专利名称：双光路海水磷酸盐光学分析系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种以光学方法测量海水低浓度磷的装置。
背景技术：
磷(PO4-P)是组成生物细胞原生质的重要元素，在海洋学上，把磷和氮、硅这三种非常重要的元素称为“生源要素”或“生物制约元素”。磷是海洋生物所必需的营养盐之一，参与海洋生物生命活动的整个过程，在海洋生态系统中发挥重要作用。通常认为海洋浮游生物和大洋水的N/P比值一般恒定在16∶1，这一比值称为Redfield比。当N/P比值偏离Redfield比时，可能引起浮游植物的生长受到相对含量较低的元素的限制。对于脊椎动物，磷是构成其骨骼的主要成分。因此海水中的磷是海洋动植物生产量的控制因素之一。准确测定海水中磷的含量，研究其分布变化规律，不仅对研究海水中磷的海洋化学、生物化学和地球化学行为极为重要，而且对海洋生态过程研究、对开发海洋水产资源具有重大的现实意义。
由于受到测量技术水平的限制，对低浓度磷的准确测量非常困难，成为当今海洋化学界的难题之一。例如采用目前的仪器对我国南沙海域水样磷含量进行分析，在上层水中无法测量磷的含量(磷浓度低于检测下限0.6μg/L)。上层海水是海洋生态系中最重要生命活动最频繁的层位，由于缺乏磷这一“生物制约元素”的确切资料，严重影响了对海洋上层生态过程的深入研究。海洋在全球生态环境变化中的重要地位和作用已经得到举世公认，对海洋及海洋生态系统的研究越来越受到重视。不仅是中国，世界各国海洋科学界迫切需要探测低浓度磷的方法和仪器设备，为海洋科学研究提供可靠的观测资料。
实验室分析测量磷的方法很多，如磷钼蓝法，有机溶剂萃取法，色谱法，荧光法，氢氧化镁共沉淀法等等。其中应用最广泛的是磷钼蓝法。
磷钼蓝法的全称是“抗坏血酸还原的磷钼蓝法”，其原理是在水样中加入硫酸-钼酸铵-酒石酸氧锑钾混合试剂和抗坏血酸溶液，水样中的磷酸根与钼酸铵形成磷钼黄，在酒石酸氧锑钾存在下，磷钼黄被抗坏血酸还原为磷钼蓝，再利用分光光度计或专门的营养盐分析仪(如Skalar营养盐自动分析仪)测量出磷的浓度。
由于分光光度计中放置水样的比色皿一般只有5至10厘米，即测量光程只有5～10厘米，当水样中的磷浓度很低时，水样产生的磷钼蓝很少，其对光的吸收非常有限，因此，用分光光度计能够检测的磷浓度下限比较高，不能够满足对低浓度磷的测量。
为了解决低浓度磷的分析问题，世界上许多实验室正在探索测量低浓度磷的方法，如英国普利茅斯大学环境研究中心的科学家们在检测低浓度磷方面取得了突破，能够最低检测出0.03微克/升的磷(Eric Achterberg，2003年，个人通讯)，比标准方法低20倍，但是其检测方法受到盐度的干扰，在盐度大于15‰时测量结果不准确。由于低磷浓度的大洋海水盐度超过30‰，因此英国的低磷测量技术，还缺乏实用性。也有的采用化学浓缩的方法，先浓缩磷的浓度达到现有仪器能够检测的范围，然后再按照浓缩前的水样体积换算成实际浓度，该方法比较烦琐，同时增加了样品采集量。
发明内容
本发明的目的是提出一种能大大提高对低浓度磷检测灵敏度的双光路海水磷酸盐光学分析系统。
根据以光学方法对物质浓度进行分析测量的原理——郎伯-比尔定律，光度计测量得到的某物质的吸光率不仅与该物质的浓度有关，还与测量光程(即光与该物质的作用距离)有关。当测量光程一定时，物质浓度越大则其吸光率也越大，二者具有线性关系。另一方面，如果物质的浓度一定，测量光程越长测得的吸光率也将越大。因此，增加测量光程，可以增加仪器对低浓度的检测能力。本发明的双光路海水磷酸盐光学分析系统即是基于这一原理而设计的，本发明的技术方案是，所设计的系统包括有一光源，有光源输出口输出稳定的白色光；两个光纤水样皿，每个光纤水样皿由一根适当长度的，其内可注入液体的，以盘绕方式安装在一壳体内的光纤形成水样皿，所述的水样皿光纤的一端具有一光输入接口和一液体输入接口，水样皿光纤的另一端具有一光输出接口和一液体输出接口，两个光纤水样皿的光输入接口分别通过光纤与光源输出口连接；一光谱仪，通过光纤与两个光纤水样皿的光输出接口连接，分别测量两个光纤水样皿中液体的光谱数值；一蠕动泵，连接在两个光纤水样皿的液体输入接口，用以向两个光纤水样皿分别注入测试海水样品和空白参考水。
一计算机，通过数据线与光谱仪连接，提供光谱测试界面，记录保存光谱测量数据。
随着光纤技术的发展，已研制成功了可以注入溶液的光纤，由此可制成多种光纤水样皿。本系统中的光纤水样皿已有现成产品可购买，如由美国海洋(Ocean Optics)公司代理的LPC系列光纤水样皿。
