基于氧敏感膜的海水溶解氧測定技術(shù)研究

吳丙偉，張穎穎，張云燕，馮現(xiàn)東，袁達

(齊魯工業(yè)大學(xué)(山東省科學(xué)院)，山東省科學(xué)院海洋儀器儀表研究所，山東省海洋環(huán)境監(jiān)測技術(shù)重點實驗室，國家海洋監(jiān)測設(shè)備工程技術(shù)研究中心，山東 青島 266100)

海水的溶解氧含量影響海洋生物的生存[1]，同時也是衡量水質(zhì)優(yōu)劣和研究水體自凈能力的重要指標(biāo)，是海洋環(huán)境監(jiān)測重點項目之一。

目前，測量溶解氧的方法有Winkler碘量法、Clark電極法、基于壓力的方法和光學(xué)方法[2]。Winkler碘量法[3]是國際公認的測定水中溶解氧的基準方法，也是我國溶解氧測量的國家標(biāo)準方法之一[4]。該法雖然測量準確度較高，但是存在費時、費力、消耗試劑多等缺點，無法滿足現(xiàn)場連續(xù)測量的要求?；贑lark電極的電化學(xué)測量方法測量過程消耗氧氣，無法滿足靜止或低流速液體的測量要求?；趬毫Φ姆椒?，傳感器實際上并不測量氧氣濃度，而是測量汽車廢氣中氧氣量與供氣中的氧氣之間的差異，并不適合用于測量海水中溶解氧?；诠鈱W(xué)方法，溶解氧傳感器使用測量樣品光譜的方法測量，需要的測量系統(tǒng)復(fù)雜，目前在實驗室使用尚可，不適合長期布放在海上。使用比較器和D觸發(fā)器設(shè)計的測量熒光壽命的溶解氧測量原型樣機，使用分立元器件，受環(huán)境溫度和元器件質(zhì)量影響大，系統(tǒng)長期穩(wěn)定性達不到要求[5]。

本文基于熒光猝滅原理[6]，提出了一種準確度高、不消耗試劑和氧氣、適合長期布放在海上、系統(tǒng)簡單可靠、可直接測量溶解氧含量的氧敏感膜熒光信號檢測方法。

1 工作原理

溶解在水中的氧分子是一種常見的熒光猝滅劑，水中溶解氧濃度和熒光壽命滿足Stern-Volmer方程[7]

(1)

式中Co是待測液體中的溶解氧濃度，Ksv是溶解氧濃度系數(shù)，τ0是溶解氧在濃度為0時的熒光壽命，τ是溶解氧在待測液體中的熒光壽命。

熒光壽命與熒光相位差滿足如下方程[8-9]

(2)

式中φ是熒光相位差，f是激發(fā)光頻率。

由式(1)～(2)可知，利用正弦波激勵信號對照射在氧敏感膜上的光進行調(diào)制,熒光物質(zhì)在調(diào)制后入射光的有效激發(fā)下發(fā)射熒光,相應(yīng)的熒光信號波形也呈正弦規(guī)律變化，但是熒光相對于調(diào)制光有一滯后相移φ，測量到滯后相移φ即可得到相應(yīng)的溶解氧濃度。

2 氧敏感膜熒光信號檢測系統(tǒng)研究

如圖1所示，氧敏感膜熒光信號檢測系統(tǒng)[10]由氧敏感膜、光電檢測電路、光電驅(qū)動電路、溫度檢測電路、信號產(chǎn)生采集處理控制電路和RS485通信電路組成。其中，光電驅(qū)動電路分為LED驅(qū)動電路和光電二極管電路。

