（生物医学工程专业论文）基于led阵列的光度法水质检测仪的研制.pdf

a b s t r a c t i nt 1 1 ep r o c e s so fm e a s u r i n gw a t e rq u a l i 饥d i 岱北n tc o l o rr e a c t 柚t sw h i c ha r e c h o s e na c c o r d i n gt 0 也em e a s u r e dp a r 锄e t e 硌h a v ed i f f b r e n t s p e c 臼a la b s o 印t i o n c h a r a c t e r i s t i c s a tt h ec h a r a c t e r i s t i ca b s o 印t i o nw a v e l e n g t h ，t 1 1 ea b s o 印t i o no fl i 曲t e n e r g yd e p e n d so nt l l e c o n t e n to ft h em e a g u r e di n 伊e d i e n t s t h ew a t e rq u a l i 哆 m e a s u r i n gs y s t e mb a s e do nl e d 黝y i sd e s i g n e da c c o r d i n gt 0t l l e s ef b a t u r e s t h i s m e a s u r i n gs y s t e ma d 叩t ss p e c i f i cl e d 鹊t 1 1 em o n o c h r o m a t i cl i g h ts c r u e t h es c m i st 1 1 ec o r eo ft h i si n s 铜】m e n t w i t h 血ee x t e m a lc i r c u i ts u c h 舔a d t h i si n s 协】m e m c 拙a c h i e v et 1 1 ec o n v e r s i o n ，p r o c e s s i n g ，叩e m t i o 璐o ft h es i 印a l 锄dc o n 仃o lt h e i n s 讥珊e n tt 0d i s p l a y 姐dp r i m t h i si n s t n 珊th a dm a n yc h a r a c t e r - i s t i c ss u c h 硒 s i m p l e0 p t i c a l l i 曲tp a m ，l o w - p o w 锄a uv o l u m e 锄de 鹊yt 0c 锄y i nt h i sa r t i c l e ，ia n a l y z et h ew o r 虹n gp r i n c i p l eo ft h ew a t c rq l 埝l i 够m e 觞u 血g i n s 仃u m e n tw h i c hi sb a s e d0 nt l l el a l b e m b e d si a w 锄df o c u so nt 1 1 el e d a 玎a y b 邪e dp o n a b l ew a t e rq l m l i 够锄a l y s i si n s 协l m e n t t h eo r b i c u l a rw a t c r 小l a l i 够 m e a s u 血gi n s 仉l n l e n t i s d e s i g n e d c o r d i n gt 0 也el i n e 盯r e l a t i o n s h i pb e t w e c n a b s o r b 弛c e 锄dc o n c e n n 嘶o n w h a tih a v ea c h i e v e di sa sf o l l o w s ，l e d 删- b 硒e d e n l i t t i n gl i g h t 仃a m n l i t t e d 舔s e m b l y 锄d 缸趾s m i s s i o nl i 曲tr e c e i v e 觞s 钮l b l y ； ) t h e c 彻v e r s i o no f 也eo p t i c a l 加de l e c 删c a ls i 乒a lu s i n gp 搬o e l e c t r i ct r i o d e ，t l l e c o m p i 嘶o no f 础l t i - c h a 皿e ls i 驴a 1c h o i c eu s 吨a d g 6 0 8a n dt h ec o m p l e t i o no fa d u s i n ga d 7 8 9 6 ；t h ec o m p l e t i o ft l l e s c mh r d w a r c 姐ds o 脚a r es y s t e n l s ， i n c l u d i n gk e y b o a r