本系统中的光谱仪可设置为双光谱仪，即两个光谱设置完全相同的光谱仪，两个光谱仪的输入端分别与两个光纤水样皿的光输出接口连接，这样可同时分别测量两个光纤水样皿中液体的光谱数值，由于其中一个光纤水样皿是注入测试海水样品，另一个光纤水样皿是注入空白参考水(即高纯水)，因而系统可同时测量得到样品与空白高纯水的光强度的比值，也即样品的吸光率，从而提高测量效率。
用本发明系统测量海水磷酸盐的方法如下前期样品处理方法与目前使用分光光度计测量磷酸盐方法(磷钼蓝法)相同。先建立工作曲线配置一系列已知磷浓度的样品，用蠕动泵把空白高纯水分别注入一个光纤水样皿，样品注入另一个水样皿，测量并记录光源经过样品和空白高纯水后的光强度；测量完一个样品后，排出样品水，注入下一个样品(空白高纯水不必每次更换)，再测量光强度；依次把所有样品测量完成。测量得到的样品与高纯水光强度之比值称为样品的吸光率，建立已知磷浓度的系列样品的吸光率与磷浓度之间的关系(即通常所称的工作曲线)，根据此工作曲线确定的吸光率与浓度之间的对应关系，再测量其它未知浓度样品的吸光率并计算磷浓度。
本发明的双光路海水磷酸盐光学分析系统由于以光纤作为磷酸盐分析仪器的“水样皿”，可以成百倍地增加测量光程(如光纤水样皿的测量光程可达到到5米，是目前磷酸盐分析仪器的50～100倍)，从而可成百倍地降低仪器检测磷酸盐的浓度下限，增加仪器对磷酸盐浓度的测试灵敏度，达到准确分析低浓度磷酸盐的目的。
图1为本双光路海水磷酸盐光学分析系统的结构示意图；图2为本双光路海水磷酸盐光学分析系统的光纤水样皿的结构示意图；图3为本双光路海水磷酸盐光学分析系统实施例对磷酸盐标准样品吸收系数的观测结果。
具体实施例方式
实施例一本双光路海水磷酸盐光学分析系统实施例的结构如图1所示。
本双光路海水磷酸盐光学分析系统实施例的光纤水样皿有1米光程，利用本系统进行过磷酸盐浓度测量试验，配制了2组磷酸盐样品，浓度为0.08，0.4，0.8，1.2，1.6微摩尔/升，得到磷酸盐浓度与720nm处的吸收系数具有很好的相关性(如图3所示)。从而根据图3所示的工作曲线，由测量样品的吸收系数就可以计算出测量样品的磷酸盐浓度。
实施例二本双光路海水磷酸盐光学分析系统实施例的系统结构与实施例一基本相同(如图1所示)，区别是两个光纤水样皿均采用美国海洋(Ocean Optics)公司代理销售的型号为LPC-5(5米光程)的光纤水样皿。
权利要求
1.一种双光路海水磷酸盐光学分析系统，其特征在于包括一光源，有光源输出口输出稳定的白色光；两个光纤水样皿，每个光纤水样皿由一根适当长度的，其内可注入液体的，以盘绕方式安装在一壳体内的光纤形成水样皿，所述的水样皿光纤的一端具有一光输入接口和一液体输入接口，水样皿光纤的另一端具有一光输出接口和一液体输出接口，两个光纤水样皿的光输入接口分别通过光纤与光源输出口连接；一光谱仪，通过光纤与两个光纤水样皿的光输出接口连接，分别测量两个光纤水样皿中液体的光谱数值；一蠕动泵，连接在两个光纤水样皿的液体输入接口，用以向两个光纤水样皿分别注入测试海水样品和空白参考水。一计算机，通过数据线与光谱仪连接，提供光谱测试界面，记录保存光谱测量数据。
2.根据权利要求1所述的双光路海水磷酸盐光学分析系统，其特征在于所述的光谱仪为双光谱仪，即两个光谱设置完全相同的光谱仪，两个光谱仪的输入端分别两个光纤水样皿的光输出接口连接，同时分别测量两个光纤水样皿中液体的光谱数值。
全文摘要
本发明提供一种高灵敏度的双光路海水磷酸盐光学分析系统，为一种测量海水低浓度磷的装置。由光源，两个光纤水样皿，蠕动泵，光谱仪和计算机构成，两个光纤水样皿的光输入接口分别通过光纤与光源输出口连接，蠕动泵连接到两个光纤水样皿的液体输入接口，光谱仪的输入端通过光纤分别与两个光纤水样皿的光输出接口连接，计算机通过数据线8与光谱仪连接。本发明以光纤作为磷酸盐分析仪器的“水样皿”，可以成百倍地增加测量光程(如光纤水样皿的测量光程可达到到5米，是目前磷酸盐分析仪器的50～100倍)，从而可成百倍地降低仪器检测磷酸盐的浓度下限，增加仪器对磷酸盐浓度的测试灵敏度，达到准确分析低浓度磷酸盐的目的。
文档编号G01N21/25GK1740773SQ20051003710
公开日2006年3月1日 申请日期2005年9月9日 优先权日2005年9月9日
发明者陈楚群 申请人:中国科学院南海海洋研究所