本发明提供一种基于敏感膜在线检测水体pH值的方法，包括以下步骤：制备敏感膜；配置pH值不同的缓冲溶液，获取敏感膜的吸收光谱；计算摩尔吸光系数比值e1、e2、e3和多组吸光度比值R；利用摩尔吸光系数比值和多组吸光度比值制备线性回归曲线，获得线性回归曲线的斜率1/n和截距pKa；将敏感膜浸入待测水体，计算当前条件下的吸光度比值R；将摩尔吸光系数比值e1、e2、e3，斜率1/n和截距pKa，当前条件下的吸光度比值RX代入公式，计算出待测水体的pH值。本发明同时还提出一种基于敏感膜在线检测水体pH值的检测装置。本发明具有检测精度高且使用灵活的优点。
1.一种基于敏感膜在线检测水体pH值的方法，其特征在于，包括以下步骤：
2)配置pH值不同的缓冲溶液，将步骤1)制备的敏感膜置于缓冲溶液中，测量并获取步骤1)制备的敏感膜的吸收光谱，并根据所述敏感膜的吸收光谱获取敏感膜的碱态最大吸收波长λ1和酸态最大吸收波长λ2，获得波长λ1和λ2时分别对应的吸光度A1、A2；
3)当缓冲溶液pH＝11-13时，步骤2)获取的吸光度A1、A2分别记为A1(I2-)、A2(I2-)；
当缓冲溶液pH＝4-6时，步骤2)获取的吸光度A1、A2分别记为
e1＝ε1(HI–)/ε2(HI–)＝A1(HI–)/A2(HI–)，e2＝ε1(I2–)/ε2(HI–)＝A1(I2–)/A2(HI–)，
e3＝ε2(I )/ε2(HI)＝A2(I )/A2(HI)，
4)将步骤1)制备的敏感膜分别置于pH＝6-11的缓冲溶液中，得到多组吸光度比值R，R＝A1/A2；
5)根据 利用步骤3)得到的摩尔吸光系数比值e1、e2、e3和
步骤4)得到的多组吸光度比值R制备线性回归曲线，获得线性回归曲线的斜率1/n和截距pKa；
6)将步骤1)获得的敏感膜浸入待测水体，获得波长λ1和λ2时分别对应的吸光度A1X、A2X，得到当前条件下的吸光度比值RX，RX＝A1X/A2X；
7)将步骤3)获得的摩尔吸光系数比值e1、e2、e3，步骤5)获得的斜率1/n和截距pKa，步骤
6)获得的吸光度比值RX代入公式 得到待测水体的pH值；
其中，所述敏感膜通过溶胶-凝胶法制备，具体包括以下步骤：
a.分别量取蒸馏水、无水乙醇、HCl、表面活性剂和正硅酸乙酯，称取pH敏感试剂，混合后在室温下搅拌至澄清；
c.通过旋转涂覆法或浸滞提拉法，利用步骤b所获得的老化后的溶液在玻璃片上制备凝胶膜；制备前，对玻璃片表面进行清洗活化；
2.根据权利要求1所述的基于敏感膜在线检测水体pH值的方法，其特征在于，测量敏感膜的吸收光谱具体包括以下步骤：e.配置pH值为5-12的缓冲溶液，并利用玻璃pH计校正；
f.将制备的敏感膜分别置于容纳有不同pH值的缓冲溶液的比色皿中，利用分光光度计或光谱仪进行测量，得到敏感膜在不同pH值条件下的敏感膜光谱；
g.根据所述敏感膜光谱观察制备的敏感膜的碱态最大吸收波长λ1和酸态最大吸收波长λ2。
3.根据权利要求1所述的基于敏感膜在线检测水体pH值的方法，其特征在于，采用所述步骤3)获取测量参数时，具体还包括以下步骤：i.将敏感膜浸入容纳有缓冲溶液的器皿中，其中制备所述敏感膜所用的pH敏感试剂为二元酸，缓冲溶液pH＝12；光源提供第一、二、三路稳定光源输出，其中第一路稳定光源输出的波长等于所述敏感膜的碱态最大吸收波长，第二路稳定光源输出的波长等于所述敏感膜的酸态最大吸收波长，第三路稳定光源输出的波长等于参比波长；计算参比光路对应光强IA0、IB0、IC0和测量光路对应光强IA1、IB1、IC1；计算吸光度A1(I2–)和A2(I2–)，其中ii.将敏感膜浸入容纳有缓冲溶液的器皿中，缓冲溶液pH＝5；光源提供第一、二、三路稳定光源输出，第一路稳定光源输出的波长等于所述敏感膜的碱态最大吸收波长，第二路稳定光源输出的波长等于所述敏感膜的酸态最大吸收波长，第三路稳定光源输出的波长等于参比波长；计算参比光路对应光强IA0、IB0、IC0和测量光路对应光强IA2、IB2、IC2；计算吸光度A1(HI–)和A2(HI–)，其中iii.计算摩尔吸光系数比值e1、e2、e3，其中e1＝A1(HI–)/A2(HI–)，e2＝A1(I2–)/A2(HI–)，e3＝A2(I2–)/A2(HI–)；