dc o n 仃o l n n g ，p r i n 血g ，d i s p i a y0 nl c d ，p r o c e s s i n g 弛dc a l c u l a t i n g 也e 咖o b t a i l l e db y dc o n v c r s i o n ，锄e n d i i l gt h es t 孤d a r dc u r v ea c c o r d i n gt o 也e n e e d so ft h e u s e r d i s p l a y i n g 也e m e a 嘶n g r e s u l t so nl c d柚d p r i n t i n g ；e ) 【p 洳e n t i n go nt h es o l u t i o nw i t hs t a n 捌c o n c e n 仃a t i o n 衄df i t t i n g 也e e x p e 血n e n t a l l l s i n gl i n e a r r e 舀e s s i o n 孤a l y s i s ；w r i 血gt 1 1 es 伽1 d a r dw o r k i n gc u r v e i n t o 也em e a s 曲gs y s t e mb y 叩e r a 吐n gt 1 1 ek e y b o a r d t h ep o r t a b l ew 栅q u a l i 妙m e a s u r i n gi n s 仇1 e n tb 嬲e do nl e d a r r a yp r o v i d e sa n e wt e s 缸gm e t h o d 砌c hh 豁s i m p l e 咖j c t u r ea n dc 明a c h i e v er c a l - t i m ed e t c c t i k e yw o r d s ：l e d a 盯a y ，s p e c 廿o p h o t o m e 吼p r o 讪l ei 璐咖e n t ，w a t e rq u a l i 妙 m e 觞u r i n gs y s t 锄 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤叠苤堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位敝作者弛啤睡辉 签字日期 。呷年占月8 日 学位论文舨权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权叁鲞盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：谭睦辉 签字日期：。- 唧年么月曙日 导师签名：z 枷寸) 签字日期：如刁年多月功日 第一章绪论 1 1 水质分析的意义 第一章绪论弟一早珀t 匕 水是宝贵的自然资源，工农业和生活用水不仅量大而且对它们的质量【1 】也有 严格的要求，如农业用水的p h 值要求4 5 9 之间，饮用水的标准为7 8 5 ，污水p h 排放值需在6 9 之间，化妆品工业用水的电导率要求小于2 0 耐c m ，医药工业用 水的电导率要求小于1 叫c m ，微电子工业用水的电导率要求小于0 1 1 m s c m 等 等。水的质量既影响工业生产又影响人民的日常生活，受到越来越多的关注，世界 上许多国家都颁布了各行业的水质标准，并不断有新的水质标准取代原有的旧标 准。因此，进行水质检测以保证各行业用水的质量既有很大的经济意义，又有重要 的社会意义。水质分析方澍2 】在水和废水检测分析方法中都有详细介绍，后人 在此基础上不断地进行改进，如t h o m 舔a f 捌1 l 【o 访c h 对w h l s h 描述的h t c 化学 发光法进行改进，研究出一种准确测定天然水中总有机氮的快速自动化方法【3 1 。 随着工农业生产的迅速发展和人口的急剧增加，水环境污染日趋严重，客观上 对水环境管理和环境保护工作提出了更为严峻的挑战。近年来，世界各国为了适 应发展变化的水环境管理和监测形势，不断修订和实施水环境质量标准，对水环境 质量监测更加重视。以我国最新地表水环境质量标准( g b 3 8 3 8 22 0 0 2 ) 为 例，2 0 0 2 年修订时，在1 9 9 9 年标准【4 卜【5 】的基础上又增加了五氯酚、丙烯腈、氯乙 烯、苯、甲苯等苯系物及三溴甲烷等挥发性卤代烃类的监测标准，项目总数达4 0 余项。但我国目前仍存在着环境保护管理需求与环境监测手段的矛盾，存在着现 有的标准监测分析方法或监测仪器难以满足常规监测要求的情况。因此，无论是 水质环境监测仪器的研发、使用及水质环境监测新方法的开发都是摆在仪器生产 厂家及监测技术人员面前的重要任务。我国环境监测事业经过3 0 多年的发展，已 有各类环境监测站4 4 0 0 余个，监测人员8 万余入。在2 0 0 2 年以前，已在重点流域 建成4 2 个水质自动监测站，截止到目前，由国家财政投资建设的水质自动监测站 已有7 0 多个。我国已有1 0 0 多个城市建立了空气自动监测站，还有4 0 多个空气 自动站正在建设中。 