基于光电传感δ15N的潍坊地下水硝酸盐污染检测（一） 在工业生产的光电过程中

山东潍坊是基于我国北方一个重要的工业化城市。在工业生产的光电过程中，会产生很多污染物，传感测其中也包含大量富含氮的坊地有机污染物，这些污染物被填埋后会经过无机化作用分解成硝酸盐，下水硝酸因此，盐污硝酸盐广泛存在于潍坊等工业化城市的染检地下水中。在有氧的基于地下水中，硝酸盐是光电各类含氮化合物中化学特性和结构最稳定的含氮化合物。由于地下水中的传感测硝酸盐主要是由含氮有机污染物分解而来的，因此，坊地地下水中硝酸盐的下水硝酸含量，是盐污评价潍坊地下水污染程度的一个重要指标。如何对山东潍坊市地下水中硝酸盐的染检含量进行检测，已经成为当前环保领域中的基于一个研究热点，受到了越来越多该领域的专家和学者的关注。

当前阶段，主要的地下水硝酸盐污染的检测方法包括：基于酚二磺酸光度法的地下水硝酸盐污染检测方法、基于离子色谱法的地下水硝酸盐污染检测方法和基于气相分子吸收光谱法的地下水硝酸盐污染检测方法。其中，最常用的是基于离子色谱法的地下水硝酸盐污染检测方法。由于地下水硝酸盐污染检测方法对于保障潍坊市生态环境和人们的生命健康具有重要的现实意义与应用价值，因此该课题拥有广阔的发展前景，并成为很多学者研究的重点课题。但是，传统的地下水硝酸盐污染检测方法仍然存在的一定的弊端：首先需要从待检地采集水体样本，然后将水体样本送至实验室，最后利用相关仪器对水体样本进行检测。这样的检测方法虽然具有较高的准确率，但是过程过于繁琐，不能满足实时性检测的需

一、水体硝酸盐污染的δ¹⁵N光感与吸光性分析

地下水硝酸盐污染检测传感器实现的原理是，利用紫外光吸收法来实现对地下水中硝酸盐含量的检测，该检测方法实现的原理是朗伯比尔定律，它是光吸收的基本定律，利用朗伯比尔定律能够反映出地下水中硝酸盐中的δ¹⁵N对应波长的吸光度与其在地下水中浓度之间的关系。山东潍坊地下水中硝酸盐吸δ¹⁵N光度与浓度之间的关系能够用下述公式进行计算：

其中，A为地下水溶液中硝酸盐的δ¹⁵N吸光度，C为地下水溶液中硝酸盐的浓度，L为光程，I为地下水透射光的强度，I₀为地下水中入射光的强度，T为光在地下水中的透过率，K为地下水的吸光系数，它反映出硝酸盐在单位质量地下水溶液中的吸光度，用来反应硝酸盐δ¹⁵N吸光能力的强弱。若容器的大小和地下水溶液的体积已确定，则光程L也是固定值，溶液中硝酸盐在其对应波长处的吸收常数K也是固定值，因此，地下水溶液样本在硝酸盐对应波长处的吸光度A与硝酸盐的浓度C呈正比例关系，利用硝酸盐对应波长处的吸光度能够求解出硝酸盐在地下水溶液样本中的浓度。

硝酸盐中的硝酸根NO能够对光谱中200～220nm处的波长进行强烈的紫外吸收，山东潍坊地下水溶液中硝酸盐的δ¹⁵N吸收光谱如图1：

图1能够得知，潍坊地下水硝酸盐在光谱中210～220nm处的波长处有非常明显的吸收区，并且能够准确反映出吸光度和硝酸钾浓度之间的关系。因此，综合运用朗伯比尔定律与硝酸盐的δ¹⁵N紫外吸收特性对山东潍坊地下水硝酸盐污染进行检测是可行的。文中设计的硝酸盐污染检测传感器是通过对210nm处的吸光度进行检测获得山东潍坊地下水中硝酸盐污染的检测值。

二、硝酸盐污染传感器的结构设计与流程

1、硝酸盐污染传感器的硬件设计硝酸盐污染传感器的电路模块是由信号采集单元、信号处理单元、电源单元构成。其硬件构成框图如图2所示：

2、硝酸盐传感器的实物图及工作流程

本文设计的山东潍坊地下水硝酸盐污染检测传感器的实物如图3所示：

地下水硝酸盐污染检测传感器的主要元器件除了电路模块外，其它部分还有：防水接口、紫外光源、信号采集电路板、光敏管、光纤、不锈钢外壳、检测探头、传输线、滤光片和反射镜等构成。其中，紫外光源是由贺利氏（heraeus）光纤氘灯构成。这种紫外光源在200～400nm波段内能保持较高的稳定性。额定输出功率为5W，开机后能够在数秒内即可发出稳定的紫外光，能够长时间运行，工作寿命超过2000h，可对待检测地区进行持续长时间的检测。滤光片可对210nm处的波长进行滤光。光电管是由硅结构的光电二极管构成，在其工作区域内的波长拥有很好的敏感性。检测传感器内所有的光路元器件都通过光纤连接。这样的设计方式可以使这种传感器的体积远远小于传统的光学镜片式的传感器体积。信号采集模块能够对地下水溶液中微弱的硝酸盐信号进行检测，同时能够对外部环境中的干扰信号进行有效隔离。在进行山东潍坊地下水硝酸盐污染检测时，光源发出的紫外光主要有两个去向：一部分紫外光通过光纤传送到光电管，用于指示传感器工作状态的指示信号；其余部分的紫外光通过光纤传送到检测窗口，当检测窗口插入到地下水样后，紫外光就会被溶液中的硝酸盐吸收，并通过反射镜反射到光电管，光电管能够对经过待检测溶液吸收后的光信号转换系统能够识别的电信号，最后，信号采集电路板将采集到的电信号发送到系统的数据处理终端，经过数据终端的处理后得到地下水中硝酸盐的浓度，从而实现山东潍坊地下水硝酸盐污染的检测。

三、实验结果及分析

1、实验环境设置

为了验证文中设计的地下水硝酸盐污染检测传感器的有效性，需要进行一次实验。实验在山东省潍坊市军埠口镇进行。军埠口镇位于潍坊市郊区，有多条省道贯穿该镇，镇内分布着大量的轻工业企业和采矿企业，因此，该镇的地下水受到不同程度的硝酸盐污染。实验时间为2015年6月1日至2015年6月30日。实验地点分为室内和室外两部分，室内的实验内容主要为了验证本文设计的硝酸盐δ15N传感器的灵敏性，室外的实验部分主要用于测试硝酸盐传感器的实际表现。将室内实验与室外实验相结合，可以对硝酸盐传感器的性能进行更好的评价。

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