信號產(chǎn)生采集處理控制電路以FPGA 為核心，通過光電驅(qū)動電路中的LED驅(qū)動電路控制紅色、藍色LED燈亮滅，使用Cordic算法將內(nèi)部產(chǎn)生的正弦波激勵信號加入到紅藍LED燈中，紅色LED為系統(tǒng)參考光源，藍色LED為系統(tǒng)熒光激發(fā)光源。系統(tǒng)工作時，紅光LED和藍光LED交替亮滅，藍光LED照射在氧敏感膜上激發(fā)出熒光，通過ADC0將光電二極管捕獲到的熒光信號采集到FPGA內(nèi)部，通過數(shù)字的方式進行信號的正交相敏檢波，然后通過數(shù)字低通濾波器濾除高次諧波，得到熒光信號的幅值和相位值；紅光LED照射在氧敏感膜上不產(chǎn)生熒光，此時通過ADC0將光電二極管捕獲到的紅光信號采集到FPGA內(nèi)部，通過數(shù)字的方式進行信號的正交相敏檢波，然后通過數(shù)字低通濾波器濾除高次諧波得到紅光信號的幅值和相位值；將熒光信號的相位值減去紅光信號的相位值即可獲得系統(tǒng)的相位差值，相位差值可以反映出不同的溶解氧濃度；通過ADC1將熱敏電阻阻值采集到FPGA內(nèi)部，通過熱敏電阻與溫度計算算法求取氧敏感膜周圍海水的溫度值，不同的溫度影響相應(yīng)的溶解氧濃度；通過RS485將計算所得數(shù)據(jù)發(fā)送給電腦上位機軟件實時顯示。

圖1 氧敏感膜熒光信號檢測系統(tǒng)框圖Fig.1 Block diagram of fluorescence detection system of oxygen sensitive membrane

2.1 氧敏感膜選擇設(shè)計

氧敏感膜主要由兩部分組成，一部分是用于被猝滅的熒光物質(zhì)，另一部分是用于均勻分散固定熒光物質(zhì)的載體。熒光物質(zhì)以釕的絡(luò)合物為熒光指示劑，載體選擇黑色薄膜，同時還可以屏蔽自然光干擾。本設(shè)計采用商用成熟氧敏感膜作為檢測部件。

2.2 光電檢測電路設(shè)計

光電檢測電路分為藍光LED、紅光LED、光電二極管。氧敏感膜在470 nm波長激發(fā)光照射下能產(chǎn)生651 nm波長的熒光，本文選擇470 nm波長藍光LED作為激發(fā)光源，選用651 nm波長紅光LED作為參比光源，光電檢測元件選用光譜響應(yīng)范圍在400～800 nm，峰值靈敏度波長在651 nm附近的光電二極管。

2.3 光電驅(qū)動電路設(shè)計

光電驅(qū)動電路由LED驅(qū)動電路和光電二極管電路兩部分組成。如圖2所示，LED驅(qū)動電路由三極管Q1和模擬開關(guān)U4組成。三極管選用BC859 PNP三極管，可以作為信號輸入級驅(qū)動使用，具有高電流增益，低集電極發(fā)射極飽和電壓，工作頻率最高可達250 MHz。模擬開關(guān)選用MAX4641，為單片雙路單擲模擬開關(guān)，導(dǎo)通電阻為4 Ω，快速導(dǎo)通時間僅為20 ns，工作電壓為1.8～5.5 V，靜態(tài)功耗低于0.01 μW，全溫度范圍內(nèi)漏電流低于0.35 nA。

圖2 LED驅(qū)動電路Fig.2 LED drive circuit

FPGA輸出一個10 kHz的正弦波激勵信號，通過圖2中SMB端子接入到LED驅(qū)動電路，激勵信號通過電容C5接入到三極管Q1。電阻R2一端接三極管基極另一端接CtrlQ，CtrlQ連接至FPGA控制引腳，用來控制三極管導(dǎo)通關(guān)斷。紅光LED和藍光LED正極接在三極管集電極上，負極分別接在MAX4641第1引腳和第5引腳，MAX4641第2引腳和第4引腳接地，通過第7引腳和第3引腳可以控制紅光LED和藍光LED負極分別接地。第7引腳Ctrl-Red和第3引腳Ctrl-Blue分別連接至FPGA控制引腳。當(dāng)CtrlQ為低電平、Ctrl-Red為高電平時紅光LED點亮，激勵信號加在紅光LED上；同理當(dāng)CtrlQ為低電平、Ctrl-Blue為高電平時藍光LED點亮，激勵信號加在藍光LED上；當(dāng)CtrlQ為高電平、Ctrl-Red和Ctrl-Blue為低電平時紅光LED和藍光LED均熄滅。

