种试剂时分别测量出的第一标定溶液的吸光度的一组数值（呈矩阵数组的形式），而第二标定溶液吸光度也可以类似地包括在第二标定溶液中依次加入第一种试剂到第m种试剂时分别测量出的第二标定溶液的吸光度的一组数值（呈矩阵数组的形式）。m为大于1的自然数，例如2、3、4或更多。

另外，为了确定混合有试剂的样品的吸光度，需要包含b.样品测量步骤：先将样品和试剂进行混合，这例如可以通过利用水质分析仪100的抽取装置将样品和试剂分别抽取到水质分析仪100的检测单元50中来实现，该步骤可以手动进行，但优选自动进行。在将二者混合之后，利用检测装置60来测量混合后的样品的吸光度作为当前样品吸光度。

类似地，在水质分析仪100包括检测单元50和多通阀40的实施例中，步骤b包括：切换该多通阀40，以使得样品和试剂分别与检测单元50连通，以抽取样品和试剂。由此，样品和试剂可以在检测单元50内进行混合并且检测其吸光度。

可以理解到，上述步骤a和步骤b之间可以同时或者先后进行，这对本发明的方法并不产生实际影响。

在完成上述步骤a和步骤b之后，本发明的方法包括c.关联系数更新步骤。具体来说，基于之前的预定次（可以理解为可预先确定的n次）关联系数更新步骤和样品浓度确定步骤（下文将详述该步骤）中的每个所采用的更新后的标定溶液吸光度（例如，更新后的第一标定溶液吸光度和更新后的第二标定溶液吸光度）、当前样品吸光度、以及确定的当前样品浓度作为预设关联系数模型的输入，确定更新后的关联系数K。

换言之，在预设关联系数模型的输入参数中，标定溶液吸光度、当前样品吸光度、以及确定的当前样品浓度都是之前的预定次所更新或者确定的，而不是本次更新或者确定的。因此，在步骤c中的术语“当前”是指之前的预定次中的每次的“当前”，而不是指本次确定过程的“当前”。

还可以理解到，在此术语“输入”是指输入到预设关联系数模型中的已知参数，而预设关联系数模型的输出为更新后的关联系数。在此，术语“预设关联系数模型”仅仅是指构建已知的输入参数与输出（即，更新后的关联系数）之间的对应关系的一种模型，其模型本身的显性表达不是本发明的重点内容。

在完成步骤c之后，本发明的方法包括d.样品浓度确定步骤：基于更新后的关联系数K、更新后的各标定溶液吸光度（在此实施例中为更新后的第一标定溶液吸光度和更新后的第二标定溶液吸光度）以及当前样品吸光度，确定出样品的当前样品浓度。

如前所述，由于关联系数矩阵K的较为精确的计算以及由此样品浓度的精确确定，可以减少标定的次数或者拉大标定的间隔。为此，本发明的水质分析仪100（例如，在其控制器70内）可以预设有一些条件来判断是否需要每次确定样品浓度时都要更新一次标定溶液的吸光度。

因此，根据本发明的方法可以在步骤d之后包括如下e.判断步骤：如果符合预设条件，则重复执行步骤a-e；如果不符合预设条件，则重复执行步骤b-e。由此，可以通过设置预设条件来区分出不需要更新标定溶液的吸光度的情况和需要更新标定溶液的吸光度的情况，从而为灵活调整样品浓度确定步骤提供可能性。

步骤e中的预设条件

在一些实施例中，预设条件例如可以为步骤b的累计执行次数超过第一预设次数。也就是说，上文的e.判断步骤在此为：如果步骤b的累计执行次数超过第一预设次数，则重复执行步骤a-e，并对步骤b的累计执行次数清零。如果累计执行次数未超过第一预设次数，则重复执行步骤b-e。此时，步骤b的累计执行次数不会被清零。在此，可规定术语“超过”是指大于，而非大于等于。