第一章绪论 1 2 水质分析仪器的现状 统计数据表明，1 9 9 5 年至1 9 9 9 年，全球分析仪器的年平均销售额为2 1 7 亿 美元，同期中国年平均销售额仅为2 0 亿元人民币；2 0 0 1 年全球分析检测仪器销 售额高达2 3 9 亿美元，中国也仅为9 亿美元左右，占全球总销售额的3 8 。目 前，中国约7 3 的分析测试仪器需要进口，在一些高档精密仪器领域这个比例 更高。一些特种专用仪器则完全依赖于进口。“十五”期间中国分析仪器行业的发 展重点将围绕科研、生产、人类环境三大领域需求，以基础工业和支柱产业的产 品质量控制及环保、防病治病等领域需要的分析仪器和技术含量高的中档产品为 主【6 】。重点开发的产品将包括在线检测与质量控制仪器、人类健康与环境检测器、 军队用各种侦查战争毒剂分析仪器等【7 卜【9 】。 目前，发达国家企业的研发支出约 占销售总额的6 至1 2 ，而目前中国企业的平均水平低于1 5 。随着各行业 对新技术新产品开发的日益重视，在研发方面的投资也会迅速增加，这意味着分 析仪器市场需求会在近年内迅速扩大。 进入2 0 世纪9 0 年代后，国外许多仪器仪表公司推出技术先进、性能优良的 水质分析仪器，这些新型仪器多采用单片微计算机技术，许多仪器的单片机都是目 前最新型的单片机芯片，使得所显示的信息量非常大，极大地方便用户的使用。目 前，了解到的国外生产水质分析仪器的厂家有美国的y s i 、h a c h 、g l i 、r d s e m o u n 等公司；德国的l 0 v i b o n d 、m e r c k 、w t w 、d r a g e r 、s t p 等公司：法国的 p o l 脚铡c o n 公司；瑞士的z u l l i g 公司；日本的东亚电波公司和衡河公司；意大利的 h a n n a 等公司。其中在便携式水质快速分析方面处于领先地位的主要有美国的 h a c h ，德国的l 0 访b o n d 、m e r c k 以及意大利的h a n n a 公司【l o 】。 以下是国外水质分析仪器的主要性能参数。 表1 1 国外便携式水质分析仪器的主要参数 2 第一章绪论 便携式 多参数 水质分 析仪 五合一 多参数 水质分 m p t - 2 0 l 型 g d y s 2 0 1 s 测量参数：高浓度c o d 、低浓度湖南5 0 0 0 c o d 、正磷酸盐及总磷、氨氮、余 氯、六价铬、总铬、浊度共八种参 数 测定范围：氨氮、溶解氧、p h 、盐中国 4 8 0 0 度、温度： 第一章绪论 析仪 多参数 水质分 析仪 多参数 水质分 析仪 水中有 机物快 速测定 仪 g d y s 1 0 1 m可现场定量检测出水质中1 0 种参中国9 8 0 0 数 g d y s 2 0 1 m可现场定量检测出水质中3 0 种参中国9 8 0 0 数 该便携式水中有机物快速测定仪用中国9 8 0 0 于测定污染组分比例相对稳定的水 中总有机物的含量，适合地表水， 地下水，废水，开放式水箱及固定 工艺流程的监测。能读出c o d ， t o c ，b o d ，d o c 等指标( 符合国家 环保c 类标准分析法) 。 以意大利哈纳公司生产的h a n n ac 2 0 0 水质分析仪为例。它是一种可以快 速测定水和废水中3 6 种离子参数的比色计【1 1 1 ，其试剂做成袋装粉剂或瓶装水剂， 加试剂量易准确控制，其操作简便、快速，又能定量确定被测离子的浓度并由仪 器直接显示数值，很适合水质快速检验，特别是农村水质卫生调查，但是价格昂 贵。国内的分析仪器价格上要占优势，但性能上受影响。有的仪器虽已引进了国 外生产线，但价格偏高，而且性能与进口仪器相比尚有一些差距。印? l c ( 高效液相 色谱仪) 和i c ( 离子色谱仪) ，尤其是i c 已经国产化，但与国外同类先进仪器相比，不 仅在功能上有差距，而且由于差距较大，影响了仪器的整体分析性能。从相关领域 ( 如精密机械加工水平、理论研究能力和技术水平等) 来看，我国已具备研制和生 产此类仪器的能力。所以国家应该从政策上扶植有关的企业，使这类仪器能尽快 占领国内市场，以满足我国的需求。随着社会的发展和人们对自身健康的关注以 及水资源的日益短缺和恶化，水样分析技术需要不断的更新和发展，它要朝着快 速、准确、高灵敏度、自动化方向迈趔1 2 】。这样的话，原有的理化分析方法就要 求以仪器方法代替，过去单一物质测定的方法需要一些能同时测定数种物质的方 法来代替，但是所有这些方法的更新需要建立在要比旧方法具有更高的灵敏度和 准确性方面，这样才能满足现如今水样分析的日益复杂化和微量化，因此，在今后 的研究工作中，要注意一些新技术、材料和仪器的有机结合，提高测定的灵敏度，达 到能够快速、方便、大批量进行检测的工作要求。从技术驱动转为市场驱动，从 一味追求高精尖转为“恰到好处”。开发一项成功产品的准则是：用户有明确的需 4 第一章绪论 求；能用最短的开发时间投放市场；功能与性能要恰到好处；产品开发准则的另一 变化是收缩方向，集中优势。 