李新民 羅學(xué)科,2* 李 文 陳夢(mèng)凡

(1.北方工業(yè)大學(xué) 機(jī)械與材料工程學(xué)院，北京 100144；2.北京印刷學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院,北京 102600)

引 言

亞硝酸鹽作為環(huán)境污染物的一種，遍布在自然界的地表水和地下水中,嚴(yán)重影響著人類生活[1]。在國(guó)家環(huán)保政策的倡導(dǎo)下，飲用水和食品安全越來(lái)越受到人們的重視。亞硝酸鹽屬于一類無(wú)機(jī)化合物，微量的亞硝酸鹽化合物也可能會(huì)引發(fā)食物中毒，食入0.3～0.5 g的亞硝酸鹽，嚴(yán)重者可能致死。因此，嚴(yán)格控制亞硝酸鹽在生活用水和食品中的含量是食品衛(wèi)生監(jiān)督部門工作的重要內(nèi)容，也是必須引起消費(fèi)者重視的食品安全問(wèn)題[2]。

針對(duì)亞硝酸鹽現(xiàn)有多種檢測(cè)方法，包括吸光光度法、紫外分光光度法、熒光法、色譜法、電化學(xué)法等，其中吸光光度法分為鹽酸萘乙二胺分光光度法和酚二磺酸分光光度法[3]，經(jīng)典的分光光度法儀器操作簡(jiǎn)單，具有一定的實(shí)用性且價(jià)格低廉。趙萍等[4]采用在線鎘柱還原-流動(dòng)注射分析法對(duì)硝酸鹽和亞硝酸鹽進(jìn)行監(jiān)測(cè)，方法便捷，檢測(cè)精度高，能夠同時(shí)檢測(cè)水中的亞硝酸鹽和硝酸鹽；方力等[5]提出了用均勻設(shè)計(jì)法檢測(cè)水中的硝酸鹽和亞硝酸鹽，其操作簡(jiǎn)單，適用于飲用水的檢測(cè)。熒光法發(fā)展還不完善，且檢測(cè)費(fèi)用相對(duì)較高。楊喜民等[6]建立了熒光分光光度法來(lái)測(cè)定血液中的硝酸鹽濃度，但檢測(cè)精度比較低。色譜法發(fā)展時(shí)間較長(zhǎng)，其特點(diǎn)是快速、簡(jiǎn)便、準(zhǔn)確且靈敏度高[1]，但檢測(cè)儀器比較昂貴。電化學(xué)法包括離子選擇電極法、極譜法和毛細(xì)管電泳法等[7]，但這些方法對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響因素較多。

本文針對(duì)亞硝酸鹽檢測(cè)的準(zhǔn)確性和自動(dòng)連續(xù)在線檢測(cè)需求，基于比色法原理，設(shè)計(jì)了以顏色檢測(cè)設(shè)備為檢測(cè)媒介的亞硝酸鹽傳感器；該方法不僅滿足了食品中亞硝酸鹽與硝酸鹽的測(cè)定要求，而且理論上可以在不同溶劑中進(jìn)行亞硝酸鹽濃度的檢測(cè)，其操作簡(jiǎn)便、成本低、儀器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)了亞硝酸鹽傳感器的便攜性和檢測(cè)的快速性。

1 材料與方法

1.1 試劑與儀器

氨基苯磺酸(C6H7NO3S)溶液，濃度12 mol/L，北京世紀(jì)奧科生物技術(shù)有限公司；α-萘胺(C10H9N)，分析純，亞硝酸鹽溶液，165 μg/mL，去離子水，北京儀化通標(biāo)科技有限公司；濃鹽酸，質(zhì)量分?jǐn)?shù)37%，唐山市豐南區(qū)尚德商貿(mào)有限公司。

KX-17018型恒溫水浴箱，水溫控制范圍5～100 ℃，金壇市科析儀器有限公司；亞硝酸鹽傳感器，自制；JF-NO2-485型亞硝酸鹽傳感器，檢測(cè)范圍0～20×10-6，上海景飛環(huán)?？萍加邢薰?；BJ-RZ1030型蠕動(dòng)泵，流量范圍0～170 mL/min，Smart SV-04型閥島，6通道，南京潤(rùn)澤流體控制設(shè)備有限公司；4v210-08型電磁閥，正泰集團(tuán)股份有限公司；TCS3200顏色傳感器，深圳市微雪電子有限公司；自制反應(yīng)池，25 mL。

1.2 檢測(cè)原理

利用亞硝酸鹽與對(duì)氨基苯磺酸酸性溶液發(fā)生反應(yīng)，酸性環(huán)境中亞硝酸根離子將對(duì)氨基苯磺酸的氨基重氮化，生成重氮鹽，反應(yīng)方程式為

