基于光度法的高精度海水pH值測量系統(tǒng)

曹璐　王小紅　張云燕　王昭玉　褚東志　馬然

摘要基于光度法的海水pH值自動測量系統(tǒng)測定速度快，精密度高，是海洋酸化和碳循環(huán)研究急需的測量裝置。本研究以光度法和流動注射分析技術(shù)為基礎(chǔ)，通過整合泵閥流路體系、LED光源、流通池和光譜儀，研發(fā)了海水pH值自動測量系統(tǒng)。本系統(tǒng)在分析過程中不易產(chǎn)生氣泡，利用指示劑在樣品中的濃度變化校正指示劑的加入帶來的測量偏差，操作簡單方便，測量一個樣品用時約為1.5min，精密度為0.0013，準確度為0.0059，可在實驗室或調(diào)查船中對所采集的海水快速地進行高精度pH值測量。

關(guān)鍵詞光度法； 海水； pH值； 流動注射分析； 間甲酚紫

1引言

pH值是衡量海水酸堿狀態(tài)的重要參數(shù)。過多的CO2溶解已引起了海洋酸化，導(dǎo)致了溶解無機碳的增加和碳酸鈣飽和度的降低[1，2]，海水表層的pH值平均每年下降約0.002[3]。海洋酸化和海洋碳酸鹽體系的改變會使依賴于化學(xué)環(huán)境穩(wěn)定性的多種海洋生物面臨威脅，并對海洋生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生顯著影響[4，5]。

觀測海水表層pH值的年度變化，pH值的測量精密度需優(yōu)于0.002[6]。pH值、溶解無機碳（DIC）、堿度（TA）和二氧化碳分壓（PCO2）是海洋碳酸鹽體系的4個基本參數(shù)，研究海洋酸化和碳循環(huán)，需要準確定量碳酸鹽體系，這也對海水pH值的測量精度提出了更高的要求[7]。光度法測量精度高，已逐漸成為測量海水pH值的標準方法。目前，對于海洋酸化和碳循環(huán)的研究普遍采用光度法對海水pH值進行測量[2，8，9]。

基于海洋酸化和碳循環(huán)等研究的迫切需要，研究者已對基于光度法的海水pH值原位傳感器技術(shù)[10～13]和船載分析體系[14～17]展開了研究，所研究的測量系統(tǒng)精密度普遍低于0.002，準確度范圍為0.002～0.008。本研究以光度法和流動注射分析技術(shù)為基礎(chǔ)，建立了船載式海水pH值自動測量系統(tǒng)。流路由簡單的泵閥體系和流通池組成，光路由LED光源、光纖和光譜儀組成，并采用嵌入式技術(shù)實現(xiàn)體系的自動控制。與其它船載分析體系相比，本裝置在流路中采用定制的石英管狀流通池，既不易產(chǎn)生氣泡，又可以連接水浴保持恒溫， 利用指示劑被海水稀釋的過程進行指示劑干擾校正，操作簡單方便，可對每次測量進行實時校正，提高了校正的準確性。本測量體系可在實驗室或調(diào)查船中對所采集的海水進行pH值測量，具有測量速度快、精密度高、準確性好的特點。

2實驗部分

2.1實驗原理

光度法利用酸堿指示劑的二級解離平衡反應(yīng)測定海水pH值，計算公式為：

2.2實驗裝置

本實驗采用自主搭建的高精度海水pH值測量系統(tǒng)裝置，如圖1所示。流路包括蠕動泵 （卡默爾流體科技有限公司）、脈沖泵（百柯流體科技有限公司）、兩位三通閥（百柯流體科技有限公司）、流體管路（聚四氟乙烯，內(nèi)徑1 mm）帶有水浴套管的流通池（石英，流通池內(nèi)徑5 mm，長度3 cm，套管內(nèi)徑15 mm），其中海水進樣管路與三通閥的常開端（Normally open， NO）連接，指示劑管路與三通閥的常閉端（Normally closed， NC）相連，水浴套管與恒溫水浴相連；光路包括LED白光光源、光纖和光譜儀（QE6500，Ocean Optics）；電路控制系統(tǒng)采用ARM嵌入式芯片STM32F103核心板作為主控單元，控制全部泵閥的時序操作；海水樣品和流通池利用恒溫水?。↗ulabo）保持恒溫。

