氨氮测定中光电检测器的选择分析

2022-09-11

关于如何测量水体中的氨氮浓度, 一般有外加电流法、流动注射法以及纳氏比色法, 其中纳氏试剂比色法原理简单实用方便, 且其准确性也较高于其余两种方法, 因此其作为一种标准测定方法被广泛使用。该方法具体是通过使纳氏试剂与水体中的氨氮发生反应, 所生成的化合物, 会吸收一定波长范围内的光, 且吸光度与氨氮浓度有着正比关系, 因此通过测定待测水体在一定范围内的吸光度就能间接得出水体中的氨氮浓度。

但是, 在实际操作过程由于液体中的光照强很难测量, 因此通常会把光信号转换成为可测量性较好的电信号, 再由检测器的光电特性根据电信号的大小来推算出液体的氨氮浓度。光电检测技术是以激光、红外、光纤等现代光电子器件作为基础, 通过对被检测物体的光辐射, 经光电检测器接收光辐射并转换为电信号, 由输入电路、放大滤波等检测电路提取有用信息, 或进入计算机处理, 最终显示输出所需要的检测物理参数。它是通过一定的物理方式, 分辨出被测参量并归属到某一范围带, 以此来判别被测参数是否合格或是否存在。光电辐射的转化过程受到内部和外部各种因素的影响, 因此, 光电检测器的准确性、灵敏性以及稳定性是决定光电检测效果的主要因素, 为了提高水体氨氮测定精度, 选择合适的光电检测装置十分重要。

一、氨氮测定原理

在对水体氨氮浓度进行测量的分光度法中, lambert-beer定律作为其基本规律证明了溶液中物质对一定程度可见光的吸收程度与物质浓度成正比的关系, 具体数学关系如下:

式 (1)

式 (1) 中C为待测溶液浓度;b为液层厚度;K为吸光系数, 在不同光照条件以及待测物质的情况下取值不一定;T为透光率, 是光照强度与溶液中物质吸光后透过液体光照强度的比值;A为吸光度。由式 (1) 可知, 当K值一定时, 吸光度A仅与溶液浓度有关, 该原理水体氨氮检测的理论依据, 但在实际测量过程中, 受到温度、压强以及液体中其余杂质的影响, 溶液中物质的实际吸光情况会与计算值有所偏差。

在水体氨氮检测系统中, 检测器通常为光电传感器, 其基本工作原理是对一定波长范围内的光辐射产生响应并按照式 (2) 的数学关系产生相应的电信号。

式 (2)

式 (2) 中G为电信号强度;K为检测器的可靠系数;I为单色光强度;Dc为检测装置的内部电流。通过式 (2) 可以看出光电传感器产生的电信号与单色光光照强度成正比。

二、光电检测器原理及选择分析

良好的光电传感器应具有高灵敏度、高反应速度、电信号易放大以及信号干扰较小等特性。比如在高灵敏度方面, 用激光测距法测量地球到月球之间距离分辨率可达1m;光栅莫尔条纹法测角可达0.04秒;在高反应速度方面, 由于光电检测是以光为介质, 用光学方法获取和传递信息是最快的方式。在光电检测器件的选择上, 通常选用光敏二极管、光伏电池以及光电管作为光电检测器的主要部件。

(一) 光敏二极管

光敏二极管通常也被成为光电二极管, 是一种能够根据自身结构或者使用方式将不同强度的光转换成对应等级的电流或电压的半导体设备。在其工作时, 会有与光照强度成正比的反向电流在半导体的PN结中产生, 光敏二极管的灵敏程度普遍较高, 通常会精确到0.1m A。相比于光敏电阻, 光敏二极管不仅能检测可见光, 还能检测到红外线, 具有较大的波长峰值以及波长范围。

不同材料制作的光敏二极管有着不同的光谱特性, 它反映了光敏二极管对不同波伏的光反应的灵敏度是不同的。把光敏二极管反应最灵敏的波长, 叫做该光敏二极管的峰值波长。在半导体光敏二极管中, 主要会使用到硅二极管以及锗二极管。由半导体制成的光敏二极管通常能检测光的波长峰值较大, 硅二极管的波长峰值在800nm上下, 区间范围在500到1000nm之间;而锗二极管所检测的波长峰值更是达到了1500nm, 相对灵敏度交稿的波长范围通常位于800到1800之间。在实际的氨氮监测过程中, 我们采用纳氏试剂发生化学反应产生物质所吸收的光波长为400nm左右, 因此半导体光敏二极管对于该波长段的光并不敏感, 其光电特性曲线随着光照强度的递增无法维持线性的趋势, 光敏二极管的测量灵敏度收到较大影响, 在实际测量中也很难精确的描述水体中的氨氮浓度, 再加上半导体材料的特性一般受温度影响较大, 所以半导体光敏二极管并不适用于高精度、高灵敏的氨氮测定系统。