1 3 便携式水质分析仪器的应用范围 便携式水质仪器的主要应用方向主要有以下几方面： 1 、研究便携式水质分析仪，以便能在任何时间、任何地点都能快速准确的 测试和及时处理水源水质的污染程度，决定水处理措施和评价水处理效果【1 3 】。因 此受到国内外普遍重视。随着科学技术的发展，水源很可能受到更加严重的污染 及未来战争中水源遭受毒物等污染的情况下，为保证指战员在军事行动和战争的 特殊环境下的饮水卫生，保障身体健康和部队战斗力，更显得便携式水质分析仪 在现场能及时判断水源水质的重要性。 2 、在水产养殖方面现在多数采取经验法，即利用目测比较，随意性很大。 有的采取化学试剂分析法，就是通过化学反应对水质中的一些参数进行量化，在 生产实践中，由于现场检测缺少精确的分析，导致量化的精度较低。而实验室检 测成本高、周期长、数据参数数量有限，应用效果也不尽如入意。目前，采用计 算机自动监控系统监测水质在一些发达国家受到普遍重视，一套完整的多参数水 质实时检测监控系统能连续、及时、准确地监测目标水域的水质及其变化状况。 许多科研机构和企业正在对其进行研究和开发，如美国、法国、澳大利亚和荷兰 等国环境水质在线检测系统，检测精度和智能化程度较高，处于国际领先水平。 多参数水质实时检测监控就是利用现代传感器技术、自动测量技术、自动控制技 术、计算机应用技术以及相关的专用分析软件和通讯网络所组成的系统，该系统 通过对养殖水体中一些主要影响鱼类生长和健康的参数进行量化分析，进而采取 相应措施调控水质，确保水质符合安全需求。自动监测和控制的主要参数一般有 色、味、p h 、凹、何、m 对、p 谚一、c o d 、挥发性酚、石油类、六六六、 滴滴涕、乐果、甲基对硫磷、氟化物、马拉硫磷，h g 、a s 、c u 、c r 、c d 、p b 等。 如水体的溶解氧应保持在5 m 酮卜8 m g 九，至少应保持在4 m g 兀以上，不低于 3 m g l ，p h 值在6 5 9 0 之间，不高于9 2 。海水养殖在7 5 8 5 之间，每日差别 不得大于0 5 。氨氮( 巩一) 含量在0 6 m g l 以下，硫化氢的浓度应严格控制 在0 1 m g 几以下。通过监测和控制以上参数和范围，把水质控制在养殖要求的范 围内。近年来，我国也有一些厂家如河海大学及老牌厂家上海雷磁厂等在生产多 参数水质实时监测装置方面做出了一些尝试，然而由于所选的监测参数少，质量 也不够稳定。还有一些单位在水产养殖多参数实时检测仪器的研制方面做出了尝 试，如南京特安公司和北京、山东一些专业生产水产养殖用水质分析仪器的厂家， 第一章绪论 推出了一批单参数和多参数仪器，价位适中，操作简便，但由于其传感器使用期 限和校验等问题，影响了在生产实践中的广泛应用。目前，多参数实时检测设 备或系统是广大水产养殖户急需的产品。通过该系统可以掌握动态的环境水质信 息，实现水产养殖的科学指导，做到养鱼先养水，安全用药或不用药，降低投资 风险，有效提高水产品质量。有眼光的生产厂家应该根据目前我国水产养殖现状， 加大科研力度，解决好传感器的维护及校验问题，结合无公害水产品养殖标准， 生产出物美价廉的水质测试和水质调控的集成系统，促进我国水产养殖的科技进 步和产业升级，为实现我国水产养殖业增长方式转变提供有效保障。 3 、在环境保护【1 4 j 以及轻工、化工、食品等行业中，对各种水溶液以及食品、 饮料、蔬菜所含化学成分和有害物质的检测有着十分广泛的应用，除工农业生产 的需求外，有些检测项目还涉及到农副产品投放市场的要求和大众的饮食健康。 便携式水质分析仪和水质在线监测仪，可以在仪器上测定c o d 、氨氮、六价铬、 磷酸盐、农药等多种水质成分，除可以作为环境水质监测和残留农药检测外，还 可以用作常规化学分析仪器【1 5 1 。水质在线监测仪【l6 】则通过投入水中的探头，可 以连续在线的检测出溶液中的浑浊程度和颜色深浅度。据了解，在发达国家 【1 7 h 1 8 】和地区，现场直读型监测仪器已广为使用。但在我国5 0 0 0 多个监测站【l 明和 数以万计的企业检测机构中，约有8 5 仍靠传统的监测仪器维持工作。这种常 规的监测方法要经过实地采样、水样预处理、实验室检验分析、完成检验报告、 提出处理意见等一系列繁琐复杂的工作环节，测试仪器也以手动、半自动为主。 这不仅费工、费时、费材料，还由于样品需要异地搬移，检验时间会滞后等，常 会给环保执法等带来不必要的纠纷和麻烦。 1 4 基于l e d 阵列的便携式水质分析仪器 基于l e d 阵列的便携式水质分析仪【2 0 】通过将微型光源、光电转换器件、液晶 显示器以及内置的单片机系统的高度集成，实现了仪器便携化、微型化与智能化。 与适用于现场快速分析的化学试剂盒配套，可以方便的实现水质成分的现场分析 【2 l 】 o 在实验室使用时，又可以代替分光光度计，具有吸光度和浓度直读双重功能。 目前已经开发出可以测量氨氮、总铁、镉、六价铬等多种水质含量指标的便携式 仪器。 该仪器采用光电比色法，将常见方法和工作曲线预先进行程序化，可提供几 种工作曲线还可以根据用户的需要对工作曲线进行修改。可显示结果( 包括单 位) ，微型打印机打印输出，检出限很低，完全附合国家标准。所用试剂被制成 6 第一章绪论 粉状或片状，铝箔包装，可长期保存。 