监测仪器及其研发进展ppt课件.ppt

海洋与环境监测仪器及其研发进展 理化参数仪器 厦门大学袁东星2012 10 内容提要 引子 1 海洋与环境监测仪器系统的分类及应用1 1便携式 现场 分析仪器1 2原位分析系统1 3在线分析系统 2 海洋与环境监测系统举例2 1监测系统概述2 2水质监测系统2 3大气监测系统2 4土壤监测系统3 本院海洋环境监测仪器的研发进展3 1多通道营养盐现场分析系统3 2多通道海水碳酸盐原位监测系统3 3水质荧光示踪剂在线自动监测系统3 4表层海水中痕量铁的测定3 5在线过滤器3 6研发关键 内容提要 引子 仪器是认知世界的工具 是对物理量 工程量 生物量等进行观测 测量 计量 监测及控制的重要手段 科学仪器与技术是现代科技的重要学科之一 并与现代科学技术的许多学科有着紧密的联系 它的整体发展水平是国家综合国力的重要标志之一 中国科协 仪器科学与技术学科发展报告 环境监测仪器是分析仪器中的特殊类别 应用场合 现场 原位 在线应用对象 基底复杂特别要求 小型 灵敏 快速 自动化 环境监测系统的特点 1998 2003年我国分析仪器的年进口金额 万美元 邓勃 王庚辰 汪正范编著 分析仪器与仪器分析概论 我国仪器仪表产业的一些统计数据 中国科协 仪器科学与技术学科发展报告 我国科学仪器产业现状 在高端产品 创新研究方面 遭遇国外垄断 技术封锁 在中低端产品方面 有自己的产品 但关键技术还是依赖进口 缺乏关键的核心技术 缺乏对工艺和关键材料的深入研究 企业分散 缺乏合作 用户对国产仪器缺乏信任 中国科协 仪器科学与技术学科发展报告 我国的一些成果举例 地球物理领域吉林大学和水利部 磁共振找水仪 可测地下150m深度以内的地下水 位置 厚度 含水量 等 环境监测 食品检测领域生物传感器 应急和遥感监测 自动监测和物联网杭州电子科技大学 深海极端环境探测与采样装备技术 深海热液保压采样器 可在深海2300m热液地区采集保相热液样品 华南农业大学 农业食品中有机磷农药等残留快速监测技术与应用 建立了酶抑制法和免疫法两类检测体系 中国科协 仪器科学与技术学科发展报告 我国的一些成果举例 广东省微生物研究所 食品微生物安全快速检测与高效控制技术 病毒 微生物检测 杭州聚光科技 烟气排放连续监测系统 光纤光谱气体分析技术 中科院合肥光学精密机械研究所 大气环境激光雷达检测系统 监测气溶胶 O3 SO2 NO2 温湿度 气压 风速风向 中国科协 仪器科学与技术学科发展报告 为贯彻落实 国家中长期科学与技术发展规划纲要 2006 2020年 推动我国重大科研仪器设备自主研制工作 财政拨专款设立 国家重大科研仪器设备研制专项 由国家自然科学基金委员会负责管理 立项建议由有关部门组织推荐 试点期间暂由教育部和中国科学院作为项目组织推荐部门 为贯彻落实 国家中长期科学和技术发展规划纲要 2006 2020年 和 国家 十二五 科学和技术发展规划 提高我国科学仪器设备的自主创新能力和自我装备水平 国家科技部 财政部设立了 国家重大科学仪器设备开发专项 2011年 国家重大科研仪器设备研究专项 和 国家重大科学仪器设备开发专项 的启动和实施 极大地激活了科技界 企业界科学仪器自主创新的创造力 标志我国科学仪器技术和产业进入新的发展阶段 我国海洋监测手段和仪器现状 远远落后于发达国家 除了温盐深测定仪外 尚无其他理化监测仪器的成型产品和规模厂家 在大洋监测仪器方面是空白 国际情况 产业主要分布在美国和加拿大 英国 德国等国有若干 代表性公司 美国EnviroTech公司 美国Subchem公司 美国Sea Bird电子公司 加拿大Satlantic公司 加拿大RBR公司 加拿大Pro Oceanus公司 等 相当一部分企业 如美国YSI公司 并非仅仅生产海洋专用仪器 