如圖3所示，光電二極管電路由光電二極管電流轉(zhuǎn)電壓和低通濾波器兩部分組成，均通過AD8616運算放大器實現(xiàn)。AD8616是一款雙路軌至軌單電源供電運算放大器，供電電壓為2.7～5.0 V，具有失調(diào)電壓低、輸入信號帶寬大、輸入電壓電流噪聲低的優(yōu)點，適合應(yīng)用在光電二極管驅(qū)動電路上。

圖3 光電二極管電路Fig.3 Photodiode circuit

光電二極管D4負極通過電阻R5接入AD8616引腳2，正極接地。電阻R10用來將電流放大，電容C4為了消除振鈴現(xiàn)象，使電路更加穩(wěn)定，本設(shè)計電阻R10取1 MΩ，電容C4取10 pF。放大的信號OPAOUT通過引腳1連接至電阻R18。R18、R13、C15、C11組成了低通濾波器，濾除低于檢測頻率的噪聲干擾。經(jīng)過低通濾波后的信號OPBOUT連接至AD轉(zhuǎn)換器輸入引腳。

2.4 溫度檢測電路設(shè)計

溫度檢測電路如圖4所示，由熱敏電阻、運放AD8628和AD轉(zhuǎn)換器(AD7980)組成。AD8628是一款軌至軌單電源供電運算放大器，供電電壓為2.7～5.0 V 。運放失調(diào)電壓僅為1 μV,失調(diào)電壓溫漂為0.002 μV/℃，偏置電流最大為100 pA 。AD8628 適合作為 NTC運算放大器使用。熱敏電阻與分壓電阻R8公共端接入運放AD8628組成的射極跟隨器，然后連接入AD7980進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，AD7980通過SPI方式連接FPGA。

圖4 溫度檢測電路Fig.4 Temperature detection circuit

2.5 信號產(chǎn)生采集處理控制電路

對光電二極管輸出信號進行AD轉(zhuǎn)換的電路如圖5所示，選用AD7980作為模數(shù)轉(zhuǎn)換器。AD7980是一個16位逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器，可以使用單電源2.5 V供電，內(nèi)置一個總功耗7 mW、最大1 sample/s數(shù)據(jù)吞吐速率、16位采樣 ADC和一個SPI兼容接口。當(dāng)CNV引腳信號處在上升沿時，AD7980對IN+引腳與IN-引腳之間的模擬輸入電壓差進行采樣，輸入電壓可以從0 V至 基準電壓REF?；鶞孰妷篟EF由外部電路提供，并且可以獨立于電源電壓VDD，和吞吐速率變化時相應(yīng)的功耗呈線性變化。待轉(zhuǎn)換信號OPBOUT通過電阻R22連接至AD7980輸入引腳3，AD7980通過SPI方式同F(xiàn)PGA連接，本文采用1 sample/s數(shù)據(jù)吞吐速率，單電源2.5 V供電，基準電壓REF選用2.5 V，由基準電壓芯片專門提供。

圖5 AD轉(zhuǎn)換電路Fig.5 AD converter

FPGA選用英特爾CYCLONE IV E系列，電路主要由電源電路、晶振電路、程序下載電路等滿足FPGA正常工作的最小系統(tǒng)組成。FPGA主要是使用Cordic算法給激發(fā)光源和參比光源產(chǎn)生一個10 kHz的正弦波激勵信號，驅(qū)動兩路AD7980分別采集光電二極管和熱敏電阻信號，控制三極管Q1和模擬開關(guān)MAX4641的通斷，將檢測到的相位差值和溫度通過RS485通信電路發(fā)送給上位機。

3 系統(tǒng)測試

為了驗證氧敏感膜熒光信號檢測系統(tǒng)的性能，首先對本系統(tǒng)進行了恒定溫度下改變?nèi)芙庋鯘舛群秃愣囟?、恒定濃度測定熒光相位差變化的測試，分別驗證熒光信號檢測系統(tǒng)對熒光相位滯后的檢測能力和系統(tǒng)穩(wěn)定性；然后通過恒定溫度下配置無氧水和氧飽和水，測定熒光信號檢測系統(tǒng)相位值和通過Winkler碘量法測定實際溶解氧濃度，對熒光信號檢測系統(tǒng)進行了標(biāo)定，最后通過標(biāo)定后的系統(tǒng)進行了數(shù)據(jù)測試比對。

