溫度對熒光監(jiān)測技術(shù)中光電流檢測影響的試驗研究

李方方，萬 秒，張雪林，梁詩順

(三峽大學 水利與環(huán)境學院，湖北 宜昌 443002)

滑坡體的穩(wěn)定性與人們的生活息息相關(guān)。據(jù)調(diào)查顯示，2007—2017年期間，我國發(fā)生的167 684起地質(zhì)災害中，僅滑坡災害占比就高達66%[1]。滑坡勘測與防治工程實踐證明地下水是誘發(fā)滑坡形成的主要因素[2]，而滲透流速是滑坡體地下水特征參數(shù)的主要指標之一[3]?；跓晒獗O(jiān)測法具有檢測限低、靈敏度高、取樣少、方法快捷等優(yōu)點，熒光監(jiān)測應(yīng)用在地下水滲透流速流向的測定中已有一個多世紀[4-5]。

光電流檢測的準確性是熒光監(jiān)測法精確測量的前提，如何提高地下水滲透流速測量精度是熒光監(jiān)測技術(shù)面臨的一個重要問題。一般從兩個方面進行研究，一是熒光試劑性質(zhì)方面，二是監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計方面。

在熒光試劑性質(zhì)研究方面，田繼東[6]從檢測條件、pH值、地層配伍性、地層吸附量等多個方面對市場上應(yīng)用廣泛的不同種類的熒光試劑的穩(wěn)定性進行測試試驗，篩選出YG-1為最佳檢測試劑；楊洗等[7]以羅丹明B為標準物，測定相同激發(fā)光波長條件下兩種熒光物質(zhì)的積分熒光強度，進而采用相對測量法對二氯熒光素稀釋液中的熒光量子產(chǎn)率進行計算。在儀器設(shè)計方面，陳新波[8]對整個熒光監(jiān)測系統(tǒng)進行了設(shè)計，通過設(shè)計的監(jiān)測系統(tǒng)進行室內(nèi)試驗得到了較為準確的水流流速；陳俊華等[9]對熒光監(jiān)測儀進行設(shè)計，利用光電信號后置放大電路進行光電流的優(yōu)化，從而提高了光電流檢測精度，有利于滲透流速精準測量。

上述兩方面均考慮比較單一，本文結(jié)合儀器設(shè)計與熒光試劑光電流特性兩方面，研制了室內(nèi)光電流檢測試驗裝置，并分析得到地下水溫度為光電流值的影響因素，并在室內(nèi)進行了溫度對光電流檢測的影響試驗，得到了溫度與光電流值之間的函數(shù)關(guān)系式，通過關(guān)系式可得到不同溫度所對應(yīng)的光電流值，對于精確測量地下水滲透流速具有重要意義。

1 光電流檢測系統(tǒng)設(shè)計

1.1 熒光檢測裝置設(shè)計

熒光監(jiān)測技術(shù)是依據(jù)熒光溶液濃度與地下水滲透流速的數(shù)學模型，利用檢測裝置對測孔內(nèi)熒光溶液濃度的稀釋變化進行檢測。地下水滲透流速測量過程中，投入測孔內(nèi)的熒光溶液不斷地被流經(jīng)測孔內(nèi)的地下水所稀釋，由于地下水所處環(huán)境較為復雜且為地表所覆蓋，熒光溶液濃度變化的實時值不易測得，而熒光試劑濃度的高低直接決定著熒光的強弱，不同強度熒光可轉(zhuǎn)化為相應(yīng)大小的電流值(即光電流)顯示于電腦客戶端上，基于光電轉(zhuǎn)換原理，進行檢測裝置的設(shè)計，主要目的是通過光電流值反饋熒光溶液濃度在地下水中變化的實時情況。檢測裝置設(shè)計需滿足兩個要求：(1)激發(fā)熒光溶液中的熒光分子發(fā)光。(2)將熒光轉(zhuǎn)化為光電流。依據(jù)上述兩個要求，可知檢測裝置的設(shè)計原理如圖1所示。