iv.获取吸光度比值R；将敏感膜分别浸入多个容纳有缓冲溶液的器皿中，其中缓冲溶液pH＝6～11；光源分别提供第一、二、三路稳定光源输出，第一路稳定光源输出的波长等于所述敏感膜的碱态最大吸收波长，第二路稳定光源输出的波长等于所述敏感膜的酸态最大吸收波长，第三路稳定光源输出的波长等于参比波长；计算多组参比光路对应光强IA0、IB0、IC0和测量光路对应光强IA、IB、IC；计算多组吸光度A1、A2，其中获取敏感
膜在不同pH值缓冲溶液中的多组吸光度比值R，R＝A1/A2。
4.一种采用如权利要求1至3任一项所述的基于敏感膜在线检测水体pH值方法的检测装置，包括光源组件、光路组件、信号采集组件和控制组件；其特征在于，还包括和外界水体接触的第一密封腔体和第二密封腔体，以及设置有pH敏感试剂的敏感膜；其中，所述光源组件设置在所述第一密封腔体中，用于提供多个波长的稳定光源输出；
所述光路组件包括与所述稳定光源输出对应设置的滤光片、聚光透镜、光耦合器、光纤和光学窗口；其中，所述光学窗口包括第一光学窗口和第二光学窗口，分别嵌入在第一密封腔体和第二密封腔体的对应侧壁上；所述聚光透镜包括第一聚光透镜和第二聚光透镜，所述第一聚光透镜和第二聚光透镜分别设置在第一密封腔体和第二密封腔体内；所述光源组件发出的光经滤光片、光耦合器后分为两部分，一部分为测量光，依次经第一聚光透镜、第一光学窗口、外界水体后射入敏感膜；经过所述敏感膜的光线依次经过第二光学窗口、第二聚光透镜后射向信号采集组件；另一部分为参比光，经光纤传导后射向信号采集组件；
所述信号采集组件设置在所述第二密封腔体中，用于进行光电转换并输出检测信号至控制组件；
所述控制组件用于接收信号采集组件输出的检测信号并在线计算外界水体的pH值。
5.根据权利要求4所述的检测装置，其特征在于，所述敏感膜设置在第一密封腔体和第二密封腔体之间且固定在所述第一光学窗口、第二光学窗口、石英或玻璃上。
6.根据权利要求5所述的检测装置，其特征在于，所述光源组件提供的第一路稳定光源输出的波长等于所述敏感膜的碱态最大吸收波长，第二路稳定光源输出的波长等于所述敏感膜的酸态最大吸收波长，第三路稳定光源输出的波长等于所述敏感膜完全无吸收的波长。
7.根据权利要求6所述的检测装置，其特征在于，所述滤光片包括与光源组件对应的第一窄带滤光片、第二窄带滤光片以及第三窄带滤光片；其中所述第一窄带滤光片的中心波长等于碱态最大吸收波长，第二窄带滤光片的中心波长等于酸态最大吸收波长，第三窄带滤光片的中心波长等于第三路稳定光源的中心波长。
8.根据权利要求7所述的检测装置，其特征在于，所述信号采集组件包括光电二极管、CCD和/或光电倍增管；所述光源组件包括独立设置的LED灯、激光和/或卤素灯。
9.根据权利要求4至8任一项所述的检测装置，其特征在于，所述pH敏感试剂为酚红、中性红、间甲酚紫或酚酞。
一种基于敏感膜在线检测水体pH值的方法及检测装置
技术领域
[0001] 本发明属于环境监测技术领域，具体地说，尤其涉及一种基于敏感膜在线检测水体pH值的方法及检测装置。
背景技术
[0002] pH值是水质监测和评价的重要参数，监测结果对于生态环境监测、海洋酸化、碳收支、地球化学循环均具有重要意义。
