一种可应用于海水中痕量铵氮分析的便携式荧光检测器

摘要

本发明提供一种可应用于海水中痕量铵氮分析的便携式荧光检测器，包括电源、恒流电路、恒压电路、光源、第一单色器、第二单色器、荧光流通池、光电倍增管和检测安装装置；电源通过恒流电路与光源连接，电源通过恒压电路与光电倍增管连接，所述检测安装装置包括安装壳体和壳盖，在安装壳体的一侧面上设有用于嵌置荧光流通池的槽沟Ⅰ以及用于嵌置第一单色器的槽口Ⅰ、用于嵌置第二单色器的槽口Ⅱ。本发明避免海水样品在运输、保存过程中引入污染，满足铵氮通常需要在现场或原位测定，须使用小型化、稳定性好的要求。本发明研究运用模块化、小型化、专用化、智能化的设计理念，研制一种可应用于痕量铵氮分析的便携式荧光检测器，并考察检测器的性能。

权利要求

1.一种可应用于海水中痕量铵氮分析的便携式荧光检测器，其特征在于，包括电源、恒流电路、恒压电路、光源、第一单色器、第二单色器、荧光流通池(2)、光电倍增管(3)和检测安装装置(1)；

电源通过恒流电路与光源连接，电源通过恒压电路与光电倍增管(3 )连接，所述检测安装装置(1)包括安装壳体(11)和壳盖(12)，在安装壳体(11)的一侧面上设有用于嵌置荧光流通池(2)的槽沟Ⅰ以及用于嵌置第一单色器(141)的槽口Ⅰ、用于嵌置第二单色器(142)的槽口Ⅱ；

在壳盖(12)一侧面上设有用于嵌置荧光流通池(2)的槽沟Ⅱ(15)以及用于嵌置第一单色器(141)的槽孔Ⅰ(171)、用于嵌置第二单色器(142)的槽孔Ⅱ(172)；

将安装壳体(11)和壳盖(12)夹紧使得荧光流通池(2)紧密地嵌置在槽沟Ⅰ和槽沟Ⅱ(15)内、第一单色器(141)嵌置在槽口Ⅰ和槽孔Ⅰ(171)内、第二单色器(142)嵌置在槽口Ⅱ和槽孔Ⅱ(172)内；

荧光流通池(2)包括进水管路(21)、出水管路(22)、流通池腔体、两个激发光窗口和一个发射光窗口，进水管路(21)和出水管路(22)是由荧光流通池(2)的顶端进入并与流通池腔体相连通，其中：流通池腔体呈黑色状，两个激发光窗口和一个发射光窗口均呈白色透明状；

在安装壳体(11)内设有两个激发光通道和一个发射光通道，槽口Ⅰ和槽口Ⅱ分别与对应的激发光通道相互连通，安装在两个激发光通道外端的光源(131)发出的光分别经过第一单色器(141)、第二单色器(142)并沿着各自激发光通道、激发光窗口照射进入荧光流通池(2)的流通池腔体内，并使其产生荧光信号；光电倍增管经过第三单色器沿着发射光通道、发射光窗口能够接收流通池腔体内的荧光信号；

两个激发光窗口和一个发射光窗口分别开设在荧光流通池(2)的不同侧面上，所述荧光流通池(2)呈四棱柱体状，两个激发窗口分别位于荧光流通池(2)两个相对侧面上，光源发出的光经过第一单色器并沿着激发光通道、对准荧光流通池(2)上的激发光窗口进入流通池腔体内；光电倍增管经过第三单色器沿着发射光通道、对准发射光窗口接收流通池腔体内的荧光信号；

荧光流通池(2)的外形大小：长×宽×高为12.5mm×12.5mm×45mm，流通池腔体大小：

长×宽×高为5mm×5mm×5mm，两个激发光窗口大小：长×高均为5mm×3mm，发射光窗口大小：长×高均为5mm×5mm。

2.根据权利要求1中所述的一种可应用于海水中痕量铵氮分析的便携式荧光检测器，其特征在于，光源(131)为365nm UV-LED，荧光流通池(2)采用石英材质。

3.根据权利要求1中所述的一种可应用于海水中痕量铵氮分析的便携式荧光检测器，其特征在于，第一单色器包括中心波长为365nm、半波带宽为15±2nm的激发光滤光片，第三单色器包括中心波长为425nm、半波带宽为15±2nm的发射光滤光片。