很多海洋理化监测仪器与一般水环境理化参数监测仪器通用 1 1便携式 现场 分析仪器 1 海洋与环境监测仪器系统的分类及应用 便携式水质分析仪器 代表性厂家 美国HACH公司代表性产品 各种便携式现场水质分析仪器 HACH多参数水质分析仪 HACHPCII磷酸盐水质分析仪 水质监测仪器 HACHDR 2800便携式分光光度计 磷 富营养化 生物发光检测 辐射监测仪器 便携式重金属检测仪器 重金属 Hg Cr Cd Pb Cu Zn As 毒性强 在环境中长久存在 便携式 现场应有代表性厂家及其代表性产品 美国Niton公司 室内环境监测仪器 甲醛分析仪 甲醛 毒害 原位营养盐分析仪器 1 2原位分析仪器系统 传感器 HACHNITRATAXsc硝氮分析仪 nitrataxsc硝氮分析仪 hi9147便携式防水溶解氧测定仪 光腔衰荡光谱技术 CavityRingDownSpectroscopy CRDS 是近几年来迅速发展起来的一种高灵敏度的吸收光谱检测技术 光源为激光器 衰荡腔由两个反射率 99 的反射镜组成 衰荡腔中为被测气体 当脉冲激光束入射衰荡腔后 在两个腔镜之间来回反射而形成振荡 光强会因腔镜透射 衍射 样品的吸收而减弱 检测器可探测到透射光强随时间的变化 测定光在腔中的衰荡时间 样品吸收越强 衰荡时间越短 根据朗伯 比尔定律 随着光波的衰荡 在腔外可以探测到随指数衰减的光强信号 通过测量存在和不存在 空白 吸收介质时的衰荡时间 可以计算出被测介质的浓度 CRDS技术可用于痕量气体分析 大气氮氧化物测定 超纯气杂质检测 气体中痕量水分特点背景信号干扰小 测量的是光脉冲在腔内的衰荡时间 与激光强度的变化无关 吸收光程长 灵敏度高 光束在腔中来回反射多次 吸收光程可达数千米 乃至几十千米 无需标准物质定量 被测物质的浓度仅与有无介质时的衰荡时间及介质的吸收系数有关 pH传感器和温度传感器 pH传感器 温度传感器水温计抛弃式传感器 在很多应用领域 拉曼光谱正迅速地成为最受欢迎的化学鉴定技术 拉曼光谱法适合分析无永久电偶极矩的分子 这类分子无法用红外技术分析 拉曼技术优势 非侵入性 可以透过玻璃或者塑料采样非破坏性 样品可以重复使用测量迅速 典型的测量时间5 30秒应有介质广 包括水溶液 粉末 药片 凝胶和各种表面 应用范围用来确定非极性分子的键长 鉴别溶液中的有机物和无机物 用来分析固体 液体和气体的样品组分 玻璃或者塑料容器不影响测量 基本配置包括一个单色光源 通常是激光器 用来激发样品 再由光谱仪收集散射光 海洋光学提供几种一体化的拉曼传感系统 AML公司的In Spectr水下质谱仪是世界上第一台商用便携式水下质谱仪 用户可以把水下质谱仪投放到水中 连续不断地在现场采集样本 而不需要等上几天才能获得远离现场的实验室的数据 In Spectr水下质谱仪采用的是多通道蠕动泵和四极杆滤质器 注入流和蠕动泵 水样不断注入1mL的样品环 定期注入位于中心的膜进样口质谱仪系统 MIMS 注入流系统被放在单独的容器中 这个容器可以为传感器提供空间 并把注入流系统和分析器分开以减少损害 四极杆滤质器和电子系统 包括 质量分析器 真空室 膜进样口探测器 涡轮分子泵及控制器 带72M磁盘的CardPC 母板和配电板 丹麦Unisense公司的微电极研究系统 微电极尖端外径从3 m 500 m不等测量指标 O2 H2S H2 N2O NO pH 氧化还原电位 温度 微流速 扩散率 微电极研究土壤细菌呼吸和产气耗气速率方式 1 微电极刺进不同深度土壤 测量原位呼吸速率 产气速率 如产H2S的速率 产N2O的速率等 用于研究呼吸或产气速率 光合 的垂直分布 2 将土壤样品装在密闭的微呼吸瓶中 测量细菌呼吸速率 O2 反硝化速率 N2O NO 产 耗气速率 H2 H2S 