圖1 檢測探頭工作原理圖

激發(fā)光源發(fā)射的光通過上透鏡折射為平行光照射于熒光溶液中，溶液中熒光分子吸收足夠能量后躍遷到激發(fā)態(tài)，再通過各種途徑釋放能量回到基態(tài)，釋放能量的過程即為發(fā)射出熒光的過程[10-12]，此時的熒光和部分激發(fā)光則會穿過下透鏡，經(jīng)過濾光鏡過濾掉除熒光以外其他光之后，匯聚于光電轉(zhuǎn)換元件上并轉(zhuǎn)化為光電流值。

通過上述設(shè)計原理，選擇檢測裝置的組成元件，包括激發(fā)光源、透鏡、濾光鏡、光電轉(zhuǎn)換元件等。激發(fā)光源是提供特定波長激發(fā)光激發(fā)熒光試劑發(fā)出熒光；上透鏡可將散光折射為平行光，下透鏡將平行光匯聚為光點；濾光鏡可過濾掉除熒光外的其他波長的干擾光，光電轉(zhuǎn)換元件是將匯聚的光點轉(zhuǎn)化為電流。

1.2 其他設(shè)備選擇

采用進口的皮安表Keithley-6847進行光電流數(shù)據(jù)的存儲與讀??；利用USB接口的溫度傳感器Pt100進行試驗溫度實時監(jiān)測；恒流穩(wěn)壓源為激發(fā)光源提供穩(wěn)定的電流保證激發(fā)光線穩(wěn)定的輸出；穩(wěn)壓直流源實現(xiàn)交流到直流的轉(zhuǎn)換并為光電轉(zhuǎn)換元件提供穩(wěn)定電壓。

結(jié)合1.1節(jié)設(shè)計的熒光檢測裝置，連接相關(guān)穩(wěn)壓穩(wěn)流儀器及計算機等元件，組成一套室內(nèi)熒光檢測系統(tǒng)，如圖2所示。

圖2 室內(nèi)裝置連接示意圖

2 溫度對光電流影響檢測方案設(shè)計

地下水長期處于地底，存在環(huán)境較為復雜，熒光監(jiān)測技術(shù)進行地下水滲透流速測量過程中，地下水中影響光電流檢測的因素非常之多，其中，溫度的變化貫穿整個測量過程，而溫度對所選熒光試劑的光電流影響未知，因此，利用熒光監(jiān)測法進行地下水滲透流速的測量之前，則須先進行溫度對光電流值影響的研究，根據(jù)1.1節(jié)設(shè)計的室內(nèi)試驗裝置對室內(nèi)試驗進行研究。

室內(nèi)試驗采用單一控制變量法進行溫度與光電流之間關(guān)系的探索，由于光電流值與熒光溶液濃度之間存在相關(guān)的數(shù)學關(guān)系，因此，需設(shè)計多組熒光溶液濃度組進行參考對照，觀察同濃度組熒光溶液中溫度與光電流值的變化規(guī)律，比較不同濃度組間溫度與光電流值變化規(guī)律，并進行相應(yīng)的敏感性分析。

地下水溫度常年處于2～32 ℃之間，因此，設(shè)定試驗溫度為5～35 ℃之間。為避免室內(nèi)光線干擾試驗效果，利用遮光桶對熒光溶液進行遮光處理。設(shè)置試驗濃度分別為0.0050‰、0.0125‰、0.0250‰、0.0500‰、0.0750‰的熒光溶液組，在每組不同濃度的熒光溶液中，進行溫度為6 ℃、12 ℃、16 ℃、21 ℃、25 ℃、27 ℃、31 ℃時光電流值變化規(guī)律試驗。

3 試驗結(jié)果分析

根據(jù)熒光監(jiān)測法用于地下水滲透流速測定的熒光檢測試劑為Luyor-6200，本次室內(nèi)試驗檢測試劑即為Luyor-6200。試驗儀器：遮光筒、Pt100溫度傳感器、5000 mL量筒、規(guī)格為50 μL的注射器、玻璃攪拌棒。

將檢測裝置的檢測區(qū)域浸入濃度為0.0050‰的熒光溶液中，接通電路，觀察相同濃度、不同溫度條件下，光電流值隨時間變化情況，并記錄試驗數(shù)據(jù)。濃度為0.0050‰的熒光溶液中，檢測裝置測得光電流值變化結(jié)果如圖3所示。