说明书

一种可应用于海水中痕量铵氮分析的便携式荧光检测器

技术领域

[0001] 本发明属于应用海洋设备仪器技术领域，尤其涉及一种可应用于海水中痕量铵氮分析的便携式荧光检测器。

背景技术

[0002] 荧光检测器作为荧光光度法的核心硬件，灵敏度及性能参数直接影响测定方法的性能。目前，研究者使用的铵氮荧光检测器通常是体积较大的商品仪器。如Amornthammarong等[1,2]使用F1080(日本Hitachi公司)和L-2485荧光检测器(日本Hitachi公司)；Waich等[3]使用LS-50B荧光检测器(美国PerkinElmer公司)；Huang等[4]使用L-7480[5](日本Hitachi公司)荧光检测器；Frank等 使用F1000(日本Hitachi公司)荧光检测器。大部分检测器是高效液相色谱(HPLC，High Performance Liquid Chromatography)中配用的荧光检测器，体积较大，价格昂贵，且因荧光流通池较小，池压较大。

[0003] 当前分析仪器在经典的光学、化学和电子学的基础上，借助计算机硬件和软件，向[6]智能化方向发展。模块化、小型化、专用化，是当前分析仪器的主要设计思路 。仪器的模块化是将仪器中功能相同或相关的硬件单元归类，设计成各种模块[7]。小型化和轻量化则是尽可能减少仪器对实验室空间的占用，或更加便携，利于使用者操作。专用化指的是去除普通仪器的其他功能，使用较为简单的部件取代多功能的复杂结构，如在分光光度计中使用滤光片代替棱镜或光栅。模块化、小型化、专用化不仅减小仪器体积，而且增强抗震性，更加适应在环境现场中使用。

发明内容

[0004] 为了解决上述的技术问题，本发明的目的是提供一种能够避免海水样品在运输、保存过程中引入污染，铵氮通常需要在现场或原位测定，须使用小型化、稳定性好的便携式荧光检测器。本发明研究运用模块化、小型化、专用化、智能化的设计理念，研制一种可应用于海水中痕量铵氮分析的便携式荧光检测器，并考察检测器的性能。

[0005] 为了达到上述的目的，本发明采用了以下的技术方案：

[0006] 本发明提供一种可应用于痕量铵氮分析的便携式荧光检测器，包括电源、恒流电路、恒压电路、光源、第一单色器、第二单色器、荧光流通池(2)、光电倍增管(PMT)(3)和检测安装装置(1)；

[0007] 电源通过恒流电路与光源连接，电源通过恒压电路与光电倍增管(PMT)(2)连接，所述检测安装装置(1)包括安装壳体(11)和壳盖(12)，在安装壳体(11)的一侧面上设有用于嵌置荧光流通池(2)的槽沟Ⅰ以及用于嵌置第一单色器(141)的槽口Ⅰ、用于嵌置第二单色器(142)的槽口Ⅱ；

[0008] 在壳盖(12)一侧面上设有用于嵌置荧光流通池(2)的槽沟Ⅱ(15)以及用于嵌置第一单色器(141)的槽孔Ⅰ(171)、用于嵌置第二单色器(142)的槽孔Ⅱ(172)；

[0009] 在将安装壳体(11)和壳盖(12)夹紧使得荧光流通池(2)紧密地嵌置在槽沟Ⅰ和槽沟Ⅱ(15)内、第一单色器(141)嵌置在槽口Ⅰ和槽孔Ⅰ(171)内、第二单色器(142)嵌置在槽口Ⅱ和槽孔Ⅱ(172)内；

[0010] 荧光流通池(2)包括进水管路(21)、出水管路(22)、流通池腔体、两个激发光窗口和一个发射光窗口，进水管路(21)和出水管路(22)是由荧光流通池(2)的顶端进入并与流通池腔体相连通，其中：流通池腔体呈黑色状，两个激发光窗口和一个发射光窗口均呈白色透明状；

