營養鹽分析儀結構及其分析方法與流程
2024-04-02 11:46:05
本發明涉及一種營養鹽分析儀，尤其是一種用於測量海水的營養鹽分析儀結構及其分析方法。
背景技術：
對海水中營養鹽的檢測是海洋環境監測的重要部分，海水中硝酸鹽、亞硝酸鹽的濃度變化，表明了海洋生物的活動規律，這一現象不僅可以反映海洋生物的活動規律，可且有助於了解水文及水系的混合狀況。
營養鹽的測量原理均基於分光光度法，即以某一波長的平行單色光透過某測定溶液時，會發生吸收現象，在一定濃度內，吸收強度與樣品濃度及光程符合比爾定律，通過吸光度值與標準曲線對比即可獲得營養鹽的含量值。
現有的全自動營養鹽分析儀存在以下幾個問題：1、水路圖設計不合理，導致抽入的水樣中小氣泡進入比色池中無法完全排出，導致測量結果有偏差。2、比色池光程小，透過吸光度低，影響其檢測，在測量低濃度時受系統誤差影響大；3、僅有一種出口，抽取純水清洗時及排放廢液時共用一出口，測量時間久，降低了分析效率。4、水路設計採用轉盤式，結構複雜，造價高，維護不便。
技術實現要素：
本發明的目的在於提供一種營養鹽分析儀結構及其分析方法，使營養鹽分析的準確度高，檢測時受系統誤差小，水路設計合理，便於維護。為實現上述目的，本發明採用以下技術方案：
本發明公開了營養鹽分析儀結構，包括蠕動泵、比色裝置、比色池、試劑管路及樣品廢液管路，所述的蠕動泵與比色池及試劑管路連接，所述的比色池設於比色裝置內，所述的比色池與試劑管路及樣品廢液管路連接。所述的樣品廢液管路設有七個三通閥Q1～Q7，所述的試劑管路設有六個與試劑管連接的三通閥Q8～Q13及一個與比色池連接的三通閥Q14，每個三通閥均設有常開端、公共端及常閉端，三通閥由電磁閥控制打開和閉合狀態；Q1與Q7的常開端相連，Q1與Q7的常閉端之間設有還原裝置，Q1的公共端與Q3連接，Q2連接有廢液管，Q5連接有校正液管，Q6連接有樣品管和純水管，Q4與Q8連接，Q2～Q6間依次連接；Q8～Q13間依次連接，Q13與蠕動泵連接，Q14與Q7連接；所述的比色池包括上出口、下出口及側出口，所述的上出口及下出口均與Q14的連接，所述的側出口與蠕動泵連接。
優選地，所述的Q2的常開端連接無毒廢液管，Q2的常閉端連接有毒廢液管。進一步地，所述的有毒廢液管連接廢液處理收集裝置。將廢液管區分為有毒和無毒兩種，使得排出無毒廢液時能處理進行處理，保護環境。
所述的比色池的上出口與Q14的常開端連接，下出口與Q14的常閉端連接，Q14的公共端與Q7的公共端連接。比色池設置多個出口，使得比色池中的氣泡及多餘樣品能及時排出，防止對測量結果造成影響。
進一步地，所述的Q2的公共端與Q3的常閉端連接，Q3的公共端與Q1的公共端連接，Q3的常開端與Q4的常開端連接，Q4的公共端與Q8的常開端連接，Q4的常閉端與Q5的公共端連接，Q5的常閉端連接校正管液，Q5的常開端與Q6的公共端連接，Q6的常閉端與取樣管連接，Q6的常開端與純水管連接，Q7的公共端與Q14的公共端連接；Q8～Q13的常閉端均連接試劑管，Q8的公共端與Q9的常開端連接，Q9的公共端與Q10的常開端連接，Q10的公共端與Q11的常開端連接，Q11的公共端與Q12的常開端連接，Q12的公共端與Q13的常開端連接，Q13的公共端與蠕動泵連接。採用上述水路連接方式，通過電磁閥控制打開和閉合狀態，即可實現營養鹽參數的自動測定。
優選地，所述的比色池的光程為20mm。比色池光程設置太小，則透過吸光度低，在測量低濃度時受系統誤差影響較大；選用20mm光程較合適。
本發明還公開了上述營養鹽分析儀的分析方法，按如下步驟進行分析，