[0003] 现有技术中在线监测水体pH值的方法主要为电极法和光度法。电极法测量中使用的pH电极体积小、能耗低、可重复使用且测量频率高，但长期使用电位会发生漂移、信号容易受电磁干扰，存有精度低、需定期校准的缺陷。而基于指示剂注入的光度法采用多波长计算，具有精度高、免校正等特点，但仪器需要使用泵、阀、流通池、试剂袋、混合器等器件相互配合，存在体积大、能耗高、需定期更换试剂等缺点，同时指示剂本身可能也会引起溶液pH值的变化。基于敏感膜的水体pH值检测方法，具有可重复使用、无需化学试剂注入等优点，但指示剂的泄漏会影响测量结果，同时现有的单波长测定法存有测量精度低等缺点。
发明内容
[0004] 本发明提供一种基于敏感膜在线检测水体pH值的多波长测量方法，克服现有技术中检测精度低、指示剂泄漏引起测量结果偏差的缺点。
[0005] 本发明提供一种基于敏感膜在线检测水体pH值的检测方法，包括以下步骤：
[0006] 1)制备敏感膜；
[0007] 2)配置pH值不同的缓冲溶液，将步骤1)制备的敏感膜置于缓冲溶液中，测量并获取步骤1)制备的敏感膜的吸收光谱，并根据所述敏感膜的吸收光谱获取敏感膜的碱态最大吸收波长λ1和酸态最大吸收波长λ2，获得波长λ1和λ2时分别对应的吸光度A1、A2；
[0008] 3)当缓冲溶液pH＝11-13时，步骤2)获取的吸光度A1、A2分别记为A1(I2-)、A2(I2-)；当缓冲溶液pH＝4-6时，步骤2)获取的吸光度A1、A2分别记为A1(HI-)、A2(HI-)；利用式[0009] e1＝ε1(HI–)/ε2(HI–)＝A1(HI–)/A2(HI–)，
[0010] e2＝ε1(I2–)/ε2(HI–)＝A1(I2–)/A2(HI–)，
[0011] e3＝ε2(I2–)/ε2(HI–)＝A2(I2–)/A2(HI–)，
[0012] 获得摩尔吸光系数比值e1、e2、e3；
[0013] 4)将步骤1)制备的敏感膜分别置于pH＝6-11的缓冲溶液中，得到多组吸光度比值R，R＝A1/A2；
[0014] 5)根据 利用步骤3)得到的摩尔吸光系数比值e1、e2、e3和步骤4)得到的多组吸光度比值R制备线性回归曲线，获得线性回归曲线的斜率1/n和截距pKa；
[0015] 6)将步骤1)获得的敏感膜浸入待测水体，获得波长λ1和λ2时分别对应的吸光度A1X、A2X，得到当前条件下的吸光度比值RX，RX＝A1X/A2X；
[0016] 7)将步骤3)获得的摩尔吸光系数比值e1、e2、e3，步骤5)获得的斜率1/n和截距pKa，步骤6)获得的吸光度比值RX代入公式 获得待测水体的pH值。
[0017] 优选的，通过溶胶-凝胶法制备敏感膜，具体包括以下步骤：
[0018] a.分别量取蒸馏水、无水乙醇、HCl、表面活性剂和正硅酸乙酯，称取pH敏感试剂，混合后在室温下搅拌至澄清；
[0019] b.将步骤a所获得的溶胶液老化1至7天；
[0020] c.通过旋转涂覆法或浸滞提拉法，利用步骤b所获得的老化后的溶液在玻璃片上制备凝胶膜；制备前，对玻璃片表面进行清洗活化；
[0021] d.清洗烘干溶胶-凝胶涂覆的玻璃膜，获得敏感膜。
[0022] 优选的，测量敏感膜的吸收光谱具体包括以下步骤：
[0023] e.配置pH值为5-12的缓冲溶液，并利用玻璃pH计校正；
[0024] f.将步骤d制备的溶胶-凝胶涂覆的玻璃膜分别置于容纳有不同pH值的缓冲溶液的比色皿中，利用分光光度计或光谱仪进行测量，得到敏感膜在不同pH值条件下的敏感膜光谱；
[0025] g.根据所述敏感膜光谱，获取制备敏感膜的碱态最大吸收波长λ1和酸态最大吸收波长λ2。
[0026] 优选的，采用步骤3)计算测量参数具体包括以下步骤：
[0027] i.将敏感膜浸入容纳有缓冲溶液的器皿中，其中制备所述敏感膜所用的pH敏感试剂为二元酸，缓冲溶液pH＝12；光源提供第一、二、三路稳定光源输出，其中第一路稳定光源输出的波长等于所述敏感膜的碱态最大吸收波长，第二路稳定光源输出的波长等于所述敏感膜的酸态最大吸收波长，第三路稳定光源输出的波长等于参比波长；计算参比光路对应2– 2–