上述实施例的物理含义为：预先确定一个第一预设次数，假设为10次（可为任意次数）。在没有超过10次的这十次执行本发明的方法的前述步骤过程中，仅需要执行步骤b-e，而无需在这十次中的每次中反复更新标定溶液的吸光度，这将大幅提高确定样品浓度的计算量和由此效率。

这是因为每次更新标定溶液的吸光度需要涉及抽取每种标定溶液、将每种标定溶液分别与试剂混合，并且用检测装置60对混合后的每种标定溶液进行吸光度检测。当标定溶液的数目较多或者执行次数较多时，这些步骤都十分消耗在线水质分析仪100的处理资源。尤其是，由于每次都要混合试剂，试剂的消耗量也极大，因而加大了水质监测的成本。

在另一些实施例中，预设条件为步骤b的累计执行次数超过第二预设次数。在此，第二预设次数与上文的第一预设次数之间无直接关联，仅表示一种可预先确定的预设次数值。

在这些实施例中，根据本发明的方法的判断步骤e可包括：如果步骤b的累计执行次数超过第二预设次数，则重复执行步骤a-e，并对步骤b的累计执行次数清零。如果步骤b的累计执行次数未超过第二预设次数，则重复执行步骤b-e。

但在这些实施例中，与上文描述的不同之处在于，如果步骤b的累计执行次数超过第二预设次数，除了重复执行步骤a-e并对步骤b的累计执行次数清零之外还涉及以下操作：基于更新后的第一标定溶液吸光度、更新后的第二标定溶液吸光度、已知的第一标定溶液的第一浓度和已知的第二标定溶液的第二浓度、以及当前样品吸光度，确定出样品的参考浓度。确定方法可参照上文“标定过程的基本原理”一节。

如果在步骤d中确定出的当前样品浓度与参照上文“标定过程的基本原理”一节计算出的参考浓度之差大于或等于预先确定的浓度阈值，则减小第二预设次数；反之，则保持第二预设次数不变或者甚至还可增大第二预设次数。

上述实施例的物理含义为：预先确定一个第二预设次数，假设为15次（可为任意次数）。在没有超过15次的这十五次执行本发明的方法的前述步骤过程中，仅需要执行步骤b-e，而无需在这十五次中的每次中反复更新标定溶液的吸光度，这将大幅提高确定样品浓度的计算量和由此效率。

当超过预先设定的第二预设次数时，需要执行一次步骤a，即更新标定溶液吸光度，以获得例如更新后的第一标定溶液吸光度和更新后的第二标定溶液吸光度。此时，利用已知的标定溶液的浓度、更新后的标定溶液吸光度以及当前样品吸光度，可以计算出样品的参考浓度。

如果由步骤d确定的样品浓度与该参考浓度的差异较大（即，大于或等于某个阈值），则说明预先设定的第二预设次数是个不太合理的次数，该次数过大，导致样品浓度的确定精度降低。为此，在后续过程中需要减小该第二预设次数，例如由15次减小为10次。优选的是，再观察当采用了减小后的第二预设次数时，是否在超过该减小后的第二预设次数时的样品参考浓度与由步骤d确定出的样品浓度之间的差值是否仍然较大（即，大于或等于某个阈值），如果是，则可能需要进一步减小该第二预设次数，直到达到合理的数值为止。

但如果由步骤d确定的样品浓度与该参考浓度的差异较小（即，小于某个阈值），则说明预先设定的第二预设次数是个相对合理的次数。换言之，在该第二预设次数内如果并不更新标定溶液吸光度，对于样品浓度确定的精度影响不大。

优选的是，甚至可以增大该第二预设次数，然后再观察当采用了增大后的第二预设次数时，是否在超过该增大后的第二预设次数时的样品参考浓度与由步骤d确定出的样品浓度之间的差值是否仍然较小（即，小于某个阈值）。如果是，则说明增大后的第二预设次数也是一个合理的次数。由此，可以提高整个水质检测的效率，显著拉大标定溶液吸光度的更新频率，从而大幅降低试剂和标定溶液的消耗量，由此降低成本。

