3.8. Сенсоры для определения содержания в воде биогенных элементов

Оценки экологического состояния и биологической продуктивности исследуемой акватории невозможны без определения биогенных элементов: фосфатов, нитратов, нитритов, кремния и т.д.

В настоящее время широко используются две группы анализаторов, основанных на оптическом способе определения концентрации биогенов. Они отличаются рабочими диапазонами использования области светового спектра: ультрафиолетовой (УФ) и видимой. Для УФ-области на рис. 3.52 представлены спектры поглощения основных компонент морской воды: H₂S, NO₃^-, S₂O₃^2-, HS^-, Br ^-, I^-.

Исторически первыми появились проточные анализаторы с вводом реагентов по типу лабораторных приборов. Они используют известные и хорошо проверенные методики определения биогенов, широко распространенные в практике гидрохимических исследований. Однако, несмотря на высокую точность определения, этот метод обладает крупным недостатком. Из-за наличия определенного периода времени, необходимого для проведения требуемой реакции, точную аппаратуру почти невозможно использовать совместно с зондирующим оборудованием.

Рис. 3.52. Спектры поглощения основных компонент морской воды, расположенные в УФ-области

У анализаторов, работающих в ультрафиолетовой области, этот недостаток отсутствует. Одним из первых приборов такого типа был спектрометр SUV-6, выпускавшийся фирмой Vаlероrt Ltd. (рис. 3.53). В спектрометре SUV-6 использован принцип, основанный на определении величины пика оптического поглощения нитрат-иона в УФ-области (220 нм. В частности ослабление света измеряется в шести участках ультрафиолетовой области светового спектра (205-280 нм).

а

б

Рис. 3.53. Внешний вид (а) и внутренняя компоновка (б) спектрометра SUV-6 фирмы Vаlероrt Ltd.

В качестве источника излучения используется ксеноновая лампа-вспышка. Лампа генерирует свет с частотой 8 Гц, который по оптоволоконному кабелю поступает на базовый элемент длиной 200 или 70 мм (от длины зависит диапазон измерения: 0-100 или 0-400 мкМоль). Свет проходит в воде заданный путь и анализируется в спектрометре на основе фотодиодной линейки. Измеренные величины пропускания света на шести длинах волн передаются через СТD-зонд или напрямую на борт, где программное обеспечение позволяет вычислить концентрацию нитратов с разрешением 0,2 мкМ. Точность измерений в водах с повышенным содержанием органики составляет 3 мкМ, в чистых водах - 1 мкМ.

Прибор имеет цифровой выход в стандарте RS-232. Мощность потребления составляет 1,8 Вт при напряжении питания в диапазоне от 10 до 40 В. Измеритель размещен в прочном корпусе Ø113х365 мм и может работать до глубин 500 м. Имеется глубоководный вариант, рассчитанный на глубину до 3000 м и выполненный в прочном корпусе из титана Ø150х380 мм, масса 13,8 кг.

Более совершенным прибором является спектрометр ISUS, разработанный в 2002 г. Кеннетом Джонсоном в MBARI (который также является автором SeaFET Ocean pH Sensor). В настоящее время фирма Satlantic выпускает модель MBARI-ISUS V3. Этот прибор (рис. 3.54) предназначен для оценки концентрации растворенных в морской воде нитратов, бромидов и сульфидов в диапазоне до 2000 мкМ. Чувствительность прибора ±0,5 мкМ, точность ±2 мкМ (при коррекции температуры по данным СТD-зонда).

а б

Рис. 3.54. Внешний вид спектрометра MBARI-ISUS V3 фирмы Satlantic (а) и вариант его использования совместно с насосом SBE 5P (б)

Калибровочные коэффициенты, определяемые фирмой Satlantic на специальном стенде, гарантируют указанную точность определения в диапазонах 0-40 мкМ по нитратам, 0-35 psu по солёности и 0-20 °C по температуре.

Рис. 3.55. Внутренний вид спектрометра ISUS (а), его устройство (б) и его датчик (в): 1 - спектрометр; 2 - источник излучения; 3 - оптоволоконная линия опорного фотоприемника; 4 - основание корпуса; 5 - оптический датчик; 6 - плата опорного сигнала; 7 - основная плата с контроллером и флэш-памятью; 8 - оптоволоконная линия от датчика к спектрометру; 9 - литиевые батареи типа DD

В качестве источника излучения применена миниатюрная дейтериевая лампа типа Fiberlight, выпускаемая вместе с блоком питания фирмой Неrеаus. Эта лампа работает в режиме постоянного свечения и имеет гнездо для сопряжения со оптоволоконной линией. Она более стабильна, потребляет малую мощность (3 Вт) и имеет плавную спектральную характеристику в рабочем диапазоне 200-400 нм по сравнению с обычно используемой в таких случаях ксеноновой лампой-вспышкой. Лампа имеет ресурс около 1000 часов непрерывной работы (по истечении этого времени возможна потеря до 50% от номинальной мощности на частоте 240 нм).