(1)

再利用式(1)的反應(yīng)物重氮鹽與α-萘胺酸性溶液發(fā)生偶聯(lián)反應(yīng)，生成偶氮化合物，偶合部位在α-萘胺的氨基鄰位，反應(yīng)方程式為

(2)

經(jīng)過(guò)上述兩步反應(yīng)后，溶液呈紫紅色。從反應(yīng)式(1)、(2)可以得出，亞硝酸鹽的濃度與偶氮化合物濃度成正比。因此，利用顏色檢測(cè)設(shè)備對(duì)反應(yīng)后的偶氮化合物進(jìn)行檢測(cè)，得出濃度與顏色之間的線性關(guān)系，從而間接得出亞硝酸鹽的濃度。顏色檢測(cè)設(shè)備能夠靜態(tài)識(shí)別物體顏色，不同顏色輸出不同頻率方波，不同的頻率對(duì)應(yīng)相應(yīng)三原色(RGB)的值。利用顏色傳感器對(duì)不同色光的濾波器特性，過(guò)濾除紅色以外的光，即可讀出溶液的顏色值。不同顏色值與亞硝酸鹽濃度之間存在線性關(guān)系，通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型得出亞硝酸鹽濃度，檢測(cè)原理如圖1所示。

1.3 實(shí)驗(yàn)溶液制備

取濃鹽酸用去離子水稀釋，配制成濃度為2.4 mol/L的稀鹽酸溶液；取配制的稀鹽酸溶液作為溶劑，氨基苯磺酸作為溶質(zhì)，配制成質(zhì)量濃度為4 mg/mL的氨基苯磺酸酸性溶液；以稀鹽酸溶液為溶劑，α-萘胺為溶質(zhì)，配制成質(zhì)量濃度2 mg/mL的α-萘胺酸性溶液。取標(biāo)準(zhǔn)亞硝酸鹽試劑配成質(zhì)量濃度分別為0.050、0.075、0.100、0.125、0.150、0.175、0.200、0.225、0.250、0.275、0.300 mg/L的亞硝酸鹽溶液。

1.4 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.4.1傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

亞硝酸鹽傳感器結(jié)構(gòu)分為3層：下層放置顏色檢測(cè)設(shè)備和信號(hào)傳輸線，用來(lái)將檢測(cè)到的RGB顏色的頻率信號(hào)輸出至數(shù)據(jù)采集板；中間層主要是玻璃材料的反應(yīng)池，用于試劑反應(yīng)和數(shù)據(jù)檢測(cè)；頂層為檢測(cè)背景，選擇白光作為補(bǔ)償光源置于中心位置。亞硝酸鹽傳感器的三維結(jié)構(gòu)如圖2所示。

首先將水樣通過(guò)進(jìn)水口抽入反應(yīng)池中，再將配制好的對(duì)氨基苯磺酸酸性溶液抽入反應(yīng)池中，在此過(guò)程中水樣里的亞硝酸根與對(duì)氨基苯磺酸發(fā)生重氮化反應(yīng)，生成重氮鹽；待第一階段反應(yīng)結(jié)束后，將α-萘胺酸性溶液抽入反應(yīng)池中，完成重氮鹽與α-萘胺溶液的偶聯(lián)反應(yīng)；顏色檢測(cè)設(shè)備將檢測(cè)出的穩(wěn)定數(shù)據(jù)傳給采集板，檢測(cè)結(jié)束。

1.4.2亞硝酸鹽檢測(cè)流程設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)的檢測(cè)裝置以蠕動(dòng)泵為動(dòng)力源，定量向反應(yīng)池中抽入反應(yīng)所需的對(duì)氨基苯磺酸酸性溶液和α-萘胺酸性溶液試劑。系統(tǒng)中加入定量裝置，以避免反應(yīng)池中溶液過(guò)量。顏色檢測(cè)設(shè)備將數(shù)據(jù)傳輸至采集板，經(jīng)數(shù)據(jù)換算后，再將亞硝酸鹽濃度值通過(guò)串口傳送到上位機(jī)。上位機(jī)采用LabVIEW編程，不僅能將數(shù)據(jù)儲(chǔ)存到數(shù)據(jù)庫(kù)中，還可以通過(guò)TCP/IP將數(shù)據(jù)上傳到網(wǎng)絡(luò)服務(wù)端，以供其他設(shè)備提取。亞硝酸鹽的在線檢測(cè)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖3所示。整個(gè)過(guò)程可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)連續(xù)在線檢測(cè)的要求，檢測(cè)周期設(shè)定為1 h。