测量精度达到nM h 微呼吸瓶塞上有毛细孔 测量时用硅油封住毛细孔 微电极从毛细孔中放进去进入微呼吸瓶内 详见 HACH在线TOC分析仪 1 3在线分析仪器 总磷在线测定仪 要求的知识要点 测定方法原理 化学知识仪器工作原理 仪器分析和物理学仪器硬件 机械制造和电子学仪器控制软件 计算机知识远程数据采集和仪器控制 网络知识 2 海洋与环境监测系统举例 2 1监测系统概述 物联网的概念 物联网 TheInternetofThings 是指将物体通过传感设备 通信手段实现全面互联的网络 包括物与物之间的互联互通 也包括人与物之间的互联互通 自动 实时地对物体进行测量 识别 定位 追踪 监控 继计算机 互联网 移动通信网之后的世界信息产业的第三次浪潮 产业链价值比互联网大30倍 传感器是物联网获取信息和实现物体控制的首要环节 其性能决定物联网的性能 物联网的应用 1 公共领域自然灾害的监控 环境监测 交通监控 公共设施监控 2 商业市场工业 农业 物流 商业的监控 3 个人和家庭领域智能家居 远程医疗 健康监测 在线监测站系统 现场 自动 连续 2 2水质监测系统 主要性能指标 监测参数包括 氨氮 硝氮 亚硝氮 磷酸盐 总氮 总磷其他可选配测量参数 硅酸盐 硫酸盐 氯化物 硫化物 砷 铬 硼 钙 锌 锰 铝 铜 镍可溶性铁等离子浓度 酚指数 氰化物指数 碱度 色度 硬度 乙二醇 联氨 氯 单氯氨等 地下水 地表水水质营养盐自动监测站 连续无人值守自动分析 测量间隔时间可设置低试剂消耗量 每组分析仅消耗几百微升的试剂 试剂盒一次可连续自动监测几周至1个月以上 根据测量方法和测量间隔而定 具备样品超量程自动稀释功能内置微型电脑 显示屏和键盘 数采及时钟 自动存储日期 时间吸光值和浓度最多400组数据自动校准电源可选配标准交流电源 风光互补供能或太阳能 德国瓦登海观测站 研究营养盐循环以及对北海的输出 利用MicroMAC1000测定溶解甲烷 铵氮 硝氮 亚硝氮 磷酸盐 硅酸盐 数据显示营养盐浓度在每年春季随着随浮游生物的增加而增加 甲烷的含量随着潮汐而变化的规律 在退潮时最大 表明海边潮滩沉积物是甲烷的主要来源 便携式水质在线分析仪MicroMAC1000 2 3大气监测系统 江阴市嘉臣光电科技有限公司AQMS环境空气质量监测系统 sAir4000系统功能 自动采样处理 连续分析手动或自动零点校准可以增强自动吹扫维护 自动标定系统 故障自诊断 声光报警传感器自诊断 污染源排放连续检测系统 水污染检测恶臭检测常用烟气分析仪环境大气恶臭污染物分析垃圾填埋场气体检测仪火电厂烟尘连续监测系统水泥厂大气污染物排放炼焦炉大气污染物排放检测系统钢铁工业污染物排放重点检测项目电解铝工业污染物排放重点检测项目氧化铝工业污染物排放重点检测铁合金工业污染物排放重点检测项目电石工业污染物排放重点检测项目工业炉窑大气污染物排放监测啤酒工业污染物排放监测项目 土壤入渗水质在线观测系统 2 4土壤监测系统 土壤入渗水质在线观测系统 土壤渗透是地下水污染的主要途径之一 另一方面 在渗透过程中 土壤根系及微生物等又对地表水污染有吸收消纳作用 由小型蒸渗观测单元和水质在线分析单元组成 精密测量土壤水分 降水量 土壤蒸散 土壤水渗漏及渗漏水水质 可用于土壤渗漏水水质监测 土壤渗透与地下水污染的关系研究 地下水污染防治与修复观测研究等 主要性能指标 自动采集 测定不同深度的土壤渗透水 游离水 研究土壤剖面渗透水的水质状况 克服传统的土壤采样 土壤样品处理和溶液提取的繁琐 操作过程的误差及操作造成的理化变化等问题 特别是土壤采样溶液提取法测量的实际上不是原位渗透水 游离水 测量参数包括 总氮 氨氮 硝态氮 亚硝态氮 总磷 磷酸盐 硅酸盐 硫酸盐 氯化物 硫化物 砷 铬 硼 钙 锌 锰 铝 铜 镍 可溶性铁 酚 氰化物 