在实际工作中，分析人员只须取一定量的水样，按操作说明书要求，加入相 应的药品，反应几分钟后，即可比色测定。 1 5 本论文的主要工作 光度分析是一种实验室常用的分析方法。实验室所用的普通分光光度计f 矧采 用2 2 0 v 交流电源，用钨灯或碘钨灯为光源，经分光系统( 光栅或棱镜) 后获得单色 光，光电池或是光电培增管将光信号转变成电信号，再经相关放大检测电路，将吸 光度值显示出来。由于普通的光度计只能显示吸光度值a ，用户在测量样品前，必 须先配制标准溶液，测量其标准曲线，建立起浓度c 和吸光度a 之间的关系式，然 后再根据样品的a 值计算出浓度值。传统的分光光度计，上述结构特点，决定了仪 器的体积大，分析步骤烦琐，因而不适于现场( 野外) 大批样品的快速分析【2 3 1 。 为了实现仪器的便携化、微型化与智能化，我们的设计思想为： 1 、摈弃传统仪器以2 2 0 v 做为电源的设计，采取普通干电池供电的方式，使仪 器的便携化成为可能。 2 、以单色l e d 阵列替代普通分光光度计上钨灯和分光系统，使得仪器结构 大大简化，并且大大减小了仪器的体积和重量，实现了仪器的微型化。 3 、采用以单片机为核心的控制电路和数据采集与处理系统，实现了仪器的微 机化智能操作。通过仪器内置的工作曲线，可以自动根据测得的吸光度值计算出 待测组分的含量，直接显示浓度值，具有测量简单的优点。本仪器具有友好的人机 界面。用户可以根据需要修改工作曲线的参数，完成工作曲线的校准。 便携式仪器的单色光源数量有限，所以必须根据现有光源的波长，从已有的分 析方法中筛选合适的化学试剂盒。根据现场快速分析的特点及便携式的要求，对 现有的分析体系进行改进，使化学试剂盒在满足测量准确度的情况下，还具有性质 稳定、易于保存、携带方便、使用简便等特点。 设计完成了基于l e d 阵列的发射光组件和透射光接收组件；由光电三 极管完成光电信号转换、由a d g 6 0 8 完成多路信号选择及由a d 7 8 9 6 完成d 转换：单片机硬件和软件系统，该单片机系统包括键盘控制、打印及液晶显示， 负责对完成a d 转换后得到的数据进行计算和处理，并可以根据用户需要修正 标准曲线，由液晶显示测量结果，打印机打印输出；通过对标准浓度溶液进行 实验并用线性回归方法对实验数据进行拟合，所得到标准工作曲线通过键盘操作 写入到该测量系统中。 7 第二章便携式水质分析仪器的理论依据 第二章便携式水质分析仪器的理论依据 2 。1 朗伯一比耳定律 2 1 1 理论内容 当一束平行的单色光通过均匀的有色溶液时，溶液的吸光度与溶液中有色 物质的浓度及液层厚度的乘积成正比，如图2 一l 所示。表示它们之间的定量关系 的定律称为朗伯一比耳( l 锄b e r t b e e r ) 定律，这是各类吸光光度法定量测定的 依据2 劓。 图2 一l 光通过吸光物质的示意图 1 7 2 9 年波格( b o u g u e r ) 发现了物质对光的吸收与吸光物质的厚度有关。1 7 6 0 年朗伯提出了一束单色光通过吸光物质后，光的吸收程度与溶液液层厚度正比的 关系，该关系称为朗伯定律。即 删g 争稍 ( 2 1 ) 上式中中，a 为吸光度；i o 为入射光强度；i 为透射光强度；k 为比例常数；l 为液层厚度( 光程长度) 。 1 8 5 2 年比耳又提出了一束单色光通过吸光物质后，光的吸收程度与吸光物质 微粒的数目( 溶液的浓度) 成正比的关系，该关系称为比耳定律。即 8 第二章便携式水质分析仪器的理论依据 川g 争玑 上式( 2 2 ) 中，k ”为比例常数：c 为溶液的浓度。 将两个定律合并起来就成为朗伯比耳定律，其数学表达式为： 爿= g 争= 口c ， ( 2 2 ) ( 2 3 ) 式( 2 3 ) 中，口为比例常数，它与吸光物质性质、入射光波长、及温度等 因素有关。该常数称为吸光系数。通常液层厚度l 以c m 为单位；若将c 换成以 删f 1 为单位的溶液浓度；则口用k 表示，它的单位为铡小d 厂1 上。则式( 2 3 ) 可改写为： a = i c c l( 2 4 ) 式( 2 4 ) 中，k 是各种吸光物质在特定波长和溶剂下的一个特征常数，数 值上等于在1 c m 的溶液厚度中吸光物质为1 脚，f 1 时的吸光度，它是吸光物质 的吸光能力的量度。k 值是定性鉴定的重要参数之一，也可用以估量定量分析方 法的灵敏度，即k 值越大，表示该吸光物质对某一波长的吸光能力越强，则该方 法的灵敏度越高。为了提高定量分析的灵敏度就必须选择合适的试剂与被测物生 成k 值大的配合物及具有最大k 值的波长的单色光作为入射光。通常由于实验结 果计算k 值时，是以被测物质的总浓度代替吸光物质的浓度，这样计算的k 值实 际上是表观摩尔吸光系数。k 和口的关系为l 产m 口。m 为物质的摩尔质量。 由式2 3 可见如果光通过溶液时完全不被吸收，则i = i o 而i 】扣1 。透过光i 值 越小，则i 几的比值越小，因此，将i 1 0 称为透光度t 。 彳= l 弓= 训或彳= l 弓= 勋， ( 2 5 ) 式( 2 5 ) 是各类光吸收的基本定律。其物理意义为：当一束平行的单色光 通过一均匀的、非散射的吸光物质溶液时，其吸光度与溶液液层厚度和浓度的乘 积成正比。