光强IA0、IB0、IC0和测量光路对应光强IA1、IB1、IC1；计算吸光度A1(I )和A2(I )，其中[0028] ii.将敏感膜浸入容纳有缓冲溶液的器皿中，缓冲溶液pH＝5；光源提供第一、二、三路稳定光源输出，第一路稳定光源输出的波长等于所述敏感膜的碱态最大吸收波长，第二路稳定光源输出的波长等于所述敏感膜的酸态最大吸收波长，第三路稳定光源输出的波长等于参比波长；计算参比光路对应光强IA0、IB0、IC0和测量光路对应光强IA2、IB2、IC2；计算吸光度A1(HI–)和A2(HI–)，其中
[0029] iii.计算摩尔吸光系数比值e1、e2、e3，其中e1＝A1(HI–)/A2(HI–)，e2＝A1(I2–)/A2(HI–)，e3＝A2(I2–)/A2(HI–)；
[0030] iv.获取吸光度比值R；将敏感膜分别浸入多个容纳有缓冲溶液的器皿中，其中缓冲溶液pH＝6～11；光源组件分别提供第一、二、三路稳定光源输出，计算多组参比光路对应光强IA0、IB0、IC0和测量光路对应光强IA、IB、IC；计算多组吸光度A1、A2，其中获取敏感膜在不同pH
值缓冲溶液中的吸光度比值R，R＝A1/A2。
[0031] 本发明所提出的检测方法，确保水体测量和指示剂变色的pH值范围内pH值和吸光度呈线性关系。检测的pH值仅取决于检测待测水体吸光度比值RX这一单一参数，显色剂浓度不会影响检测值，可以有效避免指示剂泄漏造成的基线漂移。
[0032] 本发明同时提供了一种采用上述检测方法的基于敏感膜在线检测水体pH值的检测装置，包括光源组件、光路组件、信号采集组件和控制组件；还包括和外界水体接触的第一密封腔体和第二密封腔体，以及设置有pH敏感试剂的敏感膜；其中，所述光源组件设置在所述第一密封腔体中，用于提供多个波长的稳定光源输出；所述光路组件包括与所述稳定光源输出对应设置的滤光片、聚光透镜、光耦合器、光纤和光学窗口；其中，所述光学窗口包括第一光学窗口和第二光学窗口，分别嵌入在第一密封腔体和第二密封腔体的对应侧壁
上；所述聚光透镜包括第一聚光透镜和第二聚光透镜，所述第一聚光透镜和第二聚光透镜分别设置在第一密封腔体和第二密封腔体内；所述光源组件发出的光经滤光片、光耦合器后分为两部分，一部分为测量光，依次经第一聚光透镜、第一光学窗口、外界水体后射入敏感膜；经过所述敏感膜的光线依次经过第二光学窗口、第二聚光透镜后射向信号采集组件；
另一部分为参比光，经光纤传导后射向信号采集组件；所述信号采集组件设置在所述第二密封腔体中，用于进行光电转换并输出检测信号至控制组件；所述控制组件用于接收信号采集组件输出的检测信号并在线计算外界水体的pH值。
[0033] 进一步的，所述敏感膜设置在第一密封腔体和第二密封腔体之间且固定在所述第一光学窗口、第二光学窗口、石英或玻璃上。
[0034] 优选的，所述光源组件提供的第一路稳定光源输出的波长等于所述敏感膜的碱态最大吸收波长，第二路稳定光源输出的波长等于所述敏感膜的酸态最大吸收波长，第三路稳定光源输出的波长等于所述敏感膜完全无吸收的波长。
[0035] 优选的，所述滤光片包括与光源组件对应的第一窄带滤光片、第二窄带滤光片以及第三窄带滤光片；其中所述第一窄带滤光片的中心波长等于碱态最大吸收波长，第二窄带滤光片的中心波长等于酸态最大吸收波长，第三窄带滤光片的中心波长等于第三路稳定光源的中心波长。
[0036] 优选的，所述信号采集组件包括光电二极管、CCD和/或光电倍增管；所述光源组件包括独立设置的LED灯、激光和/或卤素灯。
[0037] 优选的，所述pH敏感试剂为酚红、中性红、间甲酚紫或酚酞。
[0038] 本发明所提供的基于敏感膜在线检测水体pH值的检测装置，无需外加试剂的注入、集成度高、体积小、能耗低、可重复使用、适合在线检测。
附图说明