3.1 改變?nèi)芙庋鯘舛葻晒庀辔徊钭兓瘻y試

將氧敏感膜熒光信號檢測系統(tǒng)置于圓柱形檢測桶中，檢測桶使用不銹鋼材質(zhì)，內(nèi)徑為130 mm，高400 mm，體積約為5.3 L，桶內(nèi)放入未進行預(yù)處理的海水，再將檢測桶置于恒溫槽中，可以通過向檢測桶內(nèi)通氮氣和氧氣的方法改變水中的溶解氧濃度。氧敏感膜熒光信號檢測系統(tǒng)可以連接到PC機，通過PC機顯示所測熒光信號的相位差值和溫度值，通過取水樣然后在實驗室使用Winkler碘量法測定溶解氧濃度。

通過向檢測桶內(nèi)通氧氣的方法增加水中溶解氧的含量，表1即為固定20 ℃，改變?nèi)芙庋鯘舛龋瑴y定得到的熒光相位差的單次測試數(shù)據(jù)，圖6為熒光相位差(φ)與溶解氧濃度(Co)關(guān)系。

表1 熒光相位差測試數(shù)據(jù)

續(xù)表1

圖6 熒光相位差與溶解氧濃度關(guān)系Fig.6 Relationship between the fluorescence phase difference and dissolved oxygen concentration

3.2 恒溫?zé)晒庀辔徊钭兓瘻y試

保持恒溫槽溫度在20 ℃，保持檢測桶密封，通過專門取水口每隔10 min取一次水樣檢測，得到5 h溶解氧濃度和熒光相位變化數(shù)據(jù)，經(jīng)計算溶解氧濃度在285.714 μmol/L附近變化，標(biāo)準差大約只有0.836 μmol/L，熒光相位差在28.021°附近變化，標(biāo)準差大約為0.031°,如圖7所示。

圖7 溶解氧濃度和熒光相位差隨時間變化圖Fig.7 Changes of dissolved oxygen concentration and fluorescence phase difference over time

3.3 系統(tǒng)數(shù)據(jù)比對測試

在實驗室配置無氧水和氧飽和水，然后分別通過檢測桶放置在20 ℃恒溫槽內(nèi)，通過測量無氧水、氧飽和水可以求出式(1)中溶解氧濃度系數(shù)Ksv，溶解氧在濃度為0時的熒光壽命τ0。然后使用3.1節(jié)所用方法，通過標(biāo)定完成后的氧敏感膜熒光信號檢測系統(tǒng)和碘量法比對測量檢測桶內(nèi)溶解氧變化,如表2所示。

表2 氧敏感膜熒光信號檢測系統(tǒng)和碘量法比對數(shù)據(jù)

表2所測數(shù)據(jù)點溶解氧飽和度從100%減小到11.56%，通過表中數(shù)據(jù)可知，氧敏感膜熒光信號檢測系統(tǒng)所測數(shù)據(jù)與碘量法誤差最大為5.15 μmol/L，數(shù)據(jù)準確度比較好，兩種方法變化趨勢相同，數(shù)據(jù)相關(guān)度比較好。

4 結(jié)論

通過恒定溫度下改變?nèi)芙庋鯘舛葴y定熒光相位差變化、恒定溫度濃度測定熒光相位差變化以及系統(tǒng)數(shù)據(jù)比對測試3個實驗，分別測試了熒光信號檢測系統(tǒng)對熒光相位滯后檢測能力、整體的系統(tǒng)穩(wěn)定性和系統(tǒng)測試數(shù)據(jù)的準確度，所測指標(biāo)均能滿足設(shè)計要求。本文設(shè)計的海水中氧敏感膜熒光信號檢測系統(tǒng)通過進一步在不同溫度情況下標(biāo)定，可以作為一種海水溶解氧測量儀器，在海洋原位溶解氧監(jiān)測方面可以替代Winkler碘量法，具有良好的應(yīng)用推廣前景。