S1：取液，水樣被蠕動泵抽取從樣品管通過進樣迴路從比色池的側出口進入比色池，氣泡則從比色池的上出口經氣液排路進入廢液管，多餘水樣從比色池的下出口經氣液排路進入廢液管，使儀器內部的樣品量及體積為一定值。本步驟中取液時同時將氣泡從上出口排出，防止小氣泡對測量影響結果造成偏差。
S2：測量磷酸鹽濃度，在試劑管路Q12、Q13分別加入磷酸鹽顯色劑、磷酸鹽還原劑進行混合，混合後的試劑經過蠕動泵到達比色池，水樣與試劑經循環迴路混合回到比色池，待充分混合在880nm處測量生成藍色物質的吸光度值，從而計算出樣品中磷酸鹽的濃度值。
S3：清洗並重新取液，抽取純水管中的純水通過進樣迴路從比色池側出口進入比色池，剩餘的廢液經氣液排路排至廢液管，重複清洗若干次；清洗完畢後重新取液，重複步驟S1的過程，將水樣抽取至比色池中，氣泡及多餘水樣排入廢液管。
S4：測量氨氮濃度，在試劑管路Q10、Q11分別加入氨氮顯色劑、氨氮還原劑進行混合，混合後的試劑經過蠕動泵到達比色池，比色池進行加熱並維持至50℃，水樣與試劑經循環迴路混合回到比色池，待充充分混合在660nm處測量生成藍色物質的吸光度值，從而計算出樣品中氨氮的濃度值。
S5：重複步驟S3對比色池進行清洗，然後重新取液。
S6：測量亞硝酸鹽氮濃度，在試劑管路Q9中加入亞硝酸鹽氮顯色劑，亞硝酸鹽氮顯色劑經過蠕動泵到達比色池與水樣混合，水樣與亞硝酸鹽氮顯色劑經循環迴路混合回到比色池，待充分混合後在525nm處測量生成微紅色物質的吸光度值，從而計算出樣品中亞硝酸鹽氮的濃度值。
S7：重複步驟S3對比色池進行清洗，然後重新取液。
S8：測量硝酸鹽氮濃度，打開Q1與Q7的常閉端，使還原裝置連接Q1和Q7，在試劑管路Q8中加入硝酸鹽氮緩衝液，硝酸鹽氮緩衝液經蠕動泵到達比色池與水樣混合，水樣與硝酸鹽氮經循環迴路，通過Q1與Q7間的還原裝置進行還原反應，將硝酸鹽氮還原為亞硝酸鹽氮；在試劑管路Q8中繼續加入硝酸鹽氮顯色劑，關閉Q1與Q7的常閉端，使水樣、亞硝酸鹽氮與硝酸鹽氮顯色劑通過循環迴路混合併回到比色池，待充分混合後在525nm處測量生成微紅色物質的吸光度值，從而計算出樣品中硝酸鹽氮的濃度值。
S9：清洗：抽取純水管中的純水通過進樣迴路從比色池側出口進入比色池，步驟S8剩餘的廢液經氣液排路排至廢液管，重複清洗乾淨即可。
以上步驟中所述的進樣迴路為以下三通閥依次連通形成：Q6、Q5、Q4、Q8、Q9、Q10、Q11、Q12、Q13，所述的氣液排路為以下三通閥依次連通形成：Q14、Q7、Q1、Q3、Q2；所述的循環迴路為以下三通閥依次連通形成：Q14、Q7、Q1、Q3、Q4、Q8、Q9、Q10、Q11、Q12、Q13。
優選地，步驟S1中氣泡則從比色池的上出口經氣液排路進入無毒廢液管，多餘水樣從比色池的下出口經氣液排路進入無毒廢液管；步驟S3中清洗過程中剩餘的廢液經氣液排路排至有毒廢液管，有毒廢液管與廢液處理收集裝置連接。
採用上述技術方案後，本發明具有以下有益效果：本發明在保持比色池體積不變的情況下，優化比色池結構，擴展光程，在比色池上設置三個出口，上出口用於排除氣泡，下出口用於排除多餘樣品及廢液，側出口用於進樣，設計合理。本發明通過試劑管路及樣口及廢液管路的結構的合理排布，使各三通閥形成進樣迴路、氣液排路及循環迴路，結構簡單，可避免各參數測定互相干擾，維護方便。
附圖說明
圖1是本發明的結構示意圖；
圖2的本發明的進樣迴路的路線示意圖；
圖3是本發明的氣液排路的路線示意圖；
圖4是本發明的循環迴路的路線示意圖；
主要組件符號說明：
1：蠕動泵，2：比色裝置，3：比色池，31：上出口，32：下出口，33：側出口，4：試劑管路，5：樣品廢液管路，6：還原裝置。
具體實施方式