亞硝酸鹽的檢測(cè)流程圖如圖4所示。首先清洗檢測(cè)室內(nèi)的殘留物質(zhì)，為防止清洗時(shí)殘留清水稀釋水樣，保證檢測(cè)的準(zhǔn)確性，需要用水樣潤(rùn)洗檢測(cè)室。使用高精度注射泵控制水樣的進(jìn)液量為10 mL，調(diào)節(jié)閥島，轉(zhuǎn)換到試劑1進(jìn)液口，向檢測(cè)室內(nèi)注入3 mL氨基苯磺酸；等待進(jìn)液完畢后，調(diào)節(jié)閥島，轉(zhuǎn)換到進(jìn)氣口，向檢測(cè)室內(nèi)吹入空氣，達(dá)到攪拌效果，使亞硝酸根與氨基苯磺酸完全反應(yīng)。5 min后，調(diào)節(jié)閥島，轉(zhuǎn)換到試劑2進(jìn)液口，向檢測(cè)室內(nèi)注入3 mL α-萘胺，攪拌10 min；待重氮鹽與α-萘胺充分反應(yīng)后，使用顏色檢測(cè)設(shè)備讀取檢測(cè)室中的顏色值[8]，傳遞到采集板。數(shù)據(jù)通過(guò)RS485串口發(fā)送給上位機(jī)。經(jīng)過(guò)上位機(jī)處理的數(shù)據(jù)一部分通過(guò)TCP/IP上傳到網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，另一部分儲(chǔ)存到數(shù)據(jù)庫(kù)中。待檢測(cè)結(jié)束后，排空檢測(cè)室中的水樣并清洗檢測(cè)室為下次檢測(cè)作準(zhǔn)備。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 實(shí)驗(yàn)建模

在常溫常壓條件下，依次檢測(cè)質(zhì)量濃度為0.05、0.075、0.10、0.125、0.15、0.175、0.20、0.225、0.25、0.275、0.30 mg/L的亞硝酸鹽標(biāo)準(zhǔn)溶液，并進(jìn)行6組實(shí)驗(yàn)后取平均值(顏色檢測(cè)設(shè)備輸出的為頻率值f，kHz)，如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)測(cè)試值及平均值Table 1 Experimental test values and average values

依據(jù)表1檢測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)6次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)平均值與標(biāo)準(zhǔn)溶液質(zhì)量濃度值進(jìn)行擬合。以檢測(cè)數(shù)據(jù)平均值為橫坐標(biāo)、標(biāo)準(zhǔn)溶液質(zhì)量濃度ρ為縱坐標(biāo)繪制曲線，如圖5所示。在標(biāo)準(zhǔn)曲線繪制過(guò)程中，對(duì)不同質(zhì)量濃度的亞硝酸鹽溶液進(jìn)行檢測(cè)，從而得出利用顏色檢測(cè)設(shè)備檢測(cè)出的頻率值與標(biāo)準(zhǔn)試劑質(zhì)量濃度值之間關(guān)系。

數(shù)據(jù)模型為

ρ=8×10-5f2+0.006 3f-0.039 2

(3)

測(cè)定系數(shù)R2=0.998 9>0.9。

實(shí)驗(yàn)檢測(cè)數(shù)據(jù)如表2所示。根據(jù)GB/T 5009.33—2008《食品中亞硝酸鹽與硝酸鹽的測(cè)定》[9]、HJ/T 197—2005《水質(zhì) 亞硝酸鹽氮的測(cè)定》[10]中對(duì)亞硝酸鹽的檢測(cè)指標(biāo)，對(duì)相對(duì)誤差、精度、重復(fù)性即相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)等檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，各指標(biāo)的計(jì)算公式如下。

表2 擬合值及其他數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)參數(shù)對(duì)照Table 2 Comparison of fitted values and other statistical parameters

相對(duì)誤差

(4)

式中，δ為相對(duì)誤差；ρ*為質(zhì)量濃度測(cè)量值；ρ標(biāo)為質(zhì)量濃度標(biāo)準(zhǔn)值。

重復(fù)性

(5)

(6)

精度

(7)

式中，σ為傳感器測(cè)試精度；ρ′為傳感器量程值。

從表2可以看出，擬合值與標(biāo)準(zhǔn)試劑值相對(duì)誤差的最大值為5.12%，精度最大值為6.97%，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差的最大值為6.77%，能夠滿足GB/T 5009.33—2008《食品中亞硝酸鹽與硝酸鹽的測(cè)定》要求。