[0011] 在安装壳体(11)内设有两个激发光通道和一个发射光通道，槽口Ⅰ和槽口Ⅱ分别与对应的激发光通道相互连通，安装在两个激发光通道外端的光源(131)发出的光分别经过第一单色器(141)、第二单色器(142)并沿着各自激发光通道、激发光窗口照射进入荧光流通池(2)的流通池腔体内，并使其产生荧光信号；

[0012] 光电倍增管(PMT)经过第三单色器沿着发射光通道、发射光窗口能够接收流通池腔体内的荧光信号。

[0013] 作为优选：两个激发光窗口和一个发射光窗口分别开设在荧光流通池(2)的不同侧面上，所述荧光流通池(2)呈四棱柱体状，两个激发窗口分别位于荧光流通池(2)两个相对侧面上，光源发出的光经过第一单色器并沿着激发光通道、对准荧光流通池(2)上的激发光窗口进入流通池腔体内；光电倍增管(PMT)经过第三单色器沿着发射光通道、对准发射光窗口接收流通池腔体内的荧光信号。

[0014] 作为优选：荧光流通池(2)的外形大小：长×宽×高为12.5mm×12.5mm×45mm，流通池腔体大小：长×宽×高为5mm×5mm×5mm，两个激发光窗口大小：长×高均为5mm×3mm，发射光窗口大小：长×高均为5mm×5mm。

[0015] 作为优选：光源为365nm UV-LED，荧光流通池(2)是采用石英材质。

[0016] 作为优选：第一单色器包括中心波长为365nm、半波带宽为15±2nm的激发光滤光片，第三单色器包括中心波长为425nm、半波带宽为15±2nm的发射光滤光片。

[0017] 与现有技术相比，本发明有益效果是：

[0018] 本发明提供了一种专用于痕量铵氮分析的便携式荧光检测器。其包括UV-LED光源、滤光片、模块化PMT检测元件、订制加工的荧光流通池及自行设计加工的固定模块。本发明荧光检测器使用恒压电路为PMT供电，使用恒流电路为UV-LED供电，减小了信号的波动。90min内连续测定100nmol/L的铵氮标样，RSD为0.8％(n＝38)，说明本发明荧光检测器稳定性较好。比较本发明荧光检测器与商品PMT-FL荧光检测器，本发明荧光检测器体积小，重量轻，价格便宜，稳定性略优于商品检测器。若定义工作曲线斜率为灵敏度，则本发明荧光检测器的灵敏度比PMT-FL荧光检测器高约11.4％。而且，本发明荧光检测器可有效避免气泡对信号的干扰。

附图说明

[0019] 图1为本发明中便携式荧光检测器的原理示意图。

[0020] 图2为本发明中最终选择使用的荧光流通池的示意图。

[0021] 图3是用USB2000+光纤光谱仪(美国Ocean Optics公司)作为检测器，扫描UV-LED的发射光谱的示意图。

[0022] 图4卤钨灯+激发光滤光片的发射光谱的示意图。

[0023] 图5卤钨灯+发射光滤光片的发射光谱的示意图。

[0024] 图6本发明的供电电路设计图。

[0025] 图7本发明中PMT、LED、滤光片及荧光流通池未组装时示意图。

[0026] 图8本发明中PMT、LED、滤光片及荧光流通池组装一体后示意图。

[0027] 图9本发明荧光检测器的稳定性试验

[0028] 图10本发明荧光检测器与PMT-FL检测器测定铵氮的工作曲线(A，本发明荧光检测器；B，PMT-FL检测器)

[0029] 图11为本发明中改造前后的荧光流通池示意图。

[0030] 图12为本发明荧光检测器与PMT-FL的检测信号(A，本发明荧光检测器；B，PMT-FL检测器)。

[0031] 附图标记：检测安装装置(1)，荧光流通池(2)，光电倍增管(3)，

[0032] 安装壳体(11)，壳盖(12)，第一单色器(141)，第二单色器(142)，槽孔Ⅰ(171)，槽孔Ⅱ(172)，进水管路(21)，出水管路(22)，光源(131)。