更优选的是，在步骤b的累计执行次数超过第二预设次数从而重复执行步骤a-e的过程中，步骤e还包括将所述参考浓度代替在步骤d中确定出的所述样品的当前样品浓度。这是因为参考浓度的准确度一般高于由前述各步骤确定出的样品浓度。由于在此过程中已经计算出了参考浓度，则将参考浓度代替当前确定的样品浓度是有利于提高整体精度的。

标定步骤

在本发明的方法中，优选在步骤a之前还包括首次启用标定溶液时执行的首次标定步骤：首先，将首次启用的标定溶液与试剂混合，这例如可以通过利用水质分析仪100的抽取装置将首次启用的各个标定溶液和试剂分别抽取到水质分析仪100的检测单元50中来实现，该步骤可以手动进行，但优选自动进行。在将二者混合之后，利用检测装置60来测量混合后的标定溶液的吸光度作为首次标定吸光度。

在采用第一标定溶液和第二标定溶液的实施例中，混合首次启用的第一标定溶液和试剂，并测量混合后的第一标定溶液的吸光度作为首次标定第一吸光度；以及混合首次启用的第二标定溶液和所述试剂，并测量混合后的第二标定溶液的吸光度作为首次标定第二吸光度。

随后，在前述步骤a中，将首次标定第一吸光度与更新后的第一标定溶液吸光度进行比较并且将首次标定第二吸光度与更新后的第二标定溶液吸光度进行比较，如果首次标定第一吸光度与更新后的第一标定溶液吸光度之差超过第二阈值，和/或如果首次标定第二吸光度与更新后的第二标定溶液吸光度之差超过第三阈值，则更换标定溶液，以避免由于标定溶液本身的问题而后续影响样品浓度的确定。

至此，通过上述首次启用标定溶液时执行的首次标定步骤，可以预知标定溶液本身随时间或者环境的变化对测量造成影响的程度，从而避免因这种影响带来的样品浓度确定的不准确性。

类似地，在本发明的方法中，优选在步骤a之前也可以包括首次启用试剂时执行的首次标定步骤：首先，将标定溶液与首次启用的试剂混合，这例如可以通过利用水质分析仪100的抽取装置将各个标定溶液和首次启用的试剂分别抽取到水质分析仪100的检测单元50中来实现，该步骤可以手动进行，但优选自动进行。在将二者混合之后，利用检测装置60来测量混合了首次启用的试剂后的标定溶液的吸光度作为首次标定吸光度。

随后，也类似地在前述步骤a中，将首次标定吸光度与更新后的各标定溶液吸光度进行比较，如果首次标定吸光度与更新后的标定溶液吸光度之差超过某个可预先确定的阈值，则可更换试剂，以避免由于试剂本身的问题而后续影响样品浓度的确定。

再转回图2，在使用了多种比色试剂R1、R2、R3的特定实施例中，第一标定点第一吸光度和第二标定点第一吸光度是在未加入了试剂R1、但加入试剂R2、R3后（以及加入与试剂R1等体积的无被测物溶液或者纯水）进行测定的，而第一标定点第二吸光度和第二标定点第二吸光度是在额外加入了试剂R1后进行测定的。

在此实施例中，试剂R2、R3的变化可通过比较首次试剂开瓶时的第一标定点第一吸光度与当前更新后的第一标定点第一吸光度来看出，也可以通过比较首次试剂开瓶时的第二标定点第一吸光度与当前更新后的第二标定点第一吸光度来看出。当这两个比较结果均发生变化时，可以认为已经确认了试剂R2、R3发生了变化，可以更换试剂R2、R3了。