碱度 色度 硬度 乙二醇 联氨 氯 单氯氨等30多个 3 本院海洋环境监测仪器的研发进展 3 1多通道营养盐现场分析系统863课题检测通道 活性磷亚硝氮硝氮氨氮 解决的科学问题和创新点 寡营养区表层营养盐含量极低 常规仪器及方法无法准确定量 通过富集柱和流动技术 解决了关键技术问题 活性磷 硝氮 亚硝氮 铵氮的多通道船载分析仪 1 灵敏度高 海水基底干扰小 2 试剂易于保存 消耗量小 适用于远洋长期工作 3 模块化 归一化 集成度和自动化程度高 适用于船载 船载营养盐分析系统 2007年9月南海SEATS站2009年8月南海KK1站活性磷垂直分布图硝氮垂直分布图 2007年9月南海SEATS站2009年8月南海KK1站亚硝氮垂直分布图铵氮垂直分布图 上述方法和仪器检测限低自动化程度高安全可靠 具有 不晕船 的特性可以满足远洋船上现场分析的要求 3 2多通道海水碳酸盐原位监测系统 863课题检测通道 pH二氧化碳分压pCO2总碱度TA溶解无机碳DIC AF2400IR 1 29 型液芯波导管 型液芯波导管 AF材料 低折光率 高透气性 分光法测定原理 指示剂颜色发生变化logpCO2 a RCO2 b 解决的科学问题和创新点 大气CO2变化而产生的海水CO2信号变化很小 无法采集和储存CO2样品 原位测定海水和大气中的二氧化碳分压 pCO2 多通道碳酸盐体系原位传感系统 精确测定pH和pCO2 总碱度 溶解无机碳等4个指标 3 3水质荧光示踪剂在线自动监测系统企业委托项目 研发背景 钢厂 电厂循环冷却水运行过程中存在的问题循环水中钙 镁离子不断浓缩 造成用水设备内部表面结垢 降低传热效益 甚至堵塞管道 因此需要添加水处理试剂 现有水处理剂监测方法上的不足测定总磷 离线操作 繁琐 耗时长 不能满足实时控制的要求 研发背景 解决方案 示踪技术将具有荧光性能的示踪剂添加到水中 监测示踪剂 由荧光信号的强弱反映水处理剂浓度 实现在线监控 研究目标 水质荧光示踪剂在线自动监测仪 仪器结构示意图 光接收器 光电转换 微处理器 显示屏 水流 水流 特定波长LED 荧光 流通池 滤光片 聚焦透镜 特定波长LED 3 4表层海水中痕量铁的测定 海洋中的铁浓度低 基底干扰严重 形态易变 获取精确 实时 准确的数据对海洋学研究至关重要 灵敏 准确 现场 在线 原位分析成为发展方向 国际上尚未见海水痕量铁测定的产业化仪器 实验室方法和研究型仪器的检测限一般亦为零点几个nM 研究背景 铁在海水特别是大洋中的浓度低 低于1 0nM 形态复杂多变 Fe II Fe III 颗粒 胶体 有机络合态 游离态等 沾污 试剂 水 空气 硬件限制 缺乏船基洁净室及痕量金属水样采集设备等 研究难点 解决的科学问题和创新点 在钢铁结构的科考船上对痕量铁的现场测定 防止样品被沾污十分重要 研制和应用成功了铁的原位采样系统和在线分析系统 基本解决了沾污难题 由于铁的形态复杂多变 需要原位测定或现场在线测定 以获得铁浓度的实时数据 研发的在线分析系统基本满足了表层海水实时测定的要求 关键部件 走航式表层海水采样系统走航式表层海水采样系统通过悬挂于侧舷的拖鱼实现 由吊臂 拖鱼 水管 蠕动泵等构成 拖鱼由安装在船舷的吊臂拖着 与船并行前进 走航式表层海水采样系统 http 2010年01月04日11 04环球时报报道 日本 产经新闻 1月4日报道说 中国的海洋调查船 东方红2号 3日下午6点左右 在尖阁诸岛 即我钓鱼岛 的西北约83公里的日本专属经济水域内航行 报道称 船尾拖着3条绳索状的东西向西南航行 3 5在线过滤器 中国特色 水极脏 藻类和悬浮物多 极易堵塞仪器管道需要有效在线过滤器 HachFiltrax UltrafiltrationSystem TheFiltrax samplingsystemisad