為了使本領域的技術人員更好地理解本發明的技術方案，下面結合附圖和具體實施例對本發明作進一步詳細的描述。
如圖1所示，本發明公開了一種營養鹽分析儀結構，包括蠕動泵1、比色裝置2、比色池3、試劑管路4及樣品廢液管路5。蠕動泵1與比色池3及試劑管路4連接，比色池3設於比色裝置2內，比色池3與試劑管路4及樣品廢液管路5連接。比色池3包括上出口31、下出口32及側出口33。比色池3的光程為20mm。
樣品廢液管路5設有七個三通閥Q1～Q7，每個三通閥均設有常開端、公共端及常閉端，三通閥由電磁閥控制打開和閉合狀態。如圖1中所示，樣品廢液管路5中七個三通閥的左側為常開端，中間是公共端，右側為常閉端。Q2連接有廢液管，Q5連接有校正管液，Q6連接有樣品管和純水管。
試劑管路4設有六個與試劑管連接的三通閥Q8～Q13及一個與比色池3連接的三通閥Q14。每個三通閥均設有常開端、公共端及常閉端，三通閥由電磁閥控制打開和閉合狀態。如圖1中所示，試劑管路4中七個三通閥的左側為常閉端，中間是公共端，右側為常開端。
14個三通閥的連接方式如下：Q1與Q7的常開端相連，Q1與Q7的常閉端之間設有還原裝置6，Q1的公共端與Q3的公共端連接，Q2的常開端連接無毒廢液管，Q2的常閉端連接有毒廢液管，有毒廢液管連接廢液處理收集裝置。Q2的公共端與Q3的常閉端連接，Q3的常開端與Q4的常開端連接，Q4的公共端與Q8的常開端連接，Q4的常閉端與Q5的公共端連接，Q5的常閉端連接校正管液，Q5的常開端與Q6的公共端連接，Q6的常閉端與取樣管連接，Q6的常開端與純水管連接，Q7的公共端與Q14的公共端連接。Q8～Q13的常閉端均連接試劑管，Q8的公共端與Q9的常開端連接，Q9的公共端與Q10的常開端連接，Q10的公共端與Q11的常開端連接，Q11的公共端與Q12的常開端連接，Q12的公共端與Q13的常開端連接，Q13的公共端與蠕動泵1連接。比色池3的上出口31與Q14的常開端連接，下出口32與Q14的常閉端連接，側出口33與蠕動泵1連接。
從以上結構分析可知，本發明的營養鹽分析儀結構在使用時通過靈活設置各三通閥的打開和閉合，可形成三條通路，分別為進樣迴路、氣液排路及循環迴路，如圖2～4所示。
如圖2的粗實線所示，進樣迴路，用於水樣或純水進入分析儀，控制打開Q4、Q6的電磁閥，則依以下順序形成迴路：Q6、Q5、Q4、Q8、Q9、Q10、Q11、Q12、Q13。水樣從取樣管進入進樣迴路，並最終通過蠕動泵1至比色池3的側出口33進入比色池3內。純水從純水管進入進樣迴路，並最終通過蠕動泵1至比色池3的側出口33進入比色池3內。
如圖3的粗實線所示，氣液排路，用於氣泡、多餘水樣及反應後廢液排出，控制打開Q14、Q3、Q2的電磁閥，則依以下順序形成迴路：Q14、Q7、Q1、Q3、Q2。氣泡從比色池3的上出口31經氣液排路從Q2的常開端無毒廢液管排出。多餘水樣從比色池3的下出口32經氣液排路從Q2的常開端無毒廢液管流出。而廢液則從比色池3的下出口32經氣液排路從Q2的常閉端有毒廢液管流出，進入廢液處理收集裝置進行無公害處理。
如圖4的粗實線示，循環迴路，用於充分混合水樣及試劑，依以下順序形成迴路：Q14、Q7、Q1、Q3、Q4、Q8、Q9、Q10、Q11、Q12、Q13。一般情況下關閉所有電磁閥，Q7與Q1間通過圖4中的粗實線部分，即Q7與Q1的常開端形成迴路；當需要進行還原反應時，打開Q1與Q7的常閉端，Q7與Q1間通過圖4中的粗虛線部分，即Q7與Q1的常閉端形成還原反應線路。水樣與試劑從比色池3的下出口32流出，經循環迴路連接至蠕動泵1，並最終通過側出口33回到比色池3內。
