Design of a new-type flow analysis for the simultaneous determination of silicate and phosphate and its application to ocean environmental studies

本研究設計一套矽磷同步分析系統，可精確且快速的測到水體中磷酸鹽及矽酸鹽。該系統雖源自於過去本實驗室所發展的Trident-223三同步分析儀，但做了以下的數點改進：(1)只測定磷酸鹽及矽酸鹽，不必為亞硝酸鹽的條件所牽制。(2)過去矽酸鹽測定過程中有一個加遮蔽劑的步驟，以去除磷酸鹽干擾，該系統改以扣除法解決磷干擾的問題，大幅增進了穩定度並縮短了測定時間。(3)採用一公分或五公分光徑的流動槽，但使用長光徑時必須用窄孔光槽同時使用停流技術(stop-flow)，在波長410nm下直接測定訊號為bsSi+P = eSi*b*[Si]*Vs/Vf + eP*b*[P]*Vs/Vf。中eSi及eP為矽鉬黃及磷鉬黃在波長410nm下的吸光係數，b為光徑，[Si]及[P]為矽酸鹽與磷酸鹽的原始濃度，因此矽酸鹽的濃度應為Si] = (AbsSi+P-eP*b*[P]*Vs/Vf)/(eSi*b*Vs/Vf)。算的困難度在於上式中，矽鉬黃吸光係數(eSi)為鹽度(S)的函數，磷鉬黃吸光係數(eP)為溫度(T)及鹽度(S)的函數，本文在波長410nm下，將此兩係數明確定義為Si(S)=-2.28*S+1800，鹽度適用範圍為0-35 psu。P(T, S) = (0.00108*S^2-0.0981*S+16.47)*T+(0.266*S^2-17.823*S+506)。度(T)適用範圍為15-40℃、鹽度(S)適用範圍為0-35 psu。此只要明確得到樣水之鹽度數據、磷酸鹽的濃度及測定系統水槽的溫度，即可算出矽酸鹽的濃度，如此可將矽酸鹽的測定時間由傳統的三分鐘以上縮短為60秒以內。本研究將以上原理實際製造了一台同步分析儀進行測試，證實在自然海水最大濃度([Si]=150 uM, [P]=3 uM)時，測定樣品的相對誤差在1%以內，平均每小時可完成40-60個樣品。使用五公分長光徑矽頻道量測矽酸鹽的最小解析度為0.12 uM，線性範圍0-150 uM；磷酸鹽的最小解析度為0.01 uM，線性範圍在0-20 uM。An automated flow analyzer for the simultaneous determination of phosphate and silicate has been developed. The system in principle is similar to that of the previous Trident-223 system, but improvements are made on the Si-channel which does not involve the addition of a masking reagent. The results for silicate are compensated for the phosphate interference according to the results measurement from the other P-channel. In a manual procedure, the raw absorbance (at 410nm) obtained for silicate should comprise of both silicate and phosphate signals:bsSi+P = eSi*b*[Si]*Vs/Vf + eP*b*[P]*Vs/Vf here eSi and eP are molar extinction coefficients of silicomolybdic acid and phosphomolybdic acid at a wavelength of 410 nm, b the path length, [Si] and [P] the concentrations for silicate and phosphate, respectively. Symbols Vs and Vf represent the sample volume and the final volume. The actual silicate concentration should be:Si] = (AbsSi+P-eP*b*[P]*Vs/Vf)/(eSi*b*Vs/Vf)he process looks easy but it was found that eSi and eP are not constant but subject to change at different salinities. The latter is also affected by temperature. Empirical equations have been proposed for quick estimation:Si (S) = -2.28*S +1800, 0<Salinity (S)<35P (T, S) = (0.00108*S^2 - 0.0981*S + 16.47)*T + (0.266*S^2 - 17.823*S + 506)5℃<Temperature (T)<40℃, 0<Salinity (S)<35ith the new flow system, the analysis throughput has been reduced from 3 min to less than 60 s. With 5 cm long cuvettes, the detection limits are 0.1 uM for silicate and 0.01 uM for phosphate. Linear ranges are 0-150 uM for silicate and 0-20 uM for phosphate.