配制濃度為1 mmol/kg的間甲酚紫鈉鹽（SigmaAldrich）溶液，加入NaCl使其濃度達到0.7 mol/kg（離子強度為0.7）。

2.3實驗流程

測量開始前，利用恒溫水浴將海水樣品以及流通池保持25℃恒溫；LED燈開啟預(yù)熱約10 min； 打開光譜儀，積分時間設(shè)置為10 ms， 扣除暗光譜基線。

測量時，首先三通閥處于常開狀態(tài)，開啟蠕動泵，流速約為8 mL/min，海水樣品進入管路和流通池，多余的樣品自廢液口流出，光譜儀記錄光強譜線作為空白海水光強（I0）；三通閥常閉端打開，常開端關(guān)閉，注射泵脈沖一次將20 μL指示劑泵入流路中后，三通閥處于常開狀態(tài)，開啟蠕動泵，海水推動指示劑在管路和流通池內(nèi)流動混合，連接兩位三通閥和流通池的管路呈螺旋狀以便于兩者的混合，光譜儀測量混合溶液光強（I）并計算434， 487.6和578 nm吸光度A434， A487.6和A578（A=-lg（I/I0））。測量過程用時約1.5 min。

將混合過程中測得的一系列吸光度數(shù)據(jù)代入公式（2）， （3）和（4）中，結(jié)合溫度、鹽度計算pH值。本實驗利用指示劑稀釋過程中間甲酚紫濃度和混合溶液pH值的變化推算海水pH值。將吸光度值在0.3～0.7之間的A487.6和pH值進行線性擬合，487.6 nm為間甲酚紫酸態(tài)和堿態(tài)的等吸收波長，可以指示間甲酚紫濃度，A487.6=0時的pH值即為間甲酚紫濃度=0時的海水pH值。

本系統(tǒng)測量得到的是25℃下海水pH值，結(jié)合碳酸鹽體系參數(shù)的互算關(guān)系，可以獲得采樣時現(xiàn)場溫度下的海水pH值[2，16，17]。

3結(jié)果與討論

3.1實驗裝置優(yōu)化

3.1.1光源光源為LED白光燈，通過測量434， 487.6和578 nm波長的吸光度計算pH值。光度法手工測量海水pH值的方法[18]中同時測定了指示劑不吸收波長730 nm的吸光度，用于校正流通池位置變化引起的測量誤差。在本測量系統(tǒng)中光源穩(wěn)定，由光強波動引起的吸光度誤差在0.001范圍內(nèi)，并且流通池的位置固定，因此無需測量730 nm波長處的吸光度。

3.1.2流通池常用的流通池有“Z”型流通池[10]以及石英管狀流通池[15，17]。本裝置前期使用了光程2 cm的“Z”型流通池，該類型流通池流路管徑較小，在實驗中發(fā)現(xiàn)流路轉(zhuǎn)角處易積存氣泡，從而導(dǎo)致吸光度誤差較大。因而本裝置采用定制石英管狀流通池，流路內(nèi)徑為5 mm，在海水流動過程中不易產(chǎn)生氣泡。流通池長度為3 cm，海水推動指示劑在流通池內(nèi)混合，指示劑注入管路后，434， 487.6和578 nm波長處吸光度的變化如圖2所示。流通池外有水浴套管連接循環(huán)水浴，可保持流通池內(nèi)海水樣品恒溫。

3.1.3光譜儀

光譜儀輸入信號通過16位的A/D進行轉(zhuǎn)換，波長測量范圍為200～980 nm，狹縫為10 μm。指示劑摩爾吸收系數(shù)比值（ei）與測量體系有關(guān)。文獻中報道的ei值是由分辨率小于2 nm的臺式分光光度計測量得出，本實驗的光譜儀選擇10 μm狹縫，波長分辨率為1 nm，確保摩爾吸收系數(shù)比值數(shù)據(jù)引用的準確性。

光譜儀積分時間為8 ms～15 min，為了精確記錄海水和指示劑混合過程中吸光度變化，積分時間設(shè)為10 ms。

3.1.4指示劑干擾校正常用的方法是首先進行指示劑干擾校正實驗，即選取一系列不同pH值的海水，通過再次加入指示劑的方法得出吸光度比值R的校正公式，在實際測量中利用R的校正公式得出海水pH值， 手工法和一些自動測量系統(tǒng)均使用該方法[17，18]。但是這種方法過程復(fù)雜，并且重新配制指示劑時，還需要再次進行實驗得到與之匹配的校正公式。