它不仅适用于溶液，也适用于均匀的气体和固体状态的吸光物质。这 9 第二章便携式水质分析仪器的理论依据 是各类吸光光度法定量测定的依据。 2 1 2 偏离比尔定律的原因 吸光光度法中，光的吸收定律是定量测定物质含量的基础。根据a _ k c l 这一 关系式，以a 对c 作图，应为一通过原点的直线，通常称为工作曲线( 或称标准 曲线) 。有时会在工作曲线的高浓度端发生偏离的情况，如图2 2 中虚线所示， 即在该实验条件下，当浓度大于c l ，偏离了比耳定律【2 5 1 。 a 图2 2 吸光光度法工作曲线 引起偏离的原因很多，主要可能有以下几方面的原因引起的。 l 、比耳定律的局限性 比耳定律是一个有限制性的定律，它假设了吸收粒子之间是无相互作用的， 因此仅在稀溶液的情况下才适用。在高浓度( 通常c 0 0 1 黝三1 ) 时，由于吸 光物质的分子或离子间的平均距离缩小，使相邻的吸光微粒( 分子或离子) 的电 荷分布互相影响，从而改变了它对光的吸收能力。由于这种相互影响的过程同浓 度有关系，因此使吸光度a 与浓度c 之间的线性关系发生了偏离。 2 、非单色入射光引起的偏离 严格地讲，比耳定律仅在入射光为单色光时才是正确的，实际上一般分光光 度计中的单色器获得的光束不是严格的单色光，而是具有较窄波长范围的复合光 带，这些非单色光会引起对比耳定律的偏离，而不是定律本身的不正确，这是由 仪器条件的限制所造成的。 现假定入射光由九l 和九2 两种波长的光组成，溶液吸光物质对九l 和k 光的吸收 都服从比耳定律的。则 1 0 第二章便携式水质分析仪器的理论依据 对 ：4 _ l g 等却，1 o _ 叫 对五：鸣- l g 誓2 岛d ，l = k l o 吨d ( 2 6 ) ( 2 7 ) 测定时，总的入射光强为i o l 喝2 ，透过光强为i l + 1 2 ，因此，该光通过溶液后 的吸光度a 为： 川g 糟地而 ( 2 8 ) 当入射光为九1 和h 时，如k 1 = k 2 = k ，则a 寻k c l 。a 与c 成线性关系，反之，如k 1 k 2 k ，则a k c l ，则a 与c 不成线性关系。k i 与k 2 相差越大，对比耳定律的偏离 则越严重。另外，在实际工作中尽量选择对吸光物质具有最大吸收波长的光作为 入射光，它不仅在定量时灵敏度最高，而且从吸收曲线来看，吸光物质在峰值处 有一个较小的平坦区，此时k 值随波长的变动最小，可得到较好的线性关系。因 此，入射光波长的选择对比耳定律的偏离也有影响。 3 、由于溶液本身发生化学变化的原因而引起的偏离 由于被测物质在溶液中发生缔合、解离或溶剂化、互变异构、配合物的逐级 形成等化学原因，造成对比耳定律的偏离。这类原因所造成的误差称为化学误差。 例如，在一个非缓冲体系的铬酸盐溶液中存在着如下的平衡： 研一+ 皿d 2 嘲声 2 c ，讲一+ 2 日+ ( 橙色)( 黄色) 测定时，在大部分波长处，c b 讲一的k 值与d 谚一的k 值是很不相同的。因 此，当铬的总浓度相同时，各溶液的吸光度决定于c ( c 弓四一c 耐一) 之比值，它 将随溶液的稀释而发生显著的变化。所以将造成a 与c 之间线性关系的明显偏 离。为了控制这一偏离可采用：在溶液中加碱使其中 讲一全部转化为d d 三一； 或加酸，使c ，研一全部转化为c 研一。这样溶液中的总浓度c 与a 之间就能符合 比耳定律。 另外，有些配合物的稳定性较差，由于溶液稀释导致配合物离解度增大，使 溶液颜色变浅，因此有色配合物的浓度不等于金属离子的总浓度，导致a 与c 不成线性关系。 第二章便携式水质分析仪器的理论依据 2 2 常用水质检测仪器 2 2 1 原于吸收分光光度计 原子吸收分光光度计依次由光源、原子亿器、单色器、检测器和放大、读 出装置五大基本部件组成p “。如图2 3 所示。 切光器肝化嚣 拦je h 检测器放尢器 日口 蠢耋大嚣 r h l 图2 3 原子吸收分光光光度计示意图 图2 3 ( a ) 为单道单光束型仪器。这种仪器结构简单，但它会因光源不稳 定而引起基线漂移。由于原子化器中被测原子对辐射的吸收与发射同时存在，同 时火焰组分也会发射带状光谱。这些来自原子化器的辐射发射干扰检测发射干 扰都是直流信号。为了消除辐射的发射干扰，必须对光源进行调制。可用机械调 制，在光源后加一扇形板( 切光器) ，将光源发出的辐射调制成具有一定频率的辐 射，就会使检测嚣接收到交流信号，采用交流发大将发射的直流信号分离掉：还 有对空心阴极灯光源采用脉冲供电，不仅可以消除发射的干扰，还可提高光源发 射光的强度与稳定性，降低噪声等，因而光源多使用这种供电方式。 圈2 3 ( b ) 为双光束型仪器光源发出经过调制的光被切光器分成两柬光： 一束搠懂光，一束参比光( 不经过原子化器) 。两柬光交替的进入单色器，然后进 行检测。由于两束光来自同一光源，可以通过参比光束的作用，克服光源不稳定 造成的漂移的影响。 2 2 2 紫外一可见分光光度计 分光光度计的摹本组成部件为 第二章便携式水质分析仪器的理论依据 圆一固一固一囡一圈 图2 4 分光光度计示意图 各部件的作用及性能简介如下。 光源 在吸光光度法中，要求光源在比较宽的光谱区域内发出的连续光谱强度足 够、分布均匀、在一定时间内保持稳定。