基于光纤和平面反射镜改变光路的吸光度测定装置设计及应用

(桂林电子科技大学生命与环境科学学院，桂林 541004)

吸光光度法因灵敏度高、仪器设备简单、操作方便、快速等优点，是环境监测最常用的仪器分析方法之一[1,2]。采用吸光光度法检测样品时，为了避免环境水样中颗粒物产生的折射、散射的影响，需事先滤除水样中的颗粒物质获取澄清溶液。如今环境监测的发展趋势是在线、实时、自动[3-5]。要实现从采样到测定全过程的自动分析，在线过滤不可或缺。然而，对于现场自动监测仪器，在工作过程中，由于水质浑浊，在线过滤器滤膜易受到颗粒物的堵塞，进而导致现场自动监测仪器的瘫痪[6]。目前，以吸光光度法为基础的自动监测仪器在现场的工作时长受限于过滤装置的使用寿命[7]，在线过滤已然成了阻碍现场自动监测的瓶颈。如能发展一种省去在线过滤步骤，水样不过滤即可测定的吸光光度方法，将极大地延长现场自动监测仪器的使用寿命。

固相反射吸光光度法[8-10]是基于有色物质的表面反射吸收建立的分析方法，可直接测定不透明固体表面对光线的吸收程度。受此启发，拟采用光纤改变光路，在比色皿背面加反射镜改变光线传播方向和吸收光程，可与商品化分光光度计匹配的吸光度测定新装置，并应用于水样中亚硝酸根离子的测定。由于光路的改变，当测定液浊度不大可透光时，测定吸光度是表面吸收和透光吸收之和；如果测定液浑浊不透光时，测定的主要是显色液的表面反射吸光度。此装置不仅延长了透光光程，且可测定溶液表面反射吸光度，即可应用于澄清水样的测定也可测定浑浊水样的测定。

1 方法

1.1 基于光纤和比色皿背面反射镜改变光路的吸光度测定装置设计与制作

1.1.1 装置设计

基于光纤和反射镜改变光传播路径的特性，设计如图1所示的与VIS-723N型可见分光光度计匹配使用的吸光度测定装置，目的是改变仪器的入射光传播方向，使得仪器光源的入射光不仅可透过溶液且可在溶液表面进行反射，经过平面镜或溶液表面改变传播方向的光束在仪器的检测器端接收，测得吸光度。

图1 吸光度测定装置光路示意图

1.1.2 装置设计图

根据1.1.1中图1设计要求，在AutoCAD 2014中绘制出测定装置3D图，其3D示意图如图2所示。图2中1，2，3，4为底座固定孔；5，6为光纤固定孔；7为平面镜与比色皿支撑台，且平面镜槽中的镜面与比色皿面紧贴。吸光度测定装置三视尺寸图见图3，其中注释的长度单位为mm。

图2 吸光度测定装置3D示意图

图3 吸光度测定装置三视图a.主视图 ；b .左视图 ；c.俯视图

1.2 利用装置建立水样中亚硝酸根离子吸光光度方法

方法的总思路：水样不经过滤直接加入显色剂，反应平衡后，测定样品液的吸光度。通过实验考察吸光度与浊度的关系，分析浊度对样品溶液吸光度测定的影响规律，获得样品溶液吸光度修正公式。利用修正公式，对样品溶液的吸光度进行修正，基于标准方法的标准曲线定量水样中亚硝酸根离子浓度。详细介绍如1.2.1～1.2.3。此外，实验所用试剂均为国产分析纯试剂。

1.2.1 吸光度测定方法

将按照1.1设计方法制作的吸光度测定装置安装在VIS-723N型可见分光光度计的比色池架基座上，安装好平面镜，通过前后滑动吸光度测定装置微调装置位置，当检测器接收到最大光强时，即可固定吸光度测定装置。利用仪器的实时测量功能，以超纯水为参比，测得值即为吸光度。

1.2.2 浊度对吸光度影响的修正公式推导

配制不同浊度(T)基底的的系列亚硝酸根离子标准溶液，参照亚硝酸根离子标准测定方法[11]加入显色剂溶液，反应20min，采用1.2.1介绍方法测定各溶液的吸光度。分析吸光度与亚硝酸根离子浓度和浊度的关系，采用回归分析方法，获得浊度对吸光度影响的修正公式AT=f(T)。

