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原文传递基于集成阀岛装置的高精度海水pH原位测量系统及方法

专利名称：	基于集成阀岛装置的高精度海水pH原位测量系统及方法
摘要：	本发明属于海洋监测技术领域，具体涉及基于集成阀岛装置可多试剂检测的高精度海水pH原位测量系统及方法。所述测量系统包括流路模块、光路模块和电路模块；所述流路模块中包括控制流路方向的集成阀岛，所述流路模块用于进行海水样品进样、试剂进样、混合；通过所述集成阀岛控制流路，在海水pH原位测量时，首先将海水进样至流路中测定空白光强，然后将指示剂进样至流路中，将流路闭合成一个环路，在环路中将海水和指示剂混合，混合完全后检测混合溶液的光强，计算吸光度，进而计算获得海水pH。本发明中的流路结构采用阀岛装置，具有死体积小、结构紧凑、功耗低的特点，能够实现海水和指示剂的完全混合，可提高仪器测量的稳定性。
专利类型：	发明专利
国家地区组织代码：	山东;37
申请人：	山东省科学院海洋仪器仪表研究所
发明人：	张云燕;曹璐;张天鹏;王婧茹;王昭玉;王小红;褚东志
专利状态：	有效
申请日期：	2019-05-16T00:00:00+0800
发布日期：	2019-07-26T00:00:00+0800
申请号：	CN201910404434.0
公开号：	CN110057814A
代理机构：	青岛华慧泽专利代理事务所(普通合伙)
代理人：	孟令彩
分类号：	G01N21/80(2006.01);G;G01;G01N;G01N21
申请人地址：	266200 山东省青岛市鳌山卫街道青岛蓝色硅谷核心区蓝色硅谷创业中心一期2号楼
主权项：	1.基于集成阀岛装置的高精度海水pH原位测量系统，其特征在于，包括：流路模块、光路模块和电路模块；所述流路模块包括集成阀岛、流通池、通过脉冲泵和所述集成阀岛连接的试剂袋；所述流通池的一端通过蠕动泵和所述集成阀岛连接，另一端和所述集成阀岛连接；所述集成阀岛上还设置有海水进样管路、海水废液排出管路以及指示剂废液排出管路；所述光路模块，用于测量样品在特征波长处的吸光度；包括光源耦合模块、微型光谱仪和光纤，所述光源耦合模块包括设置于光源耦合器中的三个具有不同波长的LED灯，所述三个具有不同波长的LED灯组成耦合光源，耦合光源发出的光通过光纤传输，经过流通池后进入所述微型光谱仪检测信号强度；所述蠕动泵、所述脉冲泵、所述集成阀岛、所述微型光谱仪均和所述电路模块连接；所述电路模块用于控制所述蠕动泵、所述脉冲泵、所述集成阀岛、所述微型光谱仪的开启或者关闭以及用于数据采集。 2.根据权利要求1所述基于集成阀岛装置的高精度海水pH原位测量系统，其特征在于，所述集成阀岛包括第一电磁阀、第二电磁阀、第三电磁阀和第四电磁阀四个两位三通电磁阀；所述第一电磁阀、第二电磁阀、第三电磁阀和第四电磁阀均包括一个常闭口a、一个常开口b和一个第三接口共三个接口；所述海水进样管路和所述第一电磁阀的常开口b连接，所述第一电磁阀的第三接口和所述第二电磁阀的常开口b连接，所述第二电磁阀的常闭口a和所述试剂袋通过脉冲泵连接，所述第二电磁阀的第三接口和所述第三电磁阀的第三接口连接，所述第三电磁阀的常开口b通过蠕动泵和所述流通池的一端连接，所述第三电磁阀的常闭口a和所述指示剂废液排出管路连接，所述第四电磁阀的常闭口a和所述第一电磁阀的常闭口a连接，所述第四电磁阀的常开口b和海水废液排出管路连接，所述第四电磁阀的第三接口和所述流通池的另一端连接。 3.根据权利要求2所述基于集成阀岛装置的高精度海水pH原位测量系统，其特征在于，所述集成阀岛还包括阀岛，所述阀岛包括基板和底板；所述底板设置在所述基板的下部，四个电磁阀均设置于所述底板的下部；所述基板和所述底板均采用高透明的亚克力材质，在无尘洁净环境下采用胶接无缝键合；在所述基板和底板内部均设置液体通道，所述液体通道用于连通电磁阀和接入所述集成阀岛的外部流体管路；所述接入集成阀岛的外部流体管路包括所述蠕动泵和集成阀岛之间的流体管路、所述脉冲泵和集成阀岛之间的流体管路、所述指示剂废液排出管路、所述海水废液排出管路、所述海水进样管路、所述流通池和所述集成阀岛之间的流体管路、以及第一电磁阀的第三接口和所述第二电磁阀的常开口b之间的流体管路；所述液体通道还用于所述第一电磁阀和第四电磁阀之间，以及用于所述第二电磁阀和所述第三电磁阀之间的连接；所述基板和所述底板内部的液体通道的内径和所述接入集成阀岛的外部流体管路的内径相同，以避免流体进入集成阀岛后流速状态改变，保证了测量精度。 