[0039] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0040] 图1为采用本发明所提出的基于敏感膜在线检测水体pH值的方法的检测装置第一实施例的结构示意图；
[0041] 图2为本发明中获取的敏感膜光谱图；
[0042] 图3为本发明中制备的回归曲线示意图。
具体实施方式
[0043] 为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0044] 本实施例所提出基于敏感膜在线检测水体pH值的方法的基本原理如下：以二元酸pH敏感试剂(记为H2I)为例，其二级电离常数与待测水体的pH值接近。当敏感膜与水体接触时，固定设置在敏感膜中的敏感试剂与水体中的H+发生可逆反应，电离生成酸态的HI–和碱态的I2–。该电离平衡可写为：
[0045]
[0046] 由此可得pH值为：
[0047]
[0048] 式中Ka为电离常数(Ka＝[H+][I2-]/[HI-])，pKa＝-log10(Ka)。
[0049] 水体中酸态的HI–和碱态的I2–具有不同的光谱特征，其最大吸收波长和摩尔吸光系数不同。利用溶胶–凝胶法制备的敏感膜测量pH时，厚度约为1μm敏感膜获得的吸光度可为0.2–0.6，因此吸光度与摩尔浓度不严格遵守比尔–朗伯定律。即吸光度与摩尔浓度不呈线性关系，而是呈指数关系。所以吸光度计算公式可写为：
[0050] A1＝ε1(HI-)[HI-]nl+ε1(I2-)[I2-]nl (3)
[0051] A2＝ε2(HI-)[HI-]nl+ε2(I2-)[I2-]nl (4)
[0052] 式中ε1(HI-)、ε2(HI-)、ε1(I2-)、ε2(I2-)、分别为碱态最大吸收波长λ1和酸态最大吸收波长λ2时碱态I2–、酸态HI–的摩尔吸光系数，n为指数系数，l为光程长度，A1、A2分为吸光度。
[0053] 由式(3)、(4)可得：
[0054]
[0055] 令R＝A1/A2，e1＝ε1(HI–)/ε2(HI–)，e2＝ε1(I2–)/ε2(HI–)，e3＝ε2(I2–)/ε2(HI–)，由式(2)、(5)可得：
[0056]
[0057] 敏感膜中pH敏感试剂的固定形态一定时，测量参数(摩尔吸光系数比值e1、e2、e3和指数系数n)均为常数。当测量参数确定时，pH测量值只与吸光度比值R有关。由式(6)可知，在水体测量和指示剂变色的pH范围内pH和吸光度呈线性关系。吸光度比值R由pH敏感试剂中碱态I2–、酸态HI–所占比例的决定，而与敏感膜中固定的敏感试剂总量无关。因此，在此种条件下，pH计算值与固定态的敏感试剂总量无关。
[0058] pH值较低时，敏感膜中pH敏感试剂存在形式以酸态为主，此时[I2–]+[HI–]≈[HI–]；pH值较高时，敏感膜中pH敏感试剂存在形式以碱态为主，此时[I2–]+[HI–]≈[I2–]。因此，当缓冲溶液的pH值较低或较高时，在波长λ1和λ2处获取的吸光度A1、A2可分别记为A1(HI-)、A2(HI-)、A1(I2-)、A2(I2-)。由于浓度和光程长度相同，此时：
[0059] e1＝ε1(HI–)/ε2(HI–)＝A1(HI–)/A2(HI–)
[0060] e2＝ε1(I2–)/ε2(HI–)＝A1(I2–)/A2(HI–)
[0061] e3＝ε2(I2–)/ε2(HI–)＝A2(I2–)/A2(HI–)
[0062] 计算可得摩尔吸光系数比值e1、e2、e3。
[0063] 进一步将敏感膜置于pH值不同的缓冲溶液中，则可以测量出敏感膜在不同pH值缓冲溶液中的多组吸光度比值R。
[0064] 根据摩尔吸光系数比值e1、e2、e3和在不同pH值缓冲溶液中获取的吸光度比值R，利用公式(6)可得线性回归方程。利用线性回归方程的斜率和截距可计算得公式(6)中的测量参数n和pKa。这样，通过测量单一参数，也就是待测水体的吸光度比值即可以计算出待测水体的pH值。
