【应用】深海高分辨率原位监测硝酸盐：OPUS 光学传感器

研究背景

硝酸盐是天然水中初级生产的必需营养素，被包括浮游植物在内的微生物用于初级生产，其供应会对海洋生态系统的健康产生直接和间接的影响：传统上，通过收集离散水样进行实验室分析来测定海水中的硝酸盐。但是长时间的采样间隔无法实现在高时间和空间分辨率下进行监测，从而导致硝酸盐浓度出现重要的时间和空间变化。因此，需要在自主平台上进行高频原位观察，以实时捕捉硝酸盐浓度的变化，克服样品污染和降解的风险，降低高采样/分析成本以及相对较长的分析时间。而光学传感器基于紫外波长区域的直接分光光度法测定 NO₃^–，并且具有高测量频率、无需化学试剂，实现了深海实时、高分辨率的硝酸盐原位测量。

实验过程

Münevver等人在受控的实验室条件下，通过配置含有梯度浓度的Br^– 和NO₃^–的校准液，在温度控制的情况下评估温度效应并推导出Br^– (ε _Br- ,cal) 和 NO₃^– (ε _NO3-,cal) 的摩尔消光系数，改进了 OPUS 的校准和数据处理程序，以便对海水中的 NO₃^–进行高分辨率原位监测。在受控的实验室条件下同时部署了总共五个 OPUS 传感器，并评估了传感器之间的异同。

基于Modbus-RTU 协议新开发了控制器将 OPUS 传感器的 NO₃^– 测量时间分辨率提高到 3 秒，实现了在移动海洋平台（如 CTD 剖面仪）上的高分辨率监测。在 (1) 北海东南部和 (2) 热带大西洋的研究考察中，进一步使用了 OPUS 传感器进行硝酸盐监测。同时在现场收集参考离散水样，并在实验室中使用常规化学方法进行分析以进行验证。

实验室及现场测试

1）实验室测试：在受控实验室条件下，使用五个 OPUS UV高光谱物质光度计（(TriOS GmbH，德国，编号OPUS1 — OPUS5）传感器，光程长度均为 10 mm，测试配置的校准液。水浴温度设定为 5 到 20°C 之间的总共四个固定温度，并给予足够的时间来稳定样品温度。其中OPUS1 传感器是深海版本，设置采样频率为 3 秒；其他的是浅水版本，设置为 30 秒，共测量约 30 分钟。使用配备有 Pt100 温度探头的 Kelvimat 4323 温度计 (Burster Präzisionsmessstechnik GmbH, 2010) 测量容器中的原位温度，精度为 ±0.01°C。

图1. OPUS UV高光谱物质光度计

图2. 用于测试 OPUS 传感器的实验室装置

2）现场测试一：2019 年4 月16 日至 17 日，在北海东南部使用 OPUS深海版传感器。测量位置从 Büsum 到 Helgoland.，沿海水域是河流和含盐的北海水域的混合物。

OPUS深海版传感器完全浸入放置在船甲板上的测试水箱（体积为 160 L）中，并以 80 L/min 的流速连续供应2 m 深处的地表水。使用深海版OPUS 以 1分钟的采样间隔记录海水的紫外光谱测量值。使用 CTD 系统 (Seabird SBE 37-SMS-ODO) 以1分钟的间隔记录原位盐度和温度值。以大约 30 分钟的间隔定期收集离散水样，并使用自动分析仪 (Seal QuAAtro) 和标准湿化学比色技术在 1 个月内进行分析以验证传感器测量值。

图3. 实地测量区域一

3）现场测试二：第二次现场测试在热带大西洋进行，将深海版OPUS安装在 CTD 框架上，并部署在深度达 4000 m 的铸件上（00°00.00′S，30°00.00′W，2019 年 10 月 15 日，CTD71 , M158 研究巡航, R/V Meteor)进行深海硝酸盐剖面测量。部署期间从不同深度获得以下辅助数据（包括溶解氧和无机养分；NO3^-、亚硝酸盐、硅酸盐和磷酸盐）。