利用指示劑稀釋時的濃度變化校正指示劑干擾，最早應(yīng)用于SAMI傳感器[10]，該方法很大程度上簡化了工作程序，提高了校正的準確性，本裝置針對所搭建的測量系統(tǒng)對校正方法做了改進。在實驗中發(fā)現(xiàn)，過大或過小的吸光度值都會影響測量的準確性，因此在本裝置中利用0.3～0.7的A487.6值與pH值進行線性擬合。由于該測量體系在每次pH值測量時均進行指示劑干擾校正，因此對指示劑的濃度和pH值精度要求不高。實驗證明，利用pH=7.4和pH=7.7的指示劑在該測量裝置中測定統(tǒng)一海水樣品，結(jié)果僅相差0.0012。

3.1.5指示劑濃度

由于計算公式中R為吸光度比值，因此海水pH值的大小并不取決于指示劑濃度，經(jīng)過校正后計算得出的pH值與指示劑濃度無關(guān)。在吸光度測量過程中，A487.6吸光度峰值高于0.8，A578的吸光度可達到1.5，過高的吸光度可能會影響pH值和指示劑濃度的線性關(guān)系，因此1 mmol/kg的指示劑濃度較為適合，指示劑濃度不宜過大。

3.2精密度與準確度

3.2.1精密度取青島棧橋附近海水樣品進行pH值測量。在指示劑不斷被稀釋吸光度減小的過程中，將 A487.6值與計算得出的pH值做線性回歸（圖3），圖3中所示海水樣品的pH=7.939。光度法測量海水pH值的精密度用標準偏差（SD）表示，多次測量該海水樣品，精密度為0.0013（n=14）。

計算殘差ΔpH值，即指示劑稀釋過程中pH值相對于線性擬合后pH值的差值（圖4），ΔpH值在-0.003～0.003范圍內(nèi)，大部分處于-0.002～0.002之間。

采集了青島沙子口、石老人、中苑碼頭附近海水，所測得pH值分別為8.031，7.926和7.985，測量精密度均可達到約0.001的水平。

3.2.2準確度

光度法測定的海水pH值為總氫離子標度。以A. Dickson（斯克里普斯海洋研究所）提供的基于總氫離子刻度的Tris緩沖溶液（BATCH #T27）作為標準物質(zhì)，檢驗本方法的測量準確度，該Tris緩沖溶液的pH值的偏差在0.002以內(nèi)，在25℃時pH=8.0935。利用本實驗裝置測量Tris緩沖溶液，所測結(jié)果與標準值的偏差為+0.0059。

本實驗采用的是未經(jīng)提純的間甲酚紫指示劑。有研究表明，未經(jīng)提純的不同品牌或不同批次的間甲酚紫指示劑存在系統(tǒng)誤差，會導(dǎo)致pH值測量偏差高達0.01[19]。對指示劑進行純化可以消除該誤差，目前已有文獻報道了指示劑的純化研究工作，并對指示劑的相關(guān)參數(shù)做了重新測定[20～22]。使用純化后的指示劑是光度法測量海水pH值的趨勢。

4結(jié) 論

相對于手工方法，本系統(tǒng)的測量環(huán)境較為封閉，測量速度快，無需另外進行指示劑校正的實驗，并且有較高的精密度和準確度，適合于在實驗室和調(diào)查船中對批量海水進行測量，可為基于光度法的高精度海水pH值傳感器的研制提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。

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AbstractSpectrophotometric seawater pH measurement system is an urgent need of device due to its quick speed and high precision. Based on spectrophotometric method and flow injection analysis technique， an automated system for pH measurement of seawater was developed by integrating pump and valve flow path， LED light source， flow cell and spectrophotometer. This measurement system effectively avoided bubbles. The indicator of concentration gradient in the seawater sample was used to correct for the pH perturbation caused by the indicator， thus the operation of system was simple and convenient. With this system， only 1.5 min was needed for a sample measurement with a precision of 0.0013 pH units and an offset of 0.0059 pH units. This system could be used for the rapid determination of pH of seawater collected by laboratory or research ship with high precision pH values.

KeywordsSpectrophotometry； Seawater； pH value； Flow injection analysis； mCresol purple