[0065] 下面通过第一实施例对本发明所提供的基于敏感膜在线检测水体pH值的检测方法作进一步说明。
[0066] 首先制备敏感膜。选取酚红作为pH敏感试剂，选取Triton X-100为表面活性剂。量取5.0ml蒸馏水，5.0ml无水乙醇，3.0ml 0.1M的HCl，0.2ml Triton X-100和10.0ml正硅酸乙酯(TEOS)，称取40mg酚红，混合后在室温下搅拌至澄清。将制备的溶胶溶液老化一天后用于玻璃镀膜。
[0067] 玻璃片(3cm×0.9cm×1.1mm)放置于浓硝酸中2h，先后用蒸馏水和无水乙醇清洗，并在120℃条件下烘干，得清洁活化的玻璃片。将活化后的玻璃片放置在旋转涂覆机上，表面滴入200μL老化后的溶胶液，并在转速为1900rpm时旋转30s。涂覆后的玻璃片放置在40℃烘箱中烘干48h后，先后利用蒸馏水和无水乙醇清洗，制备得到敏感膜。
[0068] 利用0.2M NaOAc，0.3M HOAc，0.2M Na2HPO4，0.3M NaH2PO4，0.05M Na2B4O7，0.2M H3BO3和0.1M Na2CO3配置pH值分别为5–12的缓冲溶液。缓冲溶液利用玻璃pH计校正，利用0.1M HCl或0.1M NaOH将缓冲溶液调节至所需pH值。
[0069] 将溶胶-凝胶涂覆的敏感膜分别置于含有不同pH值缓冲液的比色皿中，利用分光光度计或光谱仪进行测量，得到不同pH值时敏感膜的光谱。参见图2所示，由敏感膜的光谱，可得出HI–和I2–的最大吸收波长分为445nm、560nm。
[0070] 第一、二、三光源输出稳定光源输出，优选均为LED灯，其中第一、二、三光源的中心波长分别约为560nm、445nm、810nm。其中第一路稳定光源输出的波长等于所述敏感膜的碱态最大吸收波长，第二路稳定光源输出的波长等于敏感膜的酸态最大吸收波长，第三路稳定光源输出的波长等于敏感膜完全无吸收的波长，即参比光源。
[0071] 采用本实施例所提供的检测装置在线检测水体pH值的方法，还包括以下步骤：
[0072] 1)将敏感膜浸入容纳有缓冲溶液的器皿中，缓冲溶液pH＝12；第一、二、三路光源提供稳定光源输出，计算参比光路对应光强IA0、IB0、IC0和测量光路对应光强IA1、IB1、IC1；计算吸光度A1(I2–)和A2(I2–)，其中
[0073] 2)将敏感膜浸入容纳有缓冲溶液的器皿中，缓冲溶液pH＝5；第一、二、三路光源提供稳定光源输出，计算参比光路对应光强IA0、IB0、IC0和测量光路对应光强IA2、IB2、IC2；计算吸光度A1(HI–)和A2(HI–)，其中
[0074] 3)计算摩尔吸光系数比值e1、e2、e3，其中e1＝A1(HI–)/A2(HI–)，e2＝A1(I2–)/A2(HI–)，e3＝A2(I2–)/A2(HI–)。计算可得e1＝0.0507，e2＝1.501，e3＝0.3687。
[0075] 4)将敏感膜分别浸入多个容纳有缓冲溶液的器皿中，其中缓冲溶液pH＝6～11；光源分别提供第一、二、三路稳定光源输出，分别计算敏感膜置于每一pH值缓冲溶液中的参比光路对应光强IA0、IB0、IC0和测量光路对应光强IA、IB、IC；计算多组吸光度A1、A2，其中获取敏感膜在不同pH值缓冲溶液中的吸光度比值R，R＝A1/A2。至少测量5至6组吸光度比值。
[0076] 5)根据 利用摩尔吸光系数比值e1、e2、e3和步骤4)计算的多个吸光度比值R制备线性回归方程：获得线性回归方程的斜率和截距，如图3所示，其中斜率等于1/n，截距等于pKa。计算可得n＝1/2.5441＝0.393，pKa＝8.6116。