而试剂R1的变化可通过比较首次试剂开瓶时的第一标定点第二吸光度与当前更新后的第一标定点第二吸光度来看出，也可以通过比较首次试剂开瓶时的第二标定点第二吸光度与当前更新后的第二标定点第二吸光度来看出。当这两个比较结果均发生变化时，可以认为已经确认了试剂R1发生了变化，可以更换试剂R1了。本发明的方法和装置并不限于仅使用试剂R1、R2、R3。当使用更多种或者更少种试剂时，前文所称的第一或第二标定溶液吸光度可以包括吸光度数组或矩阵，从而用于确定各个依次加入的试剂是否变化超过允许范围以及是否需要进行更换。

但应注意到，图2中所示的测量（第一标定点或第二标定点）第一吸光度是指测量背景值，背景值可包括样品背景（样品颜色，颗粒物等引起的信息）、试剂背景（包括试剂衰减信息）等信息。而测量（第一标定点或第二标定点）第二吸光度是指测量加入显色反应试剂后显色的吸光度。可以使用第二吸光度减去第一吸光度作为最终吸光度通过标准曲线来计算浓度，但这样的计算方式会导致一些有用信息丢失。

如前详述，本发明并不采用这种直接的方法，而是采用关联矩阵来实际包含每次测量的各种信息，其隐含保留了标液和试剂随温度或时间变化（衰减）的信息，因而基于自学习可修正浓度结果，可在显著提高检测效率的情况下实现较高的确定精度。

尽管在各附图中参照了用于水质分析仪的实例来描述了本发明的各种实施例，但应当理解到，本发明的范围内的实施例可应用至具有相似结构和/或功能的其它生物化学仪器中等。

前面的描述已经给出了许多特征和优点，包括各种替代的实施方式，以及装置和方法的结构和功能的细节。本文的意图是示例性的，并不是穷尽性的或限制性的。

对于本领域的技术人员来说显然可对由所附权利要求所表达的术语的宽泛上位含义所指示的全部范围内做出各种改型，尤其是在结构、材料、元素、部件、形状、尺寸和部件的布置方面，包括这些方面在此处所描述的原理范围内的结合。在这些各种改型未偏离所附权利要求的精神和范围的程度内，意味着它们也包含于此。

Claims

1.一种在水质分析仪中用于确定样品浓度的方法，所述水质分析仪（100）包括：

样品容纳装置（20）；

第一标定溶液容纳装置（10），用于容纳具有第一浓度的第一标定溶液；

第二标定溶液容纳装置（12），用于容纳具有第二浓度的第二标定溶液；

试剂容纳装置（30）；

检测装置（60），用于测量包含试剂的各溶液和样品的吸光度；

其特征在于，所述方法包括如下各步骤：

a. 标液测量步骤，混合所述第一标定溶液和所述试剂，并测量混合后的所述第一标定溶液的吸光度作为更新后的第一标定溶液吸光度；以及混合所述第二标定溶液和所述试剂，并测量混合后的所述第二标定溶液的吸光度作为更新后的第二标定溶液吸光度；

b. 样品测量步骤，混合所述样品和所述试剂，并测量混合后的所述样品的吸光度作为当前样品吸光度；

c. 关联系数更新步骤，基于之前的预定次关联系数更新步骤和样品浓度确定步骤中的每个所采用的更新后的第一标定溶液吸光度、更新后的第二标定溶液吸光度和当前样品吸光度、以及确定的当前样品浓度作为预设关联系数模型的输入，确定更新后的关联系数；

d. 样品浓度确定步骤，基于所述更新后的关联系数、所述更新后的第一标定溶液吸光度、所述更新后的第二标定溶液吸光度以及当前样品吸光度，确定所述样品的当前样品浓度；

e. 如果符合预设条件，则重复执行步骤a-e；

如果不符合预设条件，则重复执行步骤b-e。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述预设条件为步骤b的累计执行次数超过第一预设次数，步骤e包括：