Оптическая база датчика для измерения ослабления излучения равна 1 см (с учетом возврата отраженного света), рис. 3.56. Она специально вынесена за пределы корпуса на некоторое расстояние (рис. 3.55в). Для передачи света от излучателя к оптической базе и затем к спектрометру, а также от излучателя к опорному фотоприемнику, применены кварцевые оптоволоконные линии толщиной 600 мкм. Все другие оптические элементы (линзы, поворотная призма) выполнены также из кварцевого стекла.

Рис. 3.56. Основные элементы оптического датчика спектрометра ISUS: 1 – к спектрометру; 2 - от источника излучения; 3 - оптоволоконные линии; 4 – кварцевое окно; 5 - зеркало; 6 – оптическая база (измеряемый объём); 7 – титановый корпус датчика

Весь спектрометрический блок используется готовый - типа CRO-MMS-UV фирмы Spectronic Devices Ltd. В его состав входит спектрометр модели Zeiss MMS UV, который регистрирует спектральные характеристики ослабленного водой излучения, и 16-разрядное АЦП для обработки амплитуды сигнала с каждого элемента фотолинейки. В спектрометре используется фотодиодная линейка из 256 элементов в спектральном диапазоне 190-400 нм, т.е. разрешение такой оптической системы равно 0,8 нм.

Низкая частота выборки ISUS V3 (1 Гц) по сравнению с анализатором SUV-6 (8 Гц) объясняется тем, что здесь регистрируется весь спектр, а не только шесть интегрированных участков. Кроме того, АЦП спектрометра фирмы Satlantic имеет большую разрядность. Вся получаемая информация может запоминаться во внутренней флэшпамяти объемом 256 Мб, либо прямо передаваться на внешнее устройство сбора данных. Имеется последовательный цифровой в формате RS 232 или RS 485 и аналоговый выход 0-5 В. Скорость передачи данных задаётся пользователем (по умолчанию составляет 38 400 бод). В наличии имеется USB интерфейс.

Прибор питается напряжением в пределах 19-75 или 6-18 В. Модель ISUS V3 потребляемый ток 0,55 А при номинальном напряжении 12 В. Фирма Satlantic производит две модификации анализатора ISUS V3 для глубин до 200 и 1000 м, которые рекомендовано эксплуатировать в температурном диапазоне от 0 до 40 °С. Для работ на шельфе корпус прибора изготавливается из пластика Ø127x508 мм. Его длина с установленным защитным противообрастающим ограждением (рис. 3.53а) составляет 635 мм. Вес этой модификации на воздухе 5,4 кг, а в воде она имеет положительную плавучесть (-1 кг). Для корпуса, рассчитанного на большие глубины, используется анодированный алюминий Ø115х485 мм. В полном сборе длина прибора около 609 мм. Его вес 5,3/0,3 кг.

УФ-спектрометр ProPS (рис. 3.57) немецкой фирмы TriOS Mess- und Datentechnik GmbH обладает схожими техническими характеристиками. Состав его комплектующих практически аналогичен спектрометру ISUS. Источник - дейтериевая лампы мощностью до 5W. Спектральные характеристики регистрирует также спектрометр фирмы Zeiss: разрешение 0,8 нм обеспечивают 256 элементов в спектральном диапазоне 190-360 нм. Частота опроса до 1 Гц. Прибор имеет встроенный температурный датчик для внесения поправок в измеренные величины. Калибровочные кривые действительны в температурном диапазоне от 0 до 30°C.

Перечень веществ, концентрации которых определяются спектрометром ProPS, не ограничивается нитратами, нитритами, гуминовыми кислотами, бромидами, карбонатами, хлоридами, хлорамином, фенолами …

Рис. 3.57. Внешний вид спектрометра ProPS CW фирмы TriOS GmbH со сменными оптическими блоками

Передача данных осуществляется по стандарту RS232, её скорость можно выбирать в пределах от 1200 до 38400 бод (по умолчанию 9600 бод).

Питание прибора в пределах 9-36 В.

