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閱讀：46發(fā)布時間：2022-6-29
氧是一種重要的元素，其以不同的形式在人們的生產(chǎn)生活以及自然環(huán)境中起到了重要的作用。其中以分子形式存在于水中，以每升水中所含氧氣的毫克數(shù)來表示的量稱之為溶解氧（DO）濃度。溶解氧是保證水生物生存的重要條件之一，同時也是用來衡量水質(zhì)是否受污染的重要指標(biāo)之一。我們可以通過監(jiān)測和研究水中溶解氧的多少及其變化規(guī)律來判斷水體的健康程度以及水體的自凈能力。例如，在水質(zhì)監(jiān)測過程中，如果溶解氧含量過高，則會導(dǎo)致水中生物氧氣中毒，而溶解氧含量過低時，水體中的厭氧菌就會很快繁殖，有機物因而使水體變黑、發(fā)臭。在污水處理中，溶解氧的含量高低影響到細(xì)菌的存貨以及活躍度，從而影響污水處理的有效程度。因此，溶解氧的檢測是具有重要意義的。
目前測量溶解氧的方法主要有碘量法、電化學(xué)法、分光光度法、氣相色譜法、原子吸收法和熒光分析法等。其中應(yīng)用泛的主要是碘量法、電化學(xué)法和熒光分析法。碘量法雖然是的測定水中溶解氧的方法，也是測定海水中溶解氧的方法，但是其只能離線測定、費時費力、操作復(fù)雜、無法對溶解氧濃度變化做出及時的反饋以及極易受環(huán)境因素的影響，從而限制了其廣泛應(yīng)用。電化學(xué)法，即 Clark 電極法也是國標(biāo)推薦的溶解氧測試方法之一。該方法雖然能實現(xiàn)實時在線測量，但由于水質(zhì)中可能存在有機物、油類、鹽類等物質(zhì)會導(dǎo)致薄膜的阻塞老化及電極的腐蝕等從而影響其測量精度及響應(yīng)時間。近十多年來，基于熒光猝滅原理所制備的溶解氧傳感器由于其具有響應(yīng)時間快、不耗氧、無參比電極、不受磁場干擾等優(yōu)點引起了越來越多人的興趣和關(guān)注。我們基于熒光分析法制備了一種能應(yīng)用于實際檢測中的熒光法溶解氧傳感器，并對其結(jié)構(gòu)及性能等進(jìn)行了討論。
1 熒光膜的研究
熒光法溶解氧傳感器利用氧對一些物質(zhì)的具有熒光猝滅的作用，從而物質(zhì)的熒光強度及壽命降低，溶解氧濃度與光強及熒光壽命的關(guān)系可用Stern-Volmer 方程來表示：
上式中，I0和 τ0 分別為無氧時的熒光強度和熒光壽命，I和τ為有氧時的熒光強度和熒光壽命，KSV為猝滅劑的猝滅常數(shù)，[O2]是溶解氧濃度。由（1）式可知，通過測量熒光強度或者熒光壽命，就可以計算出溶解氧的濃度。雖然利用物質(zhì)的熒光強度來計算氧含量比較簡單，但是由于物質(zhì)的熒光強度容易受到外界因素如光、溫度等的影響，從而導(dǎo)致測量誤差。而利用熒光壽命測量對比熒光強度的測量雖然結(jié)構(gòu)上會較為復(fù)雜，但熒光壽命是熒光物質(zhì)的本征參量，對熒光壽命的測量不會受太多外界因素變化的影響，所以具有很好的抗力。
我們研究的溶解氧傳感器采用相位法來測量熒光壽命,相位法測量中所用的光源經(jīng)過正弦調(diào)制后被激勵發(fā)光，熒光物質(zhì)被該束光激發(fā)產(chǎn)生的相應(yīng)熒光也是按照正弦波規(guī)律變化的，光電探測器探測到的熒光相對于調(diào)制光會有一滯后相移φ，φ與熒光壽命時間τ有如公式（2）關(guān)系:
其中ω是正弦調(diào)制信號的角速度：ω=2πf；而由于激發(fā)光激勵所產(chǎn)生的熒光與激發(fā)光之間會有一定的時間差。我們可以看作當(dāng)某一特定的頻率的光照射在氧敏感膜上時，氧敏感膜中熒光物質(zhì)發(fā)出的激發(fā)光與發(fā)射光二者之間有一定的滯后相移，而這一定的滯后相移又與熒光壽命成某種關(guān)系如公式（3），因此,可以通過測量激發(fā)光和發(fā)射光之間的滯后相移來實現(xiàn)對熒光的測量。
1.1化學(xué)試劑及主要儀器
正硅酸乙酯（TEOS）采購自阿拉丁試劑網(wǎng)；二甲基甲氧基硅烷（DiMe-DMOS）采購自阿拉丁試劑網(wǎng)；四氫呋喃采購自阿拉丁試劑網(wǎng)；N,N-二甲基甲酰胺采購自國藥集團化學(xué)試劑有限公司；4,7-二苯基-1,10-菲咯啉釕（Ru(dpp)3Cl2）采購自阿拉丁試劑網(wǎng)。