2.2 對(duì)比實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證該亞硝酸鹽傳感器對(duì)實(shí)際水樣檢測(cè)的準(zhǔn)確性，使用由上海景飛環(huán)?？萍加邢薰旧a(chǎn)的亞硝酸鹽傳感器(JF-NO2-485)作對(duì)比實(shí)驗(yàn)。取實(shí)驗(yàn)室自來(lái)水，加入不同濃度的低濃度亞硝酸鹽試劑，在相同條件下進(jìn)行6組對(duì)比實(shí)驗(yàn)，表3為所得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

表3 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)參數(shù)對(duì)照Table 3 Parameter comparison for verification of experiment data

由于該傳感器檢測(cè)上限為0.30 mg/L，因此第6組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)無(wú)效。由表3可以得出，與亞硝酸鹽傳感器(JF-NO2-485)對(duì)比，本文儀器相對(duì)誤差的最大值為2.76%。

2.3 穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)

為驗(yàn)證所設(shè)計(jì)傳感器的穩(wěn)定性，調(diào)節(jié)恒溫水浴箱溫度分別為5、10、15、20、25、30 ℃，分別檢測(cè)質(zhì)量濃度為0.05、0.10、0.15、0.20、0.25、0.30 mg/L的亞硝酸鹽標(biāo)準(zhǔn)試劑，每個(gè)溫度下連續(xù)測(cè)試4組并取平均值，結(jié)合穩(wěn)定性計(jì)算公式可得表4。

表4 不同溫度下亞硝酸鹽檢測(cè)值Table 4 Nitrite detection values at different temperatures

穩(wěn)定性計(jì)算公式為

(8)

式中，α為穩(wěn)定值；ρmin為測(cè)試最小質(zhì)量濃度值；ρmax為測(cè)試最大質(zhì)量濃度值。

由表4可以得出，當(dāng)溫度在5～30 ℃之間時(shí)，質(zhì)量濃度檢測(cè)的最大相對(duì)誤差為5.72%，最大穩(wěn)定值為0.099。

2.4 干擾因素分析

經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，得出干擾因素如下：①水中含有其他懸浮物對(duì)光學(xué)檢測(cè)的精度造成影響;②顏色傳感器的光源衰減會(huì)影響溶液顏色檢測(cè)的準(zhǔn)確度，最終增大亞硝酸鹽檢測(cè)誤差；③檢測(cè)時(shí)，外界自然光對(duì)顏色傳感器的干擾；④實(shí)驗(yàn)試劑的保質(zhì)期有限，變質(zhì)的試劑影響檢測(cè)精度；⑤進(jìn)液管中滯留的溶液將會(huì)造成其他試劑的污染；⑥顏色傳感器的光照強(qiáng)度有限，當(dāng)亞硝酸鹽濃度相差不大時(shí)，很難做到精準(zhǔn)分辨。

針對(duì)以上干擾因素，提出應(yīng)對(duì)措施如下：①在檢測(cè)前對(duì)水樣進(jìn)行預(yù)處理，過(guò)濾水樣中的懸浮物和溶液中的顆粒物等[11]，以減少水中其他懸浮物對(duì)光學(xué)檢測(cè)精度造成的影響；②為保證顏色檢測(cè)設(shè)備的準(zhǔn)確性，需定期對(duì)顏色檢測(cè)設(shè)備作白平衡校正；③檢測(cè)室的設(shè)計(jì)是封閉的，應(yīng)保證在黑暗環(huán)境下檢測(cè)，避免外界自然光的干擾；④為實(shí)現(xiàn)連續(xù)在線檢測(cè)，將預(yù)配制好的反應(yīng)試劑存放在恒溫箱內(nèi)，有效使用期限為一周，試劑需在有效期內(nèi)更換，以保證其連續(xù)檢測(cè)的功能；⑤在進(jìn)樣、添加試劑等流程結(jié)束后，控制閥島轉(zhuǎn)到進(jìn)氣口，需抽取小段空氣，以實(shí)現(xiàn)水樣與試劑、試劑與試劑之間的隔絕；⑥當(dāng)亞硝酸鹽濃度相差不大時(shí)，為提高檢測(cè)的準(zhǔn)確性和提高分辨率，需添加白光對(duì)顏色傳感器進(jìn)行補(bǔ)光處理。

3 結(jié)論

基于比色法原理設(shè)計(jì)了一種非接觸式的液相溶解亞硝酸鹽濃度檢測(cè)儀器，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該儀器經(jīng)修正后曲線的測(cè)定系數(shù)為0.998 9，相對(duì)誤差的最大值為5.12%，完全能夠滿足水中亞硝酸鹽的測(cè)定要求；配合上位機(jī)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和網(wǎng)絡(luò)傳輸，實(shí)現(xiàn)了水中亞硝酸鹽的在線連續(xù)檢測(cè)，降低了成本，提高了檢測(cè)精度。