具体实施方式

[0033] 下面结合附图对本发明的具体实施方式做一个详细的说明。

[0034] 1.2设计思路

[0035] 如图1～12所示，本发明提供一种可应用于海水中痕量铵氮分析的便携式荧光检测器，主要包括光源、单色器(第一单色器和第二单色器)、荧光流通池和光电倍增管4个部分，图1为便携式荧光检测器的示意图。由光源发出的光，经第一单色器(又称激发光单色器)后，分离出所需要的激发光波长，用以激发被测分子，被激发分子跃迁回基态时，向四面八方发射荧光。为消除入射光及散射光对荧光检测的影响，选择在与激发光垂直的方向检测荧光，并添加第二单色器。光强信号被光电倍增管(PMT)接收，再经过一系列模数转换及信号放大，得到数字化的荧光信号[8]。

[0036] 本章研究痕量铵氮分析专用的便携式荧光检测器。使用体积小、稳定性好的紫外发光二极管(UV-LED，Ultraviolet-Light Emitting Diode)作为光源，滤光片作为单色器，自行设计荧光流通池，使其具备不受气泡影响的功能。用高灵敏度、模块化的光电倍增管(PMT，Photomultiplier Tube)检测荧光。供电电路中，使用恒流电路为UV-LED供电，恒压电路为光电倍增管(PMT)供电，以确保输出信号具有较高的信噪比。

[0037] 1.3仪器制作

[0038] 本发明中的便携式荧光检测器的制作主要从荧光流通池的设计，光源、单色器及检测元件的选择，供电电路的设计制作，检测器外壳制作等几个方面入手。

[0039] 1.3.1荧光流通池的设计

[0040] 荧光流通池是本发明中的便携式荧光检测器的核心部件之一，应满足以下几个条件：(1)荧光流通池的池体积要小，防止被测物与载流过度混合而影响信号的峰高和峰形；(2)入射光和发射光的光路设计要合理，以避免激发光和发射光在光路上过份损失；(3)入射光窗口和检测窗口要足够大，以保证灵敏度；(4)荧光流通池要利于气泡的排出。由于铵氮衍生物的激发波长在紫外光区(365nm)，荧光流通池材料宜选用石英。近几年，研究者也尝试研制新的荧光流通池[9]。如Horstkotte等[10]于2011年，使用有机玻璃制作了一种新的荧光流通池，测定海水痕量铵氮，方法检出限为13nmol/L。该荧光流通池经济实用，但是，一部分荧光会被PMMA吸收；而且PMMA不耐酸碱，易溶于有机溶剂。2013年，Amornthammarong等[11]简化了荧光流通池的结构，以透光性能较好的氟化乙丙烯管制作荧光流通池。这种设计减小了荧光流通池的池体积。其缺点是发射光易受激发光及杂散光的干扰，背景荧光较强，相应的检测器灵敏度较低。

[0041] 本发明研究在荧光流通池的设计上做了多种尝试，图2所示为本研究最终选择使用的荧光流通池(订制，江苏宜兴市谱析光学元件厂)。荧光流通池外形尺寸(长×宽×高)为12.5mm×12.5mm×45mm，池内尺寸(长×宽×高)为5mm×5mm×5mm，池体积约为125μL，激发光与发射光的窗口尺寸均为5mm×5mm。

[0042] 1.3.2光源、单色器和检测元件的选择

[0043] 1.3.2.1光源的选择

[0044] 本发明便携式荧光检测器的光源有高压汞灯、氙灯、氙-汞弧灯、闪光灯、LED、固体激光器、可调谐染料激光器等。由于荧光强度与激发光强度成正比[12]，光强较强，稳定性较好的光源是本发明便携式荧光检测器的首选。氙灯是目前商品本发明的便携式荧光检测器最常见的光源。氙灯光谱覆盖紫外区和可见光区(250-800nm)，稳定性好，光强较强；但是，氙灯体积较大，工作时处于高压状态，对供电电路的输出电压、电流的稳定性要求较高。固体激光器单色性好，发射光光强较强，发散角小。使用固体激光器的激光诱导荧光检测技术，已广泛用于生物及环境有机物的分析中[13,14]。但是，固体激光器体积较大，价格昂贵。采用半导体发光技术的LED由于发光效率高、能耗低、单色性好、使用寿命长、小巧且价格便宜，成为各种便携式和现场分析仪器的首选。