4A磁力攪拌器，供應(yīng)商是鞏義市予華儀器責(zé)任有限公司；KW-4A勻膠機，供應(yīng)商是微電子研究所；CL-200F光譜儀，供應(yīng)商是杭州科興光電有限公司。
1.2 實驗步驟
取一定體積比的TEOS與DiMe-DMOS于錐形瓶中加入適量的去離子水和0.01 mol/L的HCl，常溫攪拌，攪拌過程中再加入一定質(zhì)量的Ru(dpp)3Cl2，避光攪拌6 h。取所制備的凝膠液在經(jīng)過表面處理的玻璃基材上旋涂成膜，于烘箱中固化24 h，取出后避光保存以備用。
2 傳感器設(shè)計
2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計
傳感器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括以下三部分：熒光膜模塊、光路模塊、電路模塊，如圖1所示：
圖1 傳感器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
整個傳感器的工作過程為：一束特定波長的激發(fā)光源以方波調(diào)制的形式發(fā)出光線照射在氧敏感膜上，光化學(xué)傳感膜中的熒光物質(zhì)受到激發(fā)而發(fā)出相應(yīng)特定波長的熒光，由于氧敏感膜與被測水樣相接觸，水中的溶解氧將對熒光產(chǎn)生淬滅作用，熒光壽命被縮短，熒光強度被降低，經(jīng)淬滅后的熒光透過光學(xué)系統(tǒng)中的濾光片傳送到光電探測裝置，熒光信號經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換，光電信號經(jīng)過放大濾波后進(jìn)入相位差檢測模塊，從而得到熒光相對于激發(fā)光的滯后相位對應(yīng)的電壓值，利用該滯后相位電壓值與熒光壽命成正切關(guān)系得到定標(biāo)曲線，從而得到溶解氧濃度的信息。
2.2 模塊設(shè)計
光路設(shè)計部分如圖2所示：
圖2 光路設(shè)計
電路設(shè)計包括以下各部分：光電探測模塊、信號調(diào)節(jié)模塊、相位差檢測模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、單片機控制模塊以及通信接口模塊。電路設(shè)計的總流程框圖如圖3所示：
圖3 電路框圖
采用雙光路通道的設(shè)計，紅色LED作為參考光，可以有效消除光程和電路上的占用的延遲時間，誤差降到。測量熒光滯后相位的部分，由于該滯后相位相對較小，因此選用正弦波福相精密檢測芯片AD8302，該芯片精度達(dá)到10 mv每度，這樣可以進(jìn)一步提高溶解氧濃度的測量精度和測量穩(wěn)定性。
3 實驗結(jié)果
由于溶解氧的濃度極低，應(yīng)嚴(yán)格保證定標(biāo)的精度。純氧和純氮通入國家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)中心研制的標(biāo)準(zhǔn)氣體稀釋裝置，混合配比不同濃度的氧氣通入水中，標(biāo)定容器應(yīng)氣密性良好且內(nèi)置攪拌器。結(jié)果如表所示。
從表1得知，所制備的溶解氧傳感器所顯示的溶解氧濃度的猝滅時間≤30 s，恢復(fù)時間≤60 s（在線性范圍內(nèi)）。一周內(nèi)測試其檢測上下限（線性溶解氧濃度的與值測2次/天），誤差≤1 %。檢出限為0.2 μg/ml，在0.3-20 μg/ml范圍內(nèi)具有良好的線性關(guān)系，傳感器的輸出值與水中溶解氧的濃度成正比關(guān)系，且在線性測量范圍內(nèi)線性誤差≤±5%。
4 結(jié)論
本熒光溶解氧傳感器具有良好的穩(wěn)定性、重復(fù)性，體積小，不易損壞，較高的靈敏度，可實現(xiàn)長期在線檢測等優(yōu)點且不易受外界因素（pH、鹽分等）的干擾，測量結(jié)果穩(wěn)定、精確，在醫(yī)療、臨床醫(yī)學(xué)、環(huán)境與水質(zhì)檢測等領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用價值及其易于實現(xiàn)商品化生產(chǎn)。
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