在可见、近红外光区测量时，常用钨灯 或碘钨灯作为光源，它发出的光的波长范围为3 2 0 2 5 0 0 姗。其发出光的强度分 布随灯丝温度的变化而变化，温度增高，总强度增大，但高温影响灯的寿命。光 强受电源电压的影响大，因此，必须使用稳压器以提供稳定的电源电压，保证光 源光强稳定不变。在紫外光区测定时，常采用氢灯或氘灯，它们发出波长范围为 18 0 3 7 5 n m 的连续光谱【2 7 】。 单色器 将光源发出的连续光谱分解为单色光的元件称为色散元件，它与入射狭缝、 出射狭缝和准直镜一起组成单色器。常用的色散元件为棱镜或光栅。 棱镜 光束通过入射狭缝，经准直透镜色散元件使其成为平行光后通过棱镜，产生 折射而色散，从而将复合光按波长顺序分解为单色光，然后通过聚焦透镜及出射 狭缝。移动棱镜或出射狭缝的位置，就可使所需波长的光经出射狭缝而照射到试 样溶液上。图2 5 是以棱镜为单色元件的单色器的原理示意图。 入 出村犊 图2 5 棱镜单色器的原理示意图 曲线 单色光的纯度决定于棱镜的色散率和出射狭缝的宽度。棱镜由玻璃或石英材 料所制成。由于玻璃吸收紫外光，所以玻璃棱镜仅用于3 5 0 3 2 0 0 n m 波长范围， 适用于可见分光光度计。石英棱镜可用于1 8 5 4 0 0 0 衄的波长范围，因此它适 用于紫外可见分光光计，可作为整个光谱区域的单色器。 光栅 第二章便携式水质分析仪器的理论依据 它是利用光的衍射与干涉作用制成的一种色散元件。它的优点是适用波长范 围宽、色散均匀、分辨率高。缺点是各级光谱会有重叠而相互干扰，经选用适当 的滤光片可消除不需要的次级的光谱干扰。 吸收池 它用于放试样液槽，也称比色皿。它是由无色透明、能耐腐蚀的光学玻璃或 石英制成的，能透过所需光谱范围内的光线。可见光区用玻璃吸收池，紫外光区 用石英吸收池。每台仪器都配有液层厚度为0 5c m 、1 0c m 、2 0c m 、3 0 锄等 一套规格的吸收池。同一厚度的吸收池之间的透光率误差应小于o 5 。使用时 应注意吸收池放置的位置，使其透光面垂直于光束方向。保持吸收池的光洁，而 指纹、油腻或四壁的积垢都会影响透光率，特别要注意透光面不受磨损。 检测系统 它是一种光电转换元件，利用光电效应使透过光强度能转换成电流进行测 量。这种光电转换器对测定波长范围内的光要有快速、灵敏的响应，所产生的光 电流必须与照射在检测器上的光强度成正比。常用的光电转换器有： 光电池 硅光电池的结构如图2 6 所示。 图2 6 光电池结构示意图 硅光电池是一个大面积的光电二极管，它被设计用于把入射到它表面的光能 转化为电能，因此，可用作光电探测器和光电池，被广泛用于太空和野外便携式 仪器等的能源。 光电池的基本结构如图2 6 ，当半导体p n 结处于零偏或反偏时，在它们的结 合面耗尽区存在一内电场，当有光照时，入射光子将把处于介带中的束缚电子激 发到导带，激发出的电子空穴对在内电场作用下分别飘移到n 型区和p 型区， 当在p n 结两端加负载时就有一光生电流流过负载。 流过p n 结两端的电流可由式( 2 9 ) 确定 1 4 t v 丁 第二章便携式水质分析仪器的理论依据 f 矿 ，= l ( p 灯一1 ) + l ( 2 9 ) 式( 2 9 ) 中i 。为饱和电流，v 为p n 结两端电压，t 为绝对温度，i p 为产生的 光电流。从式中可以看到，当光电池处于零偏时，v = o ，流过p n 结的电流i - i p ； 当光电池处于反偏时，流过p n 结的电流i = i p i 。，因此，当光电池用作光电转换 器时，光电池必须处于零偏或反偏状态。光电池处于零偏或反偏状态时，产生的 光电流i p 与输入光功率p i 有以下关系： lp = r p t ( 2 1 0 ) 式( 2 1 0 ) 中r 为响应率，r 值随入射光波长的不同而变化，对不同材料制作 的光电池r 值分别在短波长和长波长处存在一截止波长，在长波长处要求入射光 子的能量大于材料的能级间隙e g ，以保证处于介带中的束缚电子得到足够的能量 被激发到导带，对于硅光电池其长波截止波长为入c 1 1um ，在短波长处也由于 材料有较大吸收系数使r 值很小。 光电管 光电管是由一个阳极和一个光敏阴极组成的真空( 或充有少量惰性气体) 二 极管。由于所采用的阴极材料光敏性能不同，可分为红敏( 适用波长范围为6 2 5 1 0 0 0 衄) 和紫敏( 适用波长范围为2 0 0 6 2 5 衄) 两类。当它被足够的能量照射 时，能发射电子。当两极间有电位差时，发射出的电子就流向阳极而产生电流， 电流的大小取决于入射光的强度。在同等强度的光照射下，它所产生的电流约为 光电池的1 4 ，但由于光电管有很高的内阻，所以产生电流很容易放大，因此具 有灵敏度高、光敏范围广、不易疲劳等优点。 读数指示器 指示器的作用是把光电流或放大的信号以适当方式显示或记录下来。比较老 的分光光度计通常使用悬镜式光点反射检流计来测量产生的光电流，其灵敏度约 为1 0 。格。检流计的标尺上有两种刻度，等刻度的标尺是百分透光度t ，对数 刻度则为吸光度a 。透光度与吸光度两者关系可互相换算。 