[0045] 铵氮荧光衍生物的最佳激发波长为365nm，最佳发射波长为425nm。本发明研究使用365nm UV-LED(金属外壳封装，购自深圳市源创电子有限公司)作为光源。该公司提供的UV-LED光学参数列于表1.1。用USB2000+光纤光谱仪(美国Ocean Optics公司)作为检测器，扫描UV-LED的发射光谱，如图3所示。

[0046] 表1.1UV-LED的光学参数

[0047]

[0048] 1.3.2.2单色器的选择

[0049] 单色器主要有光栅和滤光片等。普通本发明的便携式荧光检测器的单色器通常由光栅、狭缝、棱镜、步进电机和机械传动系统组成，较为复杂，不适合用于本发明便携式荧光检测器。滤光片具有简单、便宜等优点，且其制作技术已经达到较高的水平，单色性较好；适合用于便携式、专用化的荧光检测器。

[0050] 本研究所用的激发光和发射光滤光片均从北京金吉奥梦科技有限公司订制。该公司提供的激发光滤光片的中心波长为365nm，发射光滤光片的中心波长为425nm，半波带宽均为15±2nm。使用LS-1-LL卤钨灯(美国Ocean Optics公司)作为光源，USB2000+光纤光谱仪(美国Ocean Optics公司)作为检测器，分别扫描卤钨灯经过激发光滤光片及发射光滤光片后的发射光谱，示于图4和图5。得到激发光滤光片的实际中心波长为371.7nm，发射光滤光片的实际中心波长为429.0nm，基本满足铵氮衍生物的测定需求。

[0051] 1.3.2.3检测元件的选择

[0052] 检测元件将微弱光信号转化为电信号，信号经放大电路放大后，通过模数转换电路转换为上位机可接收的数字信号。常用的检测元件包括电荷耦合器件阵列，光伏打电池、真空光电管、硅光电二极管、PMT等。PMT的灵敏度高、响应时间短，可检测微弱的光信号，是高灵敏度荧光检测器的最佳检测元件。目前商品PMT已经过模块化设计，光电流信号放大电路和模数转换电路均集成于PMT内部，使用者只需为PMT提供稳定的供电电压即可。

[0053] 本研究所用的PMT购买自英国Sens-Tech公司。PMT要求供电电压为5±0.25V。本研究通过RS232端口将PMT直接与电脑连接，使用Labview 8.2(美国National Instruments公司)编写的上位机控制软件记录输出信号。

[0054] 1.3.3电路设计及电路板制作

[0055] 供电电路主要为UV-LED提供3.6V的工作电压和20mA的工作电流，另外，需供给PMT 5±0.25V的稳定供电电压。因此，恒压电路使用开关式稳压芯片LM2575构成激励电压驱动，提供5±0.25V的稳定电压；同时可降低供电模块发热量。恒流电路采用OP07放大器及精准参考电压芯片TL430构成比较斩波恒流电路，利用晶体管8050增大驱动，以提供20mA精准电流驱动UV-LED。设计的电路如图6所示。

[0056] 1.3.4检测器组装

[0057] 设计制作荧光流通池及滤光片的固定模块时，选用黑色材料聚甲醛(POM，Polyformaldehyde)。POM强度高、耐磨性好、耐有机溶剂及弱酸、易于加工。PMT、LED、滤光片及荧光流通池组装后的检测器如图7所示。滤光片的固定采用内嵌式设计，若更换滤光片，可通过拆卸该POM模块实现。

[0058] 为避免自然光漏入检测器对信号产生干扰，需为检测器加上外壳，增强避光。采用厚度约2mm的聚氯乙烯(PVC，Polyvinyl Chloride)板，按设计尺寸切割成片，各片之间使用角铝连接固定。溶液进出口、工作指示灯等固定于前面板上，电源开关、RS232信号输出端口等固定于后面板上。制成的荧光检测器如图8所示。

