基于探測熒光壽命的溶解氧濃度測量系統(tǒng)

初鳳紅，葉磊，楊俊杰，王計(jì)元

（1.上海電力學(xué)院計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院，上海200090; 2.蕪湖供電公司，安徽蕪湖 241000）

測定溶解氧濃度對于工業(yè)、醫(yī)療、環(huán)保、生物等領(lǐng)域具有非常重要的意義［1-5］.由于光纖溶解氧傳感器具有靈敏度高、響應(yīng)速度快、不受電磁場干擾、可進(jìn)行連續(xù)的遠(yuǎn)程在線監(jiān)控等優(yōu)點(diǎn)，具有廣闊的應(yīng)用前景和巨大的潛在市場.本文研究了基于熒光猝滅原理的光纖溶解氧傳感特性.

本文以鄰菲咯啉釕為熒光指示劑，利用溶膠-凝膠工藝，以正硅酸四乙酯和有機(jī)硅氧烷甲基三乙氧基硅烷作為反應(yīng)先驅(qū)物，制備有機(jī)-無機(jī)混合的多孔薄膜材料，用于固定熒光指示劑分子.另外，選用了聚甲基丙烯酸甲脂塑料光纖作為傳光和傳感原件，將傳感頭制成U型以提高其靈敏度.采用相移法測量熒光壽命，通過熒光壽命與溶解氧濃度的關(guān)系測量水中溶解氧的濃度.

1 實(shí)驗(yàn)原理

由于氧氣對熒光具有猝滅作用，會導(dǎo)致熒光強(qiáng)度降低和壽命縮短.因此，可通過檢測熒光強(qiáng)度或者壽命的變化來檢測溶解氧的濃度.其關(guān)系可用Stern-Volmer來描述：

金屬釕絡(luò)合物的熒光強(qiáng)度和熒光壽命與溶解氧濃度存在一一對應(yīng)的關(guān)系，加上它激發(fā)壽命長、不耗氧，以及自身的穩(wěn)定性較好，因此本實(shí)驗(yàn)選用鄰菲咯啉釕為熒光指示劑，其結(jié)構(gòu)如圖1所示.

圖1 鄰菲咯啉釕的結(jié)構(gòu)

由于熒光壽命是熒光物質(zhì)的本征參量，不受外界因素的影響，因此可通過對熒光壽命進(jìn)行測定，以提高檢測準(zhǔn)確度，增強(qiáng)其抗干擾能力.可采用相移法來實(shí)現(xiàn)對熒光壽命的測定［6］.實(shí)驗(yàn)采用的激發(fā)光是正弦調(diào)制過的光信號，由于系統(tǒng)接收到的熒光信號很微弱，因此需要采用兩級運(yùn)放來對信號進(jìn)行放大.圖2是光源調(diào)制電路原理圖.

圖2 光源調(diào)制電路原理

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 熒光壽命與溶解氧的關(guān)系曲線

本實(shí)驗(yàn)選用溶膠-凝膠法制備氧傳感膜.在溶膠-凝膠過程的眾多參數(shù)中，先驅(qū)體的選擇對固定在溶膠-凝膠基質(zhì)中釕配合物指示劑的熒光猝滅行為有重要影響.硅基溶膠-凝膠材料被認(rèn)為是有前途的載體材料.這類材料通常采用四官能度的正硅酸乙酯為前驅(qū)物，并在其中加入多種不同的有機(jī)官能團(tuán)以制成有機(jī)改性的溶膠-凝膠玻璃材料.本實(shí)驗(yàn)以正硅酸四乙酯和甲基三乙氧基硅烷作為反應(yīng)先驅(qū)物制備有機(jī)-無機(jī)混合的多孔薄膜材料，用于固定熒光指示劑分子，其中的甲基三乙氧基硅烷可以提高膜的柔韌性及對氧氣的通透性.

在實(shí)驗(yàn)過程中，選擇鄰菲咯啉釕濃度為2 mg/ml的溶膠-凝膠作為敏感材料，用提拉法將敏感材料涂至塑料光纖側(cè)面，U型光纖的彎曲半徑為6 cm，實(shí)驗(yàn)溫度為20℃.圖3為熒光壽命與溶解氧濃度的關(guān)系曲線，從圖3可以看出二者呈線性關(guān)系，相關(guān)系數(shù)R為0.98.

圖3 熒光壽命與溶解氧濃度的關(guān)系曲線

2.2 系統(tǒng)的檢測下限和檢測靈敏度

為了測量系統(tǒng)的檢測下限，首先往傳感池中通入900 m l/min的氮?dú)猓€(wěn)定后記錄系統(tǒng)的相位差Φ0，然后通入氮氧混合氣體，測得Φ0為55.85°，系統(tǒng)可以分辨的相位差為0.05°.當(dāng)通入900 ml/min氮?dú)夂?.5 ml/min氧氣混合氣體時(shí)，Φ為55.80°，通過計(jì)算可得系統(tǒng)的檢測下限為0.36 mg/L.在測量系統(tǒng)靈敏度時(shí)，先往傳感池中通入900 m l/min的氮?dú)夂?.5 m l/min的氧氣混合氣體，測得Φ為55.71°，而往傳感池中通900 ml/min氮?dú)夂? ml/min氧氣混合氣體時(shí)，Φ為 55.65°，由此可計(jì)算出系統(tǒng)的靈敏度為0.02 mg/ L，達(dá)到了國內(nèi)同類產(chǎn)品的先進(jìn)水平.

3 結(jié)語

本文基于熒光猝滅原理，利用探測指示劑熒光壽命的方法制備了溶解氧濃度測量系統(tǒng).通過測量，發(fā)現(xiàn)指示劑熒光壽命與溶解氧濃度呈線性關(guān)系，相關(guān)系數(shù)R為0.98，并通過測得的檢測下限和靈敏度，表明該系統(tǒng)達(dá)到國內(nèi)同類產(chǎn)品的先進(jìn)水平.

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［3］PATRICK D O’Neal，MELEDEOM Adam，JUSTIN R Davis，et al.Oxygen sensor based on the fluorescence quenching of a ruthenium complex immobilized in a jbiocompatible poly （ethylene glycol）hydrogel［J］.IEEE Sensor Journal，2004 （4）：728-734.

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（編輯蘇娟）