1.2.3实际水样中亚硝酸根离子的测定方法

以超纯水为基底配制浓度为0～0.64 mg/L范围内的系列亚硝酸根离子标准溶液50.00mL，参照亚硝酸根离子标准测定方法[11]加入显色溶液，反应20min，按1.2.1介绍方法，在540nm波长下，测定各标准溶液的吸光度A，以亚硝酸根离子浓度(C)为横坐标，吸光度A为纵坐标，绘制标准曲线。取实际水样50.00mL，不经过滤，按标准曲线测定方法，加入相同量的显色试剂和反应相同时间后，测定吸光度AS；同时，按照浊度的标准测定方法[12]测定水样的浊度T，由AT=f(T)计算AT。将AS-AT代入标准曲线回归方程即可计算水样中亚硝酸根离子浓度。

2 结果与讨论

2.1 装置制作成型及性能

根据1.1设计方法和要求，采用3D打印制作吸光度测定装置，并安装上反光镜与比色皿，得到装置实物图如图4所示。

图4 吸光度测定装置实物图

通过测试，所制作的装置具有以下性能：(1)测定装置底座尺寸与可见分光光度计匹配，可方便固定与拆卸；(2)仪器光源发出的光经过装置后，可在检测器端接收；(3)重复测定时，吸光度变化在±0.010 范围内变化。

2.2 装置的应用结果

2.2.1 吸光度与浊度以及亚硝酸根离子浓度的关系

按照1.2方法，测定了0～0.64 mg/L的系列亚硝酸根离子标准溶液在不同浊度基底(0～200NTU)下的吸光度。结果表明，在相同浊度基底下，吸光度与亚硝酸根离子浓度成正比，它们的线性回归方程如表1所列，各回归方程的斜率为1.360 ± 0.095(n=12)，斜率基本保持一致，说明，浊度不会影响方法的灵敏度，即每增加单位浓度的亚硝酸根离子产生的吸光度增值不受浊度的影响。可见，因亚硝酸根离子产生的吸光度与因浊度基底产生的吸光度具有加和性。如能探寻到吸光度与浊度的关系式AT=f(T)，那么在测定不过滤水样中亚硝酸根离子浓度时，只需按照标准方法测定总吸光度(AS)和浊度(T)，根据公式AT=f(T)计算出AT，将AS-AT代入标准曲线回归方程即可计算水样中亚硝酸根离子浓度。

表1 不同浊度基底下，吸光度与浓度关系

续表1

2.2.2 浊度对吸光度影响的修正公式推导及验证

表1中各回归方程截距，理论上是亚硝酸根离子浓度为0时，待测溶液的吸光度。实际上，各回归方程的截距实际上最主要是待测溶液中的浊度产生的吸光度AT。因此，以AT为纵坐标，浊度T为横坐标，画关系曲线(图5)，即为浊度对吸光度影响曲线。图5表明，AT与浊度T成显著线性相关(P= 4.46×10-3)，线性关系曲线回归方程为AT= 7×10-4T+ 0.011(n=12，R2= 0.9617)，回归方程即为浊度对吸光度影响的修正公式。

图5 浊度对吸光度的影响

为了进一步验证修正公式的普适性和可靠性。随机配制了10个不同浓度不同浊度基底的亚硝酸根离子标准溶液，按1.2.3方法，制作标准曲线，测定各溶液中亚硝酸根离子浓度，以配制浓度为真值计算测量值的误差，结果见表2。表2数据表明，测量值误差在-5.83% ～ 3.33%范围内，说明本研究推导的吸光度修正公式是可靠的，具有一定的普适性。

表2 随机浓度、随机浊度水样的测定结果

2.2.3 实际水样中亚硝酸根离子的测定结果

2017年6月24日，在桂林电子科技大学花江校区景观湖和桂林市灵田镇花江采集了10个水样。每个水样分成两份，一份经过滤，采用标准方法[11]测定其中的亚硝酸根离子含量，另一份用本研究提出的方法测定。以经典方法测定结果(X)为横坐标，本研究方法测定结果(Y)为纵坐标，画关系曲线，如图6所示。图6表明两者呈现显著的线性相关关系(P= 1.72×10-11)，线性回归方程为Y= 1.0087X- 0.0005(n=10，R2= 0.9926)，回归方程斜率接近1，说明，两者测定结果无显著性差异，说明本论文提出的方法可应用于实际水样中亚硝酸根离子的测定。

图6 标准方法和本研究方法测定结果关系

3 结论

本研究自制了与商用分光光度计相匹配的基于光纤和比色皿背面反射镜改变光路的吸光度测定装置，并使用该装置研究了浊度对亚硝酸根离子吸光度的影响，发现试样因浊度产生的吸光度与亚硝酸根离子的吸光度具有加和性，通过对大量实验数据的回归分析，获得了浊度对吸光度影响的修正公式。进而，建立了实际水样中亚硝酸根离子的吸光度测定方法。建立的方法与标准方法测定结果无显著差异。如将其发展成在线检测方法，可避免在线过滤这一瓶颈问题。

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