Фирма TriOS производит несколько модификаций базового спектрометра, которые отличаются размерами оптической базы и глубинами погружения. Оптическую базу на моделях ProPS WW (для загрязнённых вод) можно устанавливать в пределах от 1 до 10 мм, а на ProPS CW (для чистых вод), используя сменные оптические блоки, от 10 до 60 мм.

В стандартной комплектации спектрометры ProPS поставляются в пластиковом или стальном корпусе Ø68x520 мм. Модель в стальном корпусе имеет вес 5 кг и рассчитана на глубину до 2000 м. По просьбе заказчика возможна поставка в корпусе из титана (Ø80 мм, вес 3 кг) для работ на больших глубинах – до 6000 м.

Прибор APNA (Autonomous Profiling Nutrient Analyzer), продукт фирмы SubChem Systems, Inc. в содружестве с WETLabs, является уникальным анализатором для пространственно-временного профилирования одновременно 4, 5 либо 6 биогенных веществ, растворённых в морской воде (табл. 3.5). В анализаторе APNA используется комбинированная технология определения концентраций этих веществ: ввод реагентов по типу лабораторных приборов в сочетании со стандартными спектрофотометрическим и/или флюорометрическим методами обнаружения. Возможно применение прибора, как в автономном режиме, при наличии аккумуляторной батареи, так и в составе различных гидрологических платформ: CTD-зондов, глайдеров и т.д.

APNA состоит из двух модулей (рис. 3.58а), основного - собственно спектрометра-анализатора (1) и сменного резервуара (2), содержащего пакеты с реагентами и стандартами, практически, по каждому исследуемому параметру. Внутри цилиндрического корпуса основного модуля расположены несколько блоков: электро-динамический, сенсорный, аналого-цифрового преобразования и сбора данных, а также управления модулями и системами регулирования мощности.

Электро-динамический блок (рис. 3.58б) состоит из входного фильтра, основного магистрального насоса, датчиков давления и температуры, проточного нагревателя, несколько миниатюрных насосов-дозаторов для подачи в систему реагентов и калибровочных стандартов, а также смесителей и трубки детекторов ChemStar. Чувствительные элементы детекторов являются составной частью сенсорного блока.

Анализатор для работы на больших глубинах (от 15 до 200 метров) имеет встроенную систему компенсации давления.

Непрерывный поток отфильтрованной (размер пор не превышает 10 мкм) и термостатированной пробы воды (~ 5-6 мл/мин) расщепляется и направляется по четырём (5 либо 6) жидкостным каналам (~ 1 мл/мин каждый) для последующего химического анализа.

Рис. 3.58. Внешний вид спектрометра-анализатора APNA (1) фирмы SubChem Systems, Inc. со сменным резервуаром (2), содержащим пакеты с реагентами и стандартами, а также его функциональная схема: 3 – входной фильтр; 4 – основной насос; 5 – датчик давления; 6 – тройник статического перемешивания; 7 – нагреватель; 8 – термистор; 9 – соленоидный насос-дозатор; 10 - пакет реагента; 11- пакет стандарта; 12 - смеситель; 13 - детектор

Реагенты и калибровочные стандарты содержатся в пластиковых пакетах (объём 1 или 0,5 л), которые находятся в отдельном, сменном модуле. Его непрозрачный цилиндрический корпус не защищает пакеты от воздействия переменного давления. Каждый пакет соединён трубкой с соответствующим каналом через соленоидный насос-дозатор, который обеспечивает плавную инфузию реагента или калибровочного стандарта в морскую воду, непрерывно поступающую в канал.

Химические вещества, входящие в состав используемых реагентов и стандартов, требуют специальных условий при длительном хранении. Тестовый эксперимент по определению оптимального срока непрерывной эксплуатации анализатора APNA показал, что в течение приблизительно трёх месяцев состав этих пакетов не претерпел какой-либо значительной деградации.

Количества реагента объёмом 1 литр, как правило, достаточно для непрерывной работы анализатора (частота опроса 1 Гц) в течение семи дней. Режим эпизодического отбора и анализа проб может длиться дольше. При одноактном измерении каждый час - до 2-3 месяцев, но не более 2000 отдельных актов измерения. До 400 отдельных профилей для исследуемого 20-тиметрового слоя можно получить с помощью анализатора APNA, когда используется непрерывный режим в сочетании с длительным «засыпанием». Во всех случаях требуемая мощность аккумуляторной батареи составляет не менее 60 Ампер-часов.