4.根据权利要求1所述基于集成阀岛装置的高精度海水pH原位测量系统，其特征在于，所述流通池采用塑料材质加工，为十字形结构，流体自下而上流动，光信号在水平方向传输，流体中产生的气泡能够上浮至所述流通池顶部，以避免气泡积存对吸光度测量的影响；所述流通池光路长度为0.5-4cm，流通池置于仪器舱外部的海水中，以保持流通池内样品和海水温度一致；在流通池旁边还设置温度探头，用于对海水温度进行实时测量。 5.根据权利要求1所述基于集成阀岛装置的高精度海水pH原位测量系统，其特征在于，所述三个具有不同波长的LED灯包括：中心波长为580nm的暖白光LED灯、中心波长为435nm的LED灯和中心波长为490nm的LED灯；所述微型光谱仪的光谱检测范围为300nm-800nm，配备25μm狭缝，波长分辨率为1.5nm；采用三个具有不同波长的LED灯组成耦合光源作为光源以及采用所述微型光谱仪作为检测器，能够适用于间甲酚紫、百里酚蓝和甲酚红三种指示剂的海水pH测量，pH测量范围为6.8-8.6。 6.根据权利要求2所述基于集成阀岛装置的高精度海水pH原位测量系统，其特征在于，通过所述集成阀岛控制流路，在海水pH原位测量时，首先将海水进样至流路中测定空白光强，然后将指示剂进样至流路中，将流路闭合成一个环路，在环路中将海水和指示剂混合，混合完全后检测混合溶液的光强，计算吸光度，进而计算获得海水pH。 7.基于集成阀岛装置可多试剂检测的高精度海水pH原位测量方法，采用权利要求1-6任一项所述测量系统，其特征在于，包括：海水进样：控制第一电磁阀、第二电磁阀、第三电磁阀和第四电磁阀均处于常开口b位，开启蠕动泵，海水样品从海水进样管路进入并充满流路，多余样品从海水废液排出管路排出；空白光强检测：关闭蠕动泵，开启LED灯组成的耦合光源，采用微型光谱仪检测海水空白样品在所选指示剂特征波长处的空白光强，所述所选指示剂特征波长包括酸态最大吸收峰处波长、碱态最大吸收峰处波长以及酸态和碱态等吸收峰处波长；记录光信号为λI0，λ为波长；试剂进样：将第二电磁阀和第三电磁阀切换至常闭口a位，开启脉冲泵，指示剂从试剂袋抽入试剂流路中，多余指示剂从指示剂废液排出管路排出，关闭脉冲泵；样品混合：将第二电磁阀和第三电磁阀切换至常开口b位，将第一电磁阀和第四电磁阀切换至常闭口a位，形成闭合回路，开启蠕动泵，海水样品和指示剂充分混合，混合时间为20-180s，根据泵速和管路选择混合时间，混合均匀后，关闭蠕动泵；检测混合溶液的光强，计算吸光度：混合完全后，开启LED灯，检测混合溶液的光强，记录光信号为λI，计算吸光度λA＝-log10(λI/λI0)；根据吸光度计算海水pH。 8.根据权利要求7所述基于集成阀岛装置可多试剂检测的高精度海水pH原位测量方法，其特征在于，海水pH计算的方法具体为：采用光度法，利用酸碱指示剂的二级解离平衡反应测定海水pH，计算公式为： pHT表示为总氢离子标度下的pH值，K2T为指示剂的二级解离常数，[I2-]和[HI-]为指示剂碱态和酸态的浓度；在[HI-]和[I2-]的最大吸收波长λ1，λ2下分别测定样品的吸光度λ1A和λ2A；根据朗伯比尔定律，计算公式可写成： K2T决定了指示剂的测量范围，采用适用海水pH测量指示剂即可对海水进行pH测量；其中： e1，e2，e3为指示剂不同形态在不同波长的摩尔吸光系数的比值，与温度和盐度相关；R为吸光度比值；λ1εI2-和λ2εI2-为I2-在λ1和λ2波长时的吸光系数，λ1εHI-和λ2εHI-为HI-在λ1和λ2时的吸光系数。 9.根据权利要求7所述基于集成阀岛装置可多试剂检测的高精度海水pH原位测量方法，其特征在于，所述方法还包括指示剂校正的步骤，具体为：检测混合溶液的光强，计算吸光度的步骤完成后，将第一电磁阀和第四电磁阀切换至常开口b位，开启蠕动泵，海水样品进入管路，管路中指示剂不断被稀释，采用微型光谱仪连续采集稀释过程中混合溶液的光强度，计算吸光度和pH值，稀释时间为20-180s；指示剂在酸态和碱态等吸收波长处吸光度仅与指示剂浓度相关，以指示剂在酸态和碱态等吸收波长处多次测定吸光度值为x轴，相应pH值为y轴做直线，当x＝0时得到的y值即为消除指示剂干扰后海水本身pH值。
所属类别：	发明专利