目錄試委員會審定書謝文摘要…………………………………………………………………… i文摘要…………………………………………………………………… iii錄………………………………………………………………………… iv目錄……………………………………………………………………… vi目錄……………………………………………………………………… vii一章 緒論……………………………………………………………… 1.1 自動化同步測定水中矽酸鹽與磷酸鹽的重要性……………… 1.2 矽酸鹽的測定原理…………………………………………… 1 1.3 磷酸鹽的測定原理……………………………………… 3.4 矽酸鹽測定使用遮蔽劑的缺點……………………………… 3.5 矽磷同步測定的構想………………………………………… 4.6 矽酸鹽濃度經驗扣除法的依據……………………………… 4.7 磷矽同步測定時解析度之改進……………………………… 5.8 研究目標……………………………………………………… 6二章 黃色矽鉬、磷鉬複合物的呈色反應動力……………… 7.1 簡介…………………………………………………………… 7.2 溫度與鹽度對矽鉬黃呈色反應的影響……………………… 7.3 溫度與鹽度對磷鉬黃呈色反應的影響……………………… 10.4 綜合討論……………………………………………………… 12三章 矽磷同步分析儀之設計及磷鉬黃經驗式之製作……… 21.1 簡介…………………………………………………………… 21.2 矽磷流動注入分析介紹……………………………………… 21.3 矽磷同步儀呈色反應完成度與測定時間最佳化…………… 23.4 磷鉬黃吸光係數及經驗修正式……………………………… 24.5 綜合討論……………………………………………………… 27四章 實驗室內系統測試……………………………………… 39.1 概述…………………………………………………………… 39.2 本文建議矽磷同步儀之樣品測定方法……………………… 40.3 矽磷同步儀於樣品檢量線測試……………………………… 42.4 綜合討論……………………………………………………… 44五章 實驗室樣自備標準品測試及自然樣品之檢測………… 47.1 概述…………………………………………………………… 47.2 實驗室自配矽磷混合樣品測試……………………………… 47.3 自然樣品之檢測……………………………………………… 49.4 綜合討論……………………………………………………… 51六章 結論……………………………………………………… 60考文獻…………………………………………… ………………62目錄2.1 溫鹽對矽鉬黃複合物呈色動力反應的結果……………… 132.2 溫鹽對磷鉬黃複合物呈色動力反應的結果……………… 143.1 幫浦轉速與反應線圈長度對矽鉬黃呈色反應完成度(%)的影響 ……………………………………………………………………… 283.2 幫浦轉速與反應線圈長度對樣水上樣至分光光度計光槽內所花的時間… ……………………………………………………………293.3 幫浦轉速與LR22反應線圈長度對磷銻鉬藍呈色反應完成度(%)響…………………………………………………………………… 303.4 幫浦轉速與LR22反應線圈長度對樣水上樣至分光光度計光槽內所花的時間……………………… …………………………………313.5 溫度與鹽度對磷鉬黃複合物的淨吸光值… ………………323.6 溫度與鹽度對磷鉬黃複合物的吸光係數……………… …333.7 磷鉬黃複合物吸光係數在各波長的轉換…………… ……344.1 矽磷同步儀之矽頻道量測矽酸鹽標準品的檢量線線性範圍及標準偏差………………………………………… ……………………454.2 矽磷同步儀之磷頻道量測磷酸鹽標準品的檢量線線性範圍及標準偏差………………………………………… ……………………465.1 三同步儀與矽磷同步儀量測矽酸鹽與磷酸鹽標之吸光值…………………………………… ………………………………525.2 三同步儀與矽磷同步儀量測矽磷混合樣水的相對誤差…………………………………………… ………………………535.3 人手測定與矽磷同步分析儀之矽頻道量測淡水河樣品的結果……………………………………… ……………………………545.4 人手測定與矽磷同步分析儀之矽頻道量測南海航次樣品的結果………………………………………………………… …………55目錄2.1 自製恆溫循環迴圈動力延時監測示意圖………………………152.2 溫鹽對矽鉬黃呈色動力反應的影響……………………………162.3 溫鹽對矽鉬黃複合物波譜的影響………………………………172.4 溫鹽對磷鉬黃呈色動力反應的影響……………………………182.5 溫鹽對磷鉬黃複合物波譜的影響………………………………192.6 反應溫度40℃，海、淡水矽鉬黃複合物的波譜圖 ………… 202.7 反應溫度40℃，海、淡水磷鉬黃複合物的波譜圖……………203.1 矽磷同步儀之設計圖……………………………………………353.2 六向閥封圈設計圖……………………………………… 363.3 磷鉬黃的莫耳吸光係數與反應溫度的關係……………… 373.4 磷鉬黃複合物於各溫度下的斜率與水體鹽度的關係…… 383.5 磷鉬黃複合物於各溫度下的截距與水體鹽度的關係…… 385.1 淡水河流域採樣位置圖…………………………………… 565.2 南海航次(OR1-887)採樣位置圖 ………………………… 575.3 人手測定與矽磷同步儀測定淡水河樣品矽酸鹽濃度的係圖…………………………………………………………… 585.4 人手測定與矽磷同步儀測定南海垂直深度樣品矽酸鹽度的關係圖…………………………………………………… 5