Таблица 3.5. Аналитические характеристики анализатора APNA

Тип датчика	Нитриты	Нитраты	Фосфаты	Силикаты	Железо II	Аммоний
Длина волны (нм)	A 540	A 540	А 880 или 820	А 820	А 560	F370/460
Длина трубки детектора (см)	1 или 5	1 или 5	1 или 5	1 или 5	1 или 5	N/A
Диапазон-1 (мкМоль)	0,05 – 50	0,05– 50	0,05 – 75	0,1 – 250	0,05 – 50	0,01 – 15
Диапазон-5 (мкМоль)	0,02 – 10	0,03– 15	0,03 – 16	0,05 – 50	0,02 – 10	0,1 – 100
Погрешность, (% ПШ)	2	2	2	3	2	1
Метод*	[1]	[1]	[1]	[1]	[2]	[3]

* - Ознакомиться подробно с методами обнаружения можно в соответствующих статьях:

[1] A.K. Hanson, and P.L. Donaghay, “Micro- to fine-scale chemical gradients and layers in stratified coastal waters,” Oceanography, 11(1):10-17. 1998.

[2] L.L. Stookey, “Ferrozine - a new spectrophotometric reagent for iron”, Analytical Chemistry 42(7) 779-781, 1970.

[3] R. Kerouel, and A. Aminot, “Fluorometric determination of ammonia in sea and estuarine waters by direct-segmented flow analysis”, Marine Chemistry, 57:265-275, 1997.

Нитриты (NO₂^-) определяются спектрофотометрическим методом, который основан на образовании цветного красителя. При смешивании реагента с морской водой, её нитриты реагируют с сульфаниламидами реагента и формируют диазония ионом, который впоследствии совместно с N-(1-нафтил)-этилендиамин дигидрохлоридом создают сильно окрашенное вещество (с очень высоким уровнем молярного поглощения ~ 46000 при 532 нм). Этот метод принято считать свободным от помех. Поэтому его широко используют в лимнологии и океанографии. Определение общего содержания нитратов и нитритов (NO₃^- + NO₂^-) основывается на количественном переходе (до 95%) нитрата в нитрит, который далее определяется вышеописанным способом. Переход производится с высокой и стабильной производительностью при прохождении порции воды через специальную колонку, содержащую кадмий и покрытую медью.

Определение ортофосфата в морской воде зависит от формирования фосфоромолибдат комплекса, полученного путем взаимодействия молибдат иона и ортофосфата (в первую очередь HPO₄^2- и PO₄^3-) при наличии сурьмы. Последующее смешивание этого комплекса с L-аскорбиновой кислотой приводит к образованию соединения, окрашенного в синий цвет, которое имеет максимум поглощения на длине волны 885 нм.

Аналитическое определение растворенных в воде неорганических силикатов, например, кремниевой кислоты, - основывается на формировании кремний-молибдат комплекса, который получается при добавлении молибденовой кислоты в исследуемую порцию морской воды. Для ограничения возможных помехи от фосфатов в эту порцию добавляется щавелевая кислота. Вещество именуемое "молибденовая синь" образуется при добавлении L-аскорбиновой кислоты, которая выступает в качестве восстановителя. Максимальная оптическая плотность поглощения молибденовой сини - 820 нм.

Содержание железа (II) в исследуемых объёмах морской воды определяется с помощью классической методологии Ferrozine (максимум молярного поглощения принимается ~ 26500 при 560 нм, этот уровень несколько меньше при 540 нм) [2].

При определении аммиака (NH₃), его ион взаимодействует с о-фтале-альдегидом (OPA) и сульфитом до образования молекулы, которая обнаруживается флюорометрическим методом. Флюорофора имеет максимум в спектре возбуждения на длине волны 365 нм, а максимум спектра излучения в 420 нм. Сульфит используется в качестве нуклеофильного реагента [3]. Для предотвращения образования осадка в потоке поступающей жидкости, используется тетрагидрат тетранатриевой соли этилендиаминтетрауксусной кислоты (Ethylenediaminetetraacetic acid tetrasodium salt tetrahydrate - EDTA). Это вещество добавляется в качестве комплексообразователя.

В настоящее время развиваются аналитические методики для определения содержания меди, мочевина и другие химические вещества.

Основной модуль анализатора APNA имеет вес около 9 кг на воздухе и 1,4 кг в воде. Габариты его корпуса Ø168x326 мм, что составляет объём около 7,5 л. Прибор рассчитан на погружение до 200 м и может входить в состав различных измерительных подводных систем, способных обеспечить его питанием 12 В (12-75 В) при нагрузках 28 Вт и 33 мкВт в режимах измерения, либо ожидания.

Анализатор APNA имеет микроконтролер с флеш-памятью до 8 Гб. Передача данных осуществляется по стандарту RS-232 или RS-485-ACII со скоростью 9,6-115,2 Кбод.