[0077] 6)将敏感膜浸入待测溶液中，光源提供第一、二、三路稳定光源输出，计算参比光路对应光强IA0、IB0、IC0和测量光路对应光强IAX、IBX、ICX；计算吸光度A1X和A2X，其中[0078] 计算得出待测水体的吸光度A1X＝0.1812，A2X＝0.2105，可得吸光度比值RX＝0.8608。
[0079] 7)将n＝0.393，pKa＝8.6116，e1＝0.0507，e2＝1.501，e3＝0.3687，RX＝0.8608代入公式 计算可得待测溶液pH＝8.193。pH值的检测精度可以达到0.001。
[0080] 参见图1所示为应用本发明所提出的基于敏感膜在线检测水体pH值检测方法的一种检测装置的结构示意图，主要包括光源组件、光路组件、信号采集组件、控制组件和设置有pH敏感试剂的敏感膜。水体中的H+与pH敏感试剂进行可逆的相互作用，发生表面颜色的变化，从而引起敏感膜吸光度的变化。基于pH敏感膜采用该方法和该装置计算pH值时，显色剂的泄漏不会影响测量结果，检测精度高，具有可重复使用、体积小、抗电磁干扰性能强且无污染等优点。
[0081] 具体来说，检测装置中包括第一密封腔体1和第二密封腔体2，第一密封腔体1和第二密封腔体2的外壁与外界水体接触。光源组件4设置在第一密封腔体1中，用于提供多个波长的稳定光源输出，开关电路3控制光源组件4的开关。光路组件包括与稳定光源输出对应设置的滤光片5、聚光透镜、光耦合器6、光纤7和光学窗口。光学窗口包括第一光学窗口9和第二光学窗口11，第一光学窗口9和第二光学窗口11分别对应嵌入第一密封腔体1和第二密封腔体2的侧壁中，第一光学窗口9和第二光学窗口11的外表面与外界水体接触。聚光透镜包括第一聚光透镜8和第二聚光透镜12，第一聚光透镜8设置在第一密封腔体1内，第二聚光透镜12设置在第二密封腔体2内。光源组件发出的光经滤光片5、光耦合器6后分为两部分，一部分为测量光，依次经第一聚光透镜8、第一光学窗口9、外界水体后射入敏感膜10；经过敏感膜10的光线依次经过第二光学窗口11、第二聚光透镜12后射向信号采集组件13；另一部分为参比光，经光纤7传导后射向信号采集组件13；信号采集组件13设置在第二密封腔体2中，用于进行光电转换输出检测信号至控制组件14。控制组件14用于接收信号采集组件13输出的检测信号并在线计算外界水体的pH值。信号采集组件13为光电转换元件，包括光电二极管、CCD或光电倍增管中的一种或几种。控制组件14为处理器或可以实现相应功能的单片机或集成电路。
[0082] 敏感膜10中使用的敏感试剂为酚红、中性红、间甲酚紫或酚酞的其中一种，采用溶胶-凝胶法制备敏感膜。制备敏感膜10的方法具体包括：
[0083] a，量取2-10ml蒸馏水，2-10ml无水乙醇，1-5ml 0.1M的HCl，1-100mg敏感试剂，0-0.5ml的表面活性剂和0-20ml的正硅酸乙酯(TEOS)，其中表面活性剂可为阳离子型、阴离子型或中型的其中一种。将各成分混合后在室温下搅拌至澄清。
[0084] b.将步骤a所获得的溶胶液老化1至7天。
[0085] c.通过旋转涂覆法或浸滞提拉法，利用步骤b所获得的老化后的溶液在玻璃片上制备凝胶膜；制备前，对玻璃片表面进行清洗活化。
[0086] d.清洗烘干溶胶-凝胶涂覆的玻璃膜，得到敏感膜。将玻璃膜设置在第一密封腔体1和第二密封腔体2之间。具体来说，将玻璃膜固定在第一光学窗口9或第二光学窗口11与外界水体接触的一面、或石英、玻璃上。
[0087] 为确定测量参数，需要获取制备的敏感膜10的光谱。制备敏感膜光谱具体包括以下步骤：
[0088] e.配置pH值为5-12的缓冲溶液，利用玻璃pH计校正缓冲溶液；
[0089] f.将溶胶-凝胶涂覆的玻璃膜分别置于容纳有不同pH值的缓冲溶液的比色皿中，利用分光光度计或光谱仪进行测量，得到敏感膜在不同pH值条件下的敏感膜光谱；
[0090] g.根据敏感膜光谱得到碱态最大吸收波长λ1和酸态最大吸收波长λ2。