本發明專利還公開了上述營養鹽分析儀的分析方法，營養鹽分析儀測定海水前先做標準曲線，根據標準溶液的吸光度峰高值或峰面積繪製標準曲線，校正管液用於校正標準曲線。以下結合圖例和海水營養鹽的測定實施例詳述分析的方法步驟。
S1：取液，打開Q3、Q4、Q6、Q14的電磁閥，水樣被蠕動泵1抽取從樣品管通過進樣迴路從比色池3的側出口33進入比色池3。氣泡則從比色池3的上出口31經氣液排路進入無毒廢液管，多餘水樣從比色池3的下出口32經氣液排路進入無毒廢液管，使儀器內部的樣品量及體積為一定值。
S2：測量磷酸鹽濃度，關閉Q6電磁閥，打開Q12和Q13電磁閥，在試劑管路Q12、Q13分別加入磷酸鹽顯色劑、磷酸鹽還原劑進行混合，混合後的試劑經過蠕動泵1從比色池3的側出口33到達比色池3。由於一次流動無法使水樣與試劑充分混合，因此，將水樣與試劑經循環迴路混合再次回到比色池3使之充分混合，待充分混合在880nm處測量生成藍色物質的吸光度值，從而計算出樣品中磷酸鹽的濃度值。
S3：清洗並重新取液，打開Q2、Q3、Q4的電磁閥，抽取純水管中的純水通過進樣迴路從比色池3側出口33進入比色池3，剩餘的廢液經氣液排路排至有毒廢液管，重複清洗若干次；清洗完畢後重新取液，關閉Q2電磁閥和打開Q6、Q14的電磁閥，重複步驟S1的過程，將水樣抽取至比色池3中，氣泡及多餘水樣排入無毒廢液管。
S4：測量氨氮濃度，關閉Q6電磁閥、打開Q10和Q11電磁閥，在試劑管路Q10、Q11分別加入氨氮顯色劑、氨氮還原劑進行混合，混合後的試劑通過Q12、Q13經過蠕動泵1到達比色池3，比色池3進行加熱並維持至50℃，為了使水樣與試劑充分混合，水樣與試劑從比色池3下出口32經循環迴路混合回到比色池3，待充充分混合在660nm處測量生成藍色物質的吸光度值，從而計算出樣品中氨氮的濃度值。
S5：重複步驟S3對比色池3進行清洗，然後重新取液。
S6：測量亞硝酸鹽氮濃度，關閉Q6電磁閥、打開Q9電磁閥，在試劑管路Q9中加入亞硝酸鹽氮顯色劑，亞硝酸鹽氮顯色劑通過Q10、Q11、Q12、Q13經過蠕動泵1到達比色池3與水樣混合，為了使水樣與試劑充分混合，水樣與亞硝酸鹽氮顯色劑再次經循環迴路混合回到比色池3，待充分混合後在525nm處測量生成微紅色物質的吸光度值，從而計算出樣品中亞硝酸鹽氮的濃度值。
S7：重複步驟S3對比色池3進行清洗，然後重新取液。
S8：測量硝酸鹽氮濃度，打開Q1與Q7的常閉端，使還原裝置6連接Q1和Q7，關閉Q6電磁閥、打開Q8電磁閥，在試劑管路Q8中加入硝酸鹽氮緩衝液，硝酸鹽氮緩衝液通過Q9、Q10、Q11、Q12、Q13經蠕動泵1到達比色池3與水樣混合，水樣與硝酸鹽氮緩衝液經循環迴路，通過Q1與Q7間的還原裝置6進行還原反應，將硝酸鹽氮還原為亞硝酸鹽氮；在試劑管路Q8中繼續加入硝酸鹽氮顯色劑，關閉Q1與Q7的常閉端，使水樣、亞硝酸鹽氮與硝酸鹽氮顯色劑通過循環迴路混合併回到比色池3，待充分混合後在525nm處測量生成微紅色物質的吸光度值，從而計算出樣品中硝酸鹽氮的濃度值。
S9：清洗：抽取純水管中的純水通過進樣迴路從側出口33進入比色池3，步驟S8剩餘的廢液經氣液排路排至有毒廢液管，重複清洗乾淨即可。
綜上，本發明專利通過對試劑管路4及樣品廢液管路5的合理設計，可準確測得海水中的磷酸鹽和無機氮，包括硝酸鹽氮亞硝酸鹽氮氨氮的濃度，本發明的分析過程有序，可避免各參數測定互相干擾，適宜推廣應用。
以上所述，僅為本發明較佳的具體實施方式，但本發明的保護範圍並不局限於此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發明揭露的技術範圍內，可輕易想到的變化或替換，都應涵蓋在本發明的保護範圍之內。