如果累计执行次数超过第一预设次数，则重复执行步骤a-e，并对步骤b的累计执行次数清零；如果累计执行次数未超过第一预设次数，则重复执行步骤b-e。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述预设条件为步骤b的累计执行次数超过第二预设次数，步骤e包括：

如果步骤b的累计执行次数超过第二预设次数，则重复执行步骤a-e，并对步骤b的累计执行次数清零，其中，基于所述更新后的第一标定溶液吸光度、所述更新后的第二标定溶液吸光度、已知的所述第一浓度和所述第二浓度、以及所述当前样品吸光度，确定所述样品的参考浓度；如果所述当前样品浓度与所述参考浓度之差大于或等于预先确定的浓度阈值，则减小所述第二预设次数；反之，则保持所述第二预设次数不变或者增大所述第二预设次数；

如果步骤b的累计执行次数未超过第二预设次数，则重复执行步骤b-e。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，在步骤b的累计执行次数超过第二预设次数从而重复执行步骤a-e的过程中，步骤e还包括将所述参考浓度代替在步骤d中确定出的所述样品的当前样品浓度。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤c中，所述预设关联系数模型的输入还包括之前的预定次关联系数更新步骤中的每个所采用的环境温度；以及

在步骤d中，还基于当前环境温度，确定所述样品的当前样品浓度。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤a之前，所述方法还包括首次启用标定溶液时执行的首次标定步骤：混合首次启用的第一标定溶液和所述试剂，并测量混合后的第一标定溶液的吸光度作为首次标定第一吸光度；以及混合首次启用的第二标定溶液和所述试剂，并测量混合后的第二标定溶液的吸光度作为首次标定第二吸光度；

在步骤a中，如果所述首次标定第一吸光度与更新后的第一标定溶液吸光度之差超过第二阈值，和/或如果首次标定第二吸光度与更新后的第二标定溶液吸光度之差超过第三阈值，则更换所述试剂。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述水质分析仪还包括：

检测单元（50），各溶液和所述样品中的至少一种与所述试剂在所述检测单元（50）内混合，并且进行吸光度检测；

抽取装置，所述抽取装置构造成能分别将所述第一标定溶液、所述第二标定溶液、所述样品和所述试剂抽取到所述检测单元（50）；

其中，步骤a包括：借助所述抽取装置将所述第一标定溶液和所述试剂依次抽取到所述检测单元（50）内，以进行混合；以及借助所述抽取装置将所述第二标定溶液和所述试剂依次抽取到所述检测单元（50）内，以进行混合；

其中，步骤b包括：借助所述抽取装置将所述样品和所述试剂依次抽取到所述检测单元（50）内，以进行混合。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述水质分析仪还包括：多通阀（40），所述多通阀（40）构造成能选择性地建立所述第一标定溶液、所述第二标定溶液、所述样品和所述试剂与所述检测单元（50）之间的流体连通；

其中，步骤a包括：切换所述多通阀（40），以使得所述第一标定溶液和所述试剂能分别与所述检测单元（50）连通，以抽取溶液和试剂；以及切换所述多通阀，以使得所述第二标定溶液和所述试剂分别与所述检测单元（50）连通，以抽取溶液和试剂；

其中，步骤b包括：切换所述多通阀（40），以使得所述样品和所述试剂分别与所述检测单元（50）连通，以抽取样品和试剂。

9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤a中，所述第一标定溶液吸光度包括在所述第一标定溶液中依次加入第一种试剂到第m种试剂时分别测量出的所述第一标定溶液的吸光度的一组数值，而所述第二标定溶液吸光度则包括在所述第二标定溶液中依次加入所述第一种试剂到所述第m种试剂时分别测量出的所述第二标定溶液的吸光度的一组数值，其中，m为大于1的自然数。

10.一种水质分析仪，所述水质分析仪构造成能执行权利要求1-9中任一项所述的方法。