(二) 光伏电池

光伏电池在光照条件下, 是通过光电效应或光化学效应将光照强度反应到电池电压的一种装置, 与光敏二极管类似其主要也由半导体材料制成, 且广泛应用在太阳能发电系统当中。光伏电池可以用作光电探测器件, 将光信号转变为电信号, 起测量作用。光电池的结构分为两种类型, 一种是金属—半导体接触型, 另一种是PN结型。作光电池的材料一般有硅 (Si) 、硒 (Se) 、砷化镓 (Ga As) 、氧化亚铜 (Cu2O) 、硫化镉 (Cd S) 和硫化银 (Ag S) 等等, 其中硒光电池、硅光电池和以砷化镓为材料的光电池应用比较广泛。硒光电池的结构属于金属——半导体接触型。在铁或铝的基底上镀一层镍, 然后将P型半导体硒涂在上面, 再度一层半透明氧化膜 (金或氧化镉) , 最后安装电极、引线, 就形成了光伏器件。

光电池的光谱特性主要由材料及制作工艺决定。光电池随光照变换的电流特性曲线是一条直线, 即路电流在一定的光强范围内, 与光强成线性正比关系, 而开路电压是非线性的。光伏电池应用最广的是硅光电池与硒光电池, 不同的光电池, 所能检测的光线波长峰值也有差别, 硅光电池峰值波长在800nm左右, 硒光电池的峰值波长在540nm左右, 硅光电池的光谱范围宽在450~1100nm之间, 硒光电池的光谱范围在340~750nm之间, 只对可见光敏感。在实际的氨氮监测过程中, 我们采用纳氏试剂发生化学反应产生物质所吸收的光波长为400nm左右, 因此与硅光电池相比, 硒光电池在氨氮测定中的灵敏度会更高一些, 且与光敏二极管相比硒光电池在入射光强较低的情况下拥有完美的线性光伏特性, 使得氨氮测定的结果更加精确。

(三) 光电管

与前文所述的主要有半导体构成的器件不同, 光电管主要由金属制成, 分为真空光电管以及充气光电管。其工作原理是, 在一定波长的光照下, 由金属构成的光阴级表面会有电子因为动能的增加而向阳极移动, 从而产生电流。一般可用作光阴极的金属主要有汞、金以及银, 不同金属材料的选用能满足不同光波长段的需求。光电管的光谱特性主要取决于阴极材料, 常用的阴极材料有银氧铯光电阴极、锑铯光电阴极、铋银氧铯光电阴极及多硷光电阴极等, 前两种阴极使用比较广泛。不同阴极材料制成的光电管有着不同的灵敏度较高的区域, 应用时应根据所测光谱的波长选用相应的光电管。例如被测光的成分是红光, 选用银氧铯阴极光电管就可以得到较高的灵敏度。光电管的光谱特性与硒光电池类似, 在400~500nm的波长范围内灵敏度最高, 但是光电管体积较大, 且容易破碎, 在实际的测定工作中, 已逐步被其他器件例如固体光电器件所代替。

综上所述, 通过对三种不同光电检测器的分析, 硒光电池与光电管的灵敏度与线性的均优于半导体光敏二极管, 但光电管在实际使用过程中容易受到损坏, 因此硒光电池的综合性能较好, 以其为主要部件构成的光电检测器灵敏度、线性度以及稳定性都有保障。

三、结束语

近年来, 随着电子技术的快速发展, 光电测量技术得到了广泛的普及和应用, 被应用于物理、化学生物、医学、化工、环保、材料科学等各个领域, 成为科学研究中十分重要的检测测和分析手段。尤其是近几年来, 随着光声光热检测技术的不断发展, 光声光热效应的含义也不断拓宽, 光源也由传统的光波, 电磁波、x射线、微波等扩展到电子束、离子束、同步辐射等, 探测器也由原来的传声器扩展到压电传感器、热释电探测器及光敏传感器, 从而适应了不同应用场合的实际需要。

本文在介绍了一般水体氨氮测定原理的基础上, 阐述了三种常用的光电检测器器件的工作原理及组成, 对他们的光谱特性进行了重点分析, 对三种器件优势与不足进行了阐述, 综合比较得出初步结论, 硒光电池的综合性能最好, 对于检测产生的波长范围其灵敏度最高, 能保证氨氮检测的准确性和稳定性, 适合作为氨氮测定系统的光电检测器件。但本文仅从器件本身特性出发做出判断, 并未综合考虑在实际使用过程中其他一些因素如温度、水体酸碱度等对光电检测器的影响, 综合考虑其他因素的影响, 是下一步进行研究改进工作中的重点。

摘要：水作为世界上人类依赖程度最高的资源, 其质量的好坏通常由水体的污染程度来评判。关于水体污染程度的指标种类繁多, 其中最常规最重要就是水体的富营养化程度, 其主要由水体中的氨 (NH3) 以及氨离子 (NH4+) 所决定, 通常也被称为水体氨氮的浓度, 一般是生活污水或者工业废水未经处理直接向水体排放所导致的。目前, 针对水体氨氮检测系统中的关键装置一般为光电检测器, 而不同的光电检测设备工作特性与稳定性差异较大, 因此本文介绍了不同光电检测设备工作原理的基础上, 对其稳定性以及线性度进行了比较分析, 并以此作为氨氮检测系统中选择光电检测器的依据。

关键词：水体污染,氨氮检测,光电检测器