圖3 濃度為0.0050‰熒光溶液中光電流值變化情況

由圖3可知，同一濃度條件下，熒光溶液中光電流值隨溫度的升高而降低；同一溫度條件下，光電流值隨時間的變幅微小，基本與X軸持平。就此曲線分析可知：溶液溫度為6℃時的光電流值約為0.75 μA，溶液溫度為31 ℃時，光電流值約為0.68 μA，試驗組最大溫差為25 ℃，隨著溫度的升高，光電流值整體下降約0.12 μA。

將檢測探頭檢測區(qū)域沒入濃度分別為0.0050‰、0.0125‰、0.0250‰、0.0500‰、0.0750‰的熒光溶液中，重復上述試驗過程，記錄并整理試驗數(shù)據(jù)，如圖4～圖7所示。

圖4 濃度為0.0125‰熒光溶液中光電流值變化情況

圖5 濃度為0.0250‰熒光溶液中光電流值變化情況

圖6 濃度為0.0500‰熒光溶液中光電流值變化情況

圖7 濃度為0.0750‰熒光溶液中光電流值變化情況

由圖4～圖7可知，同一濃度條件下，隨著溫度的升高，光電流值逐漸下降；同一濃度、溫度條件下，光電流值趨于穩(wěn)定狀態(tài)，與圖3結(jié)果一致。綜合光電流數(shù)據(jù)，繪制不同濃度條件下，光電流值與溫度的擬合曲線，擬合關(guān)系式如圖8所示。

圖8 不同濃度下光電流與溫度的擬合曲線

由圖8可知：同一濃度條件下，溫度與光電流值擬合關(guān)系呈線性相關(guān)，且擬合關(guān)系較好；不同濃度組間，光電流隨溫度的升高而減小。出現(xiàn)上述試驗現(xiàn)象原因是所選熒光試劑Luyor-6200對溫度較為敏感，溶液溫度下降時，介質(zhì)黏度增大，熒光物質(zhì)與分子的碰撞也隨之減小，去活化過程也減小，則熒光強度增加；相反，隨著溫度上升，熒光物質(zhì)與分子碰撞頻率增加，使去活化幾率增加，則熒光強度減弱，導致光電流減小，因此出現(xiàn)了隨著溫度升高光電流值反而降低的現(xiàn)象。由于濃度與光電流值本身之間存在一定的數(shù)學關(guān)系式，且由圖8可知，同一溫度下，光電流值與熒光試劑濃度之間存在正相關(guān)性。

綜上所得結(jié)果，熒光監(jiān)測法進行地下水滲透流速測量過程中，光電流值隨溫度的變化而變化，而實際測量中，地下水溫度不可控制，處于時刻變化狀態(tài)，因此光電流值基本處于變化狀態(tài)，而地下水為地表所覆蓋，增加了測量難度與成本。本文通過設(shè)計室內(nèi)光電流檢測系統(tǒng)得出光電流值與溫度之間的擬合關(guān)系式，同時結(jié)合光電流值與濃度之間的關(guān)系式，可快捷、方便地得到不同溫度下對應(yīng)的熒光試劑濃度值，進而求解出更為精確的地下水滲透流速。

4 結(jié) 語

本文設(shè)計了一套用于室內(nèi)光電流值的檢測系統(tǒng)，可進行影響因素對光電流值影響的檢測，辨別光電流值的主要影響因子與次要影響因子。利用設(shè)計的檢測系統(tǒng)進行了室內(nèi)模擬試驗，試驗結(jié)果表明，溫度為光電流值的主要影響因素，并建立了溫度與光電流值之間的函數(shù)關(guān)系式，求得不同溫度所對應(yīng)的熒光光電流值。

不同滑坡體地區(qū)的地下水環(huán)境影響因素不同，此檢測系統(tǒng)不僅適用于檢測試劑Luyor-6200的其他影響因素檢測，同樣也適用于除Luyor-6200外其他熒光檢測試劑的光電流值的檢測，并建立相關(guān)函數(shù)關(guān)系式，提高地下水滲透流速求解的準確性，因此，本文中的室內(nèi)檢測裝置具有一般適用性，這對于研究滑坡體的穩(wěn)定性具有實際的意義。