[0091] 如图1所示，光源组件包括三个发光光源41、42、43以分别提供第一、二、三路稳定光源输出。发光光源可以分别为LED灯、激光和卤素灯。第一路稳定光源输出和第二路稳定光源输出为测量光源，第三路稳定光源输出为参比光源。第一路稳定光源输出的波长与λ1接近或相等，第二路稳定光源输出的波长与λ2接近或相等，第三路稳定光源输出的波长与敏感膜完全无吸收的波长接近或相等。对应的，滤光片包括第一窄带滤光片51、第二窄带滤光片52以及第三窄带滤光片53，其中第一窄带滤光片51的中心波长与λ1接近或相等，第二窄带滤光片52的中心波长与λ2接近或相等，第三窄带滤光片53的中心波长与第三路稳定光源的中心波长接近或相等。
[0092] pH值较低时，[I2–]+[HI–]≈[HI–]；pH值较高时，[I2–]+[HI–]≈[I2–]。因此测量时，首先将检测装置浸入容纳有缓冲溶液的器皿中，缓冲溶液pH＝12。三个发光光源41、42、43提供稳定光源输出，信号采集组件13采集检测信号输出至控制组件14，控制组件14计算参比光路对应光强IA0、IB0、IC0和测量光路对应光强IA1、IB1、IC1；计算吸光度A1(I2–)和A2(I2–)，其中
[0093] 然后将检测装置浸入容纳有缓冲溶液的器皿中，缓冲溶液pH＝5；光源组件提供第一、二、三路稳定光源输出，信号采集组件13采集检测信号输出至控制组件14，所述控制组件14计算参比光路对应光强IA0、IB0、IC0和测量光路对应光强IA2、IB2、IC2；计算吸光度A1(HI–)和A2(HI–)，其中
[0094] 控制组件14计算摩尔吸光系数比值e1、e2、e3，其中e1＝A1(HI–)/A2(HI–)，e2＝A1(I2–)/A2(HI–)，e3＝A2(I2–)/A2(HI–)。
[0095] 计算吸光度比值R。将检测装置分别进入多个容纳有缓冲溶液的器皿中。缓冲溶液的pH＝6～11。光源组件分别提供第一、二、三路稳定光源输出，信号采集组件13采集检测信号输出至控制组件14。控制组件14计算参比光路对应光强IA0、IB0、IC0和测量光路对应光强IA、IB、IC；计算吸光度A1、A2，其中获取敏感膜10在不同pH值缓冲溶液中的多组吸光度比值R，R＝A1/A2。获取5至6组数据为佳，也可以根据实际需要获取更多组数据。
[0096] 控制组件14根据式(6)和摩尔吸光系数比值e1、e2、e3和步骤4计算的多个吸光度比值R制备线性回归方程。将e1、e2、e3以及多个吸光度比值一一代入式(6)制备回归曲线，得到线性回归方程L。控制组件14计算回归方程的斜率为1/n，截距为pKa。
[0097] 在获得所有测量参数后，根据式 检测时外界水体中的pH值仅与敏感膜在待测水体中的吸光度比值R有关。将检测装置浸入待测溶液中，光源组件提供第一、二、三路稳定光源输出，信号采集组件13采集检测信号输出至控制组件14，控制组件14计算参比光路对应光强IA0、IB0、IC0和测量光路对应光强IAX、IBX、ICX；计算吸光度A1X和A2X，得到当前条件下的吸光度比值RX，其中
根据e1、e2、e3和斜率1/n、截距pKa，控制组件14可以在线
计算并输出待测溶液的pH值，其中
[0098] 上述实施例所提出的基于敏感膜在线检测水体pH值的检测方法和检测装置，基于敏感膜技术，无需注入外加试剂，装置集成度高、体积小、能耗低，便于携带，可以重复使用，具有检测精度高、自动化程度高的优点。所提出的检测方法，在水体测量和指示剂变色的pH值范围内pH值和吸光度呈线性关系。检测的pH值仅取决于吸光度比值R这一单一参数，显色剂浓度不会影响检测值，可以有效避免指示剂泄漏造成的基线漂移。
[0099] 最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