[0059] 1.4检测器的性能

[0060] 搭建流动注射-荧光光度法(FI-FL)分析系统，采用本发明荧光检测器。以超纯水作为载流，铵氮加标样作为试样，考察本发明荧光检测器的性能，并将选取目前市场上最受欢迎的便携式荧光检测器(商品PMT-FL流动分析荧光检测器，美国FIA-Lab Instruments公司)与本发明荧光检测器进行比较。

[0061] 1.4.1稳定性

[0062] 考察检测器光源及检测元件在长时间工作的情况下，输出信号的稳定性。取100nmol/L的铵氮加标样作为试样，用FI-FL法连续测定90min，结果示于图9。试样荧光信号的相对标准偏差为0.8％(n＝38)，可见本发明荧光检测器的稳定性较好。

[0063] 1.4.2本发明荧光检测器与商品检测器的比较

[0064] 1.4.2.1比对实验

[0065] 将自制的检测器与商品PMT-FL串联，共同作为FI-FL分析系统的检测器，同时测定试样的荧光信号。测定0-300nmol/L浓度范围内的标准工作曲线溶液，每样测定4次，得到工作曲线如图10所示。若定义工作曲线斜率为检测灵敏度，由图10可知，本发明荧光检测器的灵敏度比商品PMT-FL荧光检测器高约11.4％。

[0066] 7.4.2.2气泡对检测信号的影响

[0067] 气泡的干扰是光谱检测方法中最常见的问题。为减小气泡对信号的影响，通常需在检测器溶液出口处加上小孔径的聚醚醚酮管来产生反压。将本研究自行设计的荧光流通池稍加改造，令激发光窗口为5mm×3mm(长×高)，保持发射光窗口为5mm×5mm(长×高)，改造前后的荧光流通池示意图如图11所示。在搭建的FI-FL分析系统中，将本发明荧光检测器与商品PMT-FL检测器串联，同时测定试样的荧光信号。试剂R1和R2的流速为0.20mL/min，样品与载流流速为1.34mL/min，去掉为产生反压而置于检测器溶液出口处的内径0.25mm PEEK管。以超纯水作为载流，测定铵氮浓度0-300nmol/L范围内的加标试样，每样测定4次，记录两种检测器得到的试样信号，示于图12。

[0068] 由于改造后的自制荧光流通池的激发光窗口较小，而小气泡聚集在荧光流通池内顶部随溶液排除，激发光不会照射在气泡上，故气泡不会产生荧光信号或干扰噪音。由图12可知，本发明荧光检测器可有效避免气泡对信号的干扰，优于商品PMT-FL检测器。

[0069] 1.4.2.3性能参数比对

[0070] 本发明荧光检测器与商品PMT-FL检测器的参数列于表1.2。本发明荧光检测器体积更小，重量更轻，价格便宜，灵敏度及稳定性略优于商品检测器。但是，本发明荧光检测器的背景荧光显著高于PMT-FL检测器，实际应用中可以通过上位机软件的设置，将背景荧光归零，不会影响样品的测定。

[0071] 表1.2本发明荧光检测器与PMT-FL检测器的参数比较

[0072]

[0073] 1.5本发明小结

[0074] (1)研制了一种专用于痕量铵氮分析的便携式荧光检测器。其包括UV-LED光源、滤光片、模块化PMT检测元件、订制加工的荧光流通池及自行设计加工的固定模块。

[0075] (2)本发明荧光检测器使用恒压电路为PMT供电，使用恒流电路为UV-LED供电，减小了信号的波动。90min内连续测定100nmol/L的铵氮标样，RSD为0.8％(n＝38)，说明本发明荧光检测器稳定性较好。

[0076] (3)比较本发明荧光检测器与商品PMT-FL荧光检测器，本发明荧光检测器体积小，重量轻，价格便宜，稳定性略优于商品检测器。若定义工作曲线斜率为灵敏度，则本发明荧光检测器的灵敏度比PMT-FL荧光检测器高约11.4％。而且，本发明荧光检测器可有效避免气泡对信号的干扰。

[0077] 本发明内容所参考文献如下：

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