彳一l g 丁= l g 争= l g 厶- l g j 1 5 ( 2 1 1 ) 第二章便携式水质分析仪器的理论依据 2 3 显色反应与显色条件的选择 显色反应首先应有较高的灵敏度与选择性。灵敏度高，即在含量甚低时仍能 测定。灵敏度的高低可从摩尔吸光系数k 来判断，k 值越大则灵敏度越高。通常k 值为1 0 4 1 0 5 册脚厂1 l 时，则可认为该的反应的灵敏度较高。如f e ”与1 ， 1 0 邻二氮菲生成螯合物的k 为1 1 1 0 4 伽所d 厂1 l ，其灵敏度较高。选择性好， 即在选定的反应条件下，显色剂仅与被测组分显色，不与共存的其他离子显色。 其次是形成的有色螯合物的组成要恒定，化学性质要稳定，生成的有色螯合物与 显色剂之间的颜色差别要大，显色条件要易于控制等。这样才能保证测定结果有 良好准确度和重现性。 实际工作中，为了提高准确度，在选定显色剂后必须了解影响显色反应的因 素，控制其最佳分析条件。现讨论如下。 显色剂的用量 在显色反应中存在下列平衡： m ( 被测离子) + r ( 显色剂) = m r ( 有色配合物) 则 c ( m r ) c 秒 c ( m y c 目 = p 口( m r ) c ( r ) c 曰 ，由式中看出，p 臼( m r ) 越大， 显色剂进量越多，越有利于m 转化为m r 。对于p ( m r ) 大的配合物，加入r 稍过 量，显色反应即能定量进行。但是，对p ( m r ) 小或形成逐级配合物的反应，则 必须严格控制r 的用量。有时显色剂用量太多，反而对测定不利。例如用 s c n 一作显色剂测定m o 时，要求生成m o ( s c 如5 的红色配合物，而s c n 一浓度过高 时，则生成m o ( s c m i 的浅红色配合物，致使其吸光度值降低。若s c n 一浓度过 低，则生成拗( 戏w ) ；+ 的浅红色配合物，也使吸光度降低。当以s c n 一作显色剂 测定f e ”时，随s c n 一浓度的增大，会逐级生成颜色更深的不同配位数的配合物， 使其吸光度值增大。这说明必须严格控制显色剂的用量，以得到准确的测定结果。 在具体测定中，显色剂的适宜用量常通过实验方法来确定【2 8 1 。首先将被测组分的 浓度及其他条件都固定，在一系列的溶液中加入不同量的显色剂，测定其吸光度 a ，以吸光度a 对显色剂的浓度c ( r ) 作图，从图中可选取最适宜的显色剂用量。 酸度 酸度对显色反应的影响是多方面的。现讨论如下。 酸度对显色剂浓度的影响 显色剂大多数是有机弱酸，在溶液中有如下平衡存在： m 2 + ( 被测离子) + z r 一( 显色剂离子) 口m r z ( 有色配合物) m r z ( 有色配合物卜对口z h r ( 显色剂) + m 对 溶液酸度改变，引起上述平衡移动，平衡时： 1 6 第二章便携式水质分析仪器的理论依据 以迅卜p 疥锄 c ( 脚：) 班一 c 9 合并得 螋：夕9 ( 施：) ( x ；) 2 c 2 ( 擞) c ( m 2 + ) 、 c 2 ( 日+ ) ( 2 1 2 ) 在一定条件下，8 ( 慨) 群是常数，测定时陬的浓度是不变的，则式( 2 一1 2 ) 可定写成为： ( 2 1 3 ) 由式( 2 1 3 ) 可知，c ( m r z ) c ( 舻) 的比值就决定于溶液中的c ( h + ) ，当 c ( h + ) 增大时，c ( m r z ) c ( m 对) 的比值减小，即c ( h + ) 增大，溶液中c ( r - ) 变小， 使配位反应不能进行完全，因此使测定受到影响。 酸度对显色剂颜色的影响 当显色剂为有机弱酸时，它本身具有酸碱指示剂的性质，在不同p h 值的情 况下，显色剂的分子和离子状态具有不同的颜色，它可能干扰测定。 酸度对配合物组成的影响 在不同酸度下，某些被测组分与显色剂能形成不同组成的配合物，例如，磺 基水杨酸与f e 3 + 的显色反应中，当溶液在p h 为2 3 时，生成1 ：1 的红紫色配合 物；p h 为4 7 时，生成1 ：2 的棕橙色配合物；p h 为8 1 0 时，生成1 ：3 的黄 色配合物；当p h 1 2 时，生成f e ( o h ) 3 沉淀。因此，必须严格控制溶液p h 值， 才能得到准确的测定结果。 酸度对被测离子存在状态的影响 多数金属离子在溶液酸度降低时而发生水解，形成各种多核羟基配合物、碱 式盐，甚至于析出氢氧化物沉淀，不利于吸光光度法的测定。 在实际测定中，显色反应的最宜酸度由实验方法来确定。即固定被测组分和 显色剂的浓度，在一系列溶液中改变p h 值，在一定波长下，测定其吸光度，以 a 对p h 值作图，从图中找出最适宜的p h 值作为测定时的条件。 1 7 第二章便携式水质分析仪器的理论依据 显色时的温度和时间 多数显色反应在室温下能很快地进行，但有些反应受温度影响很大，室温下 反应很慢，须加热至一定温度( 如磷钼蓝法测定磷，其发色温度为5 5 6 0 ) 才 能进行完全。有些反应在高温下不稳定，反应生成物易褪色，因此对不同的显色 反应，必须选择合适的温度。显色反应由于反应速度不同，完成反应的时间也不 同。有些反应能瞬时完成，且颜色能在长时间内保持稳定；有些反应虽能快速完 成，但产物迅速分解