1材料與方法

1.1溶解氧的測量機理

水體中溶解氧濃度測量是基于熒光淬滅機理，由于O2分子與熒光指示劑相互作用，導致熒光強度的衰減及熒光壽命的縮短，而熒光強度的衰減及熒光壽命的縮短與氧的濃度成比例關(guān)系，該方法已成功的用于醫學(xué)、生物、以及海洋領(lǐng)域中溶解氧濃度的觀(guān)測。水體中溶解氧濃度測量可以用Stern-Volmer方程表示：

(1)

其中：I0、τ0表示在無(wú)氧(氧=0)情況下的最大熒光光強或壽命；I、τ表示在有氧(氧)下的熒光光強或壽命；ksv是Stern-Volmer淬滅常數。

實(shí)際應用中，傳感膜內的指示劑分子不可能全部發(fā)生熒光淬滅效應，設定其中未參與部分的比例為A，則參與部分為1-A，那么可以修改式(1)得到以下方程：

為克服熒光強度測量容易受外界環(huán)境的照射強度、光照不均勻及熒光指示劑分布不均勻等因素的影響而導致測量精度和穩定性下降的缺陷，采用比率測量法，即同時(shí)測量對溶解氧不敏感的熒光作為參考光，利用同步測量的指示劑熒光激發(fā)強度與參考光強的比值替代單一的發(fā)射熒光，這樣可以有效地改善發(fā)射熒光強度測量對環(huán)境因素敏感的問(wèn)題。在比率法測量中，將式(2)中的I和I0替換成I=IP/IM，I0=IP0/IM0，則公式(2)可以改寫(xiě)為：

通過(guò)校準確定ksv、A、I和I0系數，利用公式(3)就可計算出氧的濃度。

1.2溶解氧平面光極制備

前人對PtOEP的熒光淬滅特性進(jìn)行了詳細的研究，本文采用對氧分子具有良好淬滅作用的八乙基卟啉鉑(Platinum(II)octaethylporphyrin，PtOEP)作為溶解氧熒光指示劑，摻雜對氧分子無(wú)響應的香豆素染料作為熒光能量供體，在激勵光源的照射下，包埋在薄膜中的PtOEP可以647 nm附近產(chǎn)生一個(gè)較強的發(fā)射熒光。由于PtOEP和香豆素染料都在480 nm附近存在一個(gè)吸收峰，因此可以采用同一個(gè)激勵光源對熒光指示劑和香豆素進(jìn)行激勵。將PtOEP、香豆素染料、聚苯乙烯，按照1%/1%/4%(wt/wt/wt)的比例溶解于三氯甲烷中形成均勻的液體，利用厚度為125μm的PETP膜作為支撐膜，采用刀片式涂膜機將制備的混合液均勻的涂布在支撐膜表面，形成約100μm厚的液體膜，在室溫下靜止6 h，待溶劑揮發(fā)后形成厚度<10μm，面積為150 mm×150 mm的傳感膜。利用光譜儀對制備傳感膜進(jìn)行檢測，其光譜響應如圖1所示。香豆素的發(fā)射波長(cháng)峰值在500 nm附近，熒光指示劑的發(fā)射波長(cháng)峰值在650 nm附近。這2個(gè)波長(cháng)的發(fā)射光中，只有熒光指示劑熒光強度與溶解氧濃度相關(guān)，其中香豆素熒光強度不受溶解氧濃度影響，并且兩者峰值位置存在著(zhù)較大的差距，有效地減少了相互之間的光學(xué)干擾。圖2為所采用的3CCD相機的3個(gè)光譜通道的響應，因此在光學(xué)鏡頭中設置一個(gè)470 nm長(cháng)通濾波器將光源發(fā)射光濾除，就可利用綠光CCD和紅光CCD同時(shí)記錄PtOEP熒光指示劑的發(fā)射光和香豆素參考光的光強，簡(jiǎn)化了光路系統，簡(jiǎn)化了平面光極觀(guān)測系統的光路結。

1.3平面光極觀(guān)測系統

實(shí)驗所用激勵光源為深圳市天耀光電有限公司的大功率LED(SP1-S6BC-1)，其中心波長(cháng)為460 nm，滿(mǎn)足激發(fā)八乙基卟啉鉑的需求。將3個(gè)LED與聚光燈罩集成作為激發(fā)光源。為了避免單側光照射帶來(lái)的光強不均勻，采用2組照明光源，在相機的兩側對稱(chēng)放置。

熒光圖像采用美國JAI AT-200GE面陣3CCD相機，該相機在R/G/B 3個(gè)波段各采用了1個(gè)1/1.8英寸CCD，每個(gè)CCD的像素分辨率為1 624×1 236。利用3CCD相機，其中2個(gè)光譜帶CCD可以分別記錄熒光指示劑的發(fā)射熒光和香豆素的參考光，同時(shí)在鏡頭前端安置一個(gè)長(cháng)通濾波片(>470 nm)，阻止背景光及激發(fā)反射光進(jìn)入鏡頭。實(shí)驗觀(guān)測裝置如圖3所示，3CCD相機正對傳感膜，而光源與傳感膜觀(guān)測面呈30°角。

圖3模擬實(shí)驗裝置

1.4傳感膜校準

溶解氧傳感膜在實(shí)際應用之前，需要對傳感膜進(jìn)行校準，本文采用了兩點(diǎn)校準擬合方法。校準實(shí)驗采用向飽和溶解氧的人工海水(S=32)中按一定比例分步添加無(wú)水亞硫酸鈉粉末消耗溶解氧的方法，整個(gè)校準實(shí)驗過(guò)程中，實(shí)驗室溫度控制在25℃。為了盡量保持溶解氧分布的均勻，以及考慮到傳感膜的響應時(shí)間，每次添加無(wú)水亞硫酸鈉粉末到觀(guān)測水槽后，對人工海水進(jìn)行充分的攪拌，并穩定10 s后再進(jìn)行圖像的采集。在校準過(guò)程中，利用便攜式溶解氧測量?jì)x(型號：YSI-DO200)同步記錄水體中的溶解氧。該溶解氧儀的測量范圍為0～20 mg/L，分辨率為0.01 mg/L，精度為±2%。每個(gè)校準點(diǎn)分別用YSI-DO200和相機進(jìn)行同步記錄，然后利用公式(3)計算每個(gè)像素的溶解氧濃度值，并繪制每個(gè)像素的擬合Stern-Volmer曲線(xiàn)。圖4為溶解氧平面傳感膜的校準曲線(xiàn)，橫坐標為溶解氧的絕對含量(mg/L)，縱坐標為像素光強比，根據測量值擬合后的參數為：A=0.432 18±0.006 6，ksv=0.396 94±0.045 42，表明傳感膜中平均56.79%的指示劑參與了熒光淬滅。

圖4平面光極的像素準曲線(xiàn)(室溫25℃)