实验结果

1）温度对溴化物吸光度的影响：20°C 下，在840 μM Br^– （相当于盐度为 35 ）和 40 μM NO₃^–校准液中实验得到的OPUS的摩尔消光系数 (ε) 值与 SUNA 校准文件高度一致。 840 μM Br^– 溶液的吸光度随温度升高呈指数增加（图 5A），随着波长的增加逐渐降低（图 5B）。

图 4. OPUS 和 SUNA 校准文件中的摩尔消光系数 (ε) 值

图 5. (A) 840 μM Br^– 溶液的 ln（吸光度）值与溶液温度的关系图；

2） OPUS 传感器校准：传感器间比较。本文中忽略了 OPUS 的工厂校准，通过测量标准液获得了每个OPUS单独的校准系数。结果表明，各个数据集之间的相关性非常好,相关系数接近 1.0, 不同OPUS 传感器对于 εBr^-_cal 和 εNO₃^-_cal 值都非常一致（≥0.95）。

图6. 不同OPUS 传感器的εBr^-_cal 和 εNO₃^-_cal 的 Pearson 相关矩阵。

从 OPUS 传感器获得的NO₃^-–浓度与离散水样的平均值和实验室分析符合线性回归（y = 1.021x–0.641，r² = 0.99；图7）。

图 7. OPUS 传感器的平均 NO₃^– 浓度与离散水样的实验室分析之间的线性回归拟合

3）现场部署

图 8. 北海东南部NO₃^– (μM)、温度 (°C) 和盐度的时间序列

黑点是指经过后处理的 OPUS NO₃^– 数据输出，红色圆圈是在实验室中通过化学分析的离散水样的 NO₃^– 浓度。蓝点和绿点分别表示样品的原位温度和盐度。OPUS测量值与实验室分析值及以往报告的北海南部地区 NO₃^– 值一致；

图 9.热带大西洋 NO₃^–  浓度 (μM) 垂直剖面分布

2019 年 10 月，在热带大西洋 M158 研究考察期间，进行了深海现场演示。OPUS 安装在 CTD 框架上，以 1 m/s 的垂直剖面速度展开，垂直分辨率为 2 – 3 米。红色圆圈代表实验室分析的离散水样，与离散水样相比，传感器的快速采样间隔有利于水柱中 NO₃^– 浓度的更好空间分辨率。 OPUS 传感器成功捕获了水柱中的 NO₃^– 动态，与实验室在两次现场测试中分析的离散水样值一致；

 图 10. 使用 OPUS 传感器原位测定的 NO₃^– 浓度与通过自动分析仪在实验室中测定的 NO₃^– 浓度的回归图

总体而言，整个研究过程中提供的实验室和现场数据验证了 OPUS 校准和数据处理程序改进工作的成功。

结论

这项工作强调了 OPUS 传感器是一种有用的工具，可通过提供高分辨率的原位数据实时确定剖面水柱中的 NO₃^– 动态，因此与传统的离散水样实验室分析相比具有强大的优势。本研究中描述的 OPUS 的数据处理策略极大地提高了传感器 NO₃^– 数据输出的质量，并产生了与 ISUS 和 SUNA 传感器相当的质量，精度约为 2 μM，短期精度为 0.4 μM NO₃^–。在相同实验室条件下并行部署的五个 OPUS 传感器之间的相互比较表明传感器之间没有显着差异。在沿海地表水和深海中的部署表明，OPUS 传感器可以捕获短空间尺度上的空间变化，其结果与实验室分析的离散水样非常一致。

OPUS 传感器的固件设计不适合剖面超过3秒的采样频率。尽管 3 s 的采样率转化为 2-3 m 的垂直分辨率，但该传感器的优势在于 6,000 m 的深度范围，并且它是研究界可用的最深的光学硝酸盐传感器。OPUS 的另一个优点是灯泡更换周期长。OPUS 传感器使用氘灯，在温度为 20°C，采样间隔为 1 分钟的情况下预期寿命超过 10 年。此外，OPUS 传感器的成本与其他商用 UV 硝酸盐传感器（如SUNA）相比要低得多，因此在经济上更实惠。 OPUS 传感器有望用于未来的海洋学研究。