基于集成阀岛装置的高精度海水pH原位测量系统及方法制造方法及图纸

本发明专利技术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。本发明专利技术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。

High-precision in-situ measurement system and method of seawater pH based on integrated valve island device

【技术实现步骤摘要】
基于集成阀岛装置的高精度海水pH原位测量系统及方法
本专利技术属于海洋监测
，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。
技术介绍
目前表层海水pH以0.002/a的速度持续下降，海洋碳酸盐体系的深入研究对pH测量技术提出了更高的要求，亟需稳定可靠的高精度pH测量仪器。基于光度法的海水pH测量技术具备精度高(可达0.001)、稳定性好等优点，已成为当前研究海水酸化和碳循环等领域需准确观测pH的主流方法。高精度海水pH原位测量系统多基于光度法和流动注射分析技术，通过测定样品和指示剂混合后不同形态指示剂的吸光值，可得出海水pH值。流路组成及控制、流通池选择、光源耦合模块、信号采集检测和指示剂校正等是构建高精度海水pH原位测量系统的核心技术，也是决定整个系统是否准确稳定的关键。现有的原位pH传感器的流路设计多采用三通阀组合或多位选择阀等，存在体积大、功耗高等缺点；光源及信号检测多选用LED灯和光电二极管组合，仅可使用单一指示剂进行测定，且存在分辨率较低、准确性较差等缺点，直接影响仪器测定精密度和测量范围。
技术实现思路
针对上述技术问题，本专利技术提供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；所述高精度海水pH原位测量系统的流路结构基于集成阀岛装置，死体积小，稳定性好；并且光路结构以LED耦合光源和微型光谱仪作为光源和检测器，可使用多种指示剂进行测量，拓宽了测量范围，提高了测量准确性。本专利技术是通过以下技术方案实现的：基于集成阀岛的高精度海水pH原位测量系统，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。进一步地，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。进一步地，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。进一步地，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。进一步地，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；所述微型光谱仪为市场在售微型光谱仪，体积和功耗均很小，适用于原位pH传感器。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。进一步地，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。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，采用所述测量系统，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；以百里酚蓝为例，其在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分别为435nm，596nm和494nm，光信号分别记录为λ435I0，λ596I0，λ494I0。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。进一步地，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本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
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...

【专利技术属性】
技术研发人员：张云燕，曹璐，张天鹏，王婧茹，王昭玉，王小红，褚东志，
申请(专利权)人：山东省科学院海洋仪器仪表研究所，
类型：发明
国别省市：山东,37