基于氧敏感膜的海水溶解氧測定技術研究

吳丙偉，張穎穎，張云燕，馮現東，袁達

(齊魯工業大學(山東省科學院)，山東省科學院海洋儀器儀表研究所，山東省海洋環境監測技術重點實驗室，國家海洋監測設備工程技術研究中心，山東 青島 266100)

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

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，無法滿足現場連續測量的要求?；贑lark電極的電化學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。基于光學方法，溶解氧傳感器使用測量樣品光譜的方法測量，需要的測量系統復雜，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觸發器設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，受環境溫度和元器件質量影響大，系統長期穩定性達不到要求[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，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制,熒光物質在調制后入射光的有效激發下發射熒光,相應的熒光信號波形也呈正弦規律變化，但是熒光相對于調制光有一滯后相移φ，測量到滯后相移φ即可得到相應的溶解氧濃度。

2 氧敏感膜熒光信號檢測系統研究

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

信號產生采集處理控制電路以FPGA 為核心，通過光電驅動電路中的LED驅動電路控制紅色、藍色LED燈亮滅，使用Cordic算法將內部產生的正弦波激勵信號加入到紅藍LED燈中，紅色LED為系統參考光源，藍色LED為系統熒光激發光源。系統工作時，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內部，通過數字的方式進行信號的正交相敏檢波，然后通過數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內部，通過數字的方式進行信號的正交相敏檢波，然后通過數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的溶解氧濃度；通過RS485將計算所得數據發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框圖Fig.1 Block diagram of fluorescence detection system of oxygen sensitive membrane

2.1 氧敏感膜選擇設計

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，另一部分是用于均勻分散固定熒光物質的載體。熒光物質以釕的絡合物為熒光指示劑，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波長激發光照射下能產生651 nm波長的熒光，本文選擇470 nm波長藍光LED作為激發光源，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 光電驅動電路設計

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

圖2 LED驅動電路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，用來控制三極管導通關斷。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電壓和低通濾波器兩部分組成，均通過AD8616運算放大器實現。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，具有失調電壓低、輸入信號帶寬大、輸入電壓電流噪聲低的優點，適合應用在光電二極管驅動電路上。

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為了消除振鈴現象，使電路更加穩定，本設計電阻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。經過低通濾波后的信號OPBOUT連接至AD轉換器輸入引腳。

2.4 溫度檢測電路設計

溫度檢測電路如圖4所示，由熱敏電阻、運放AD8628和AD轉換器(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 。運放失調電壓僅為1 μV,失調電壓溫漂為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進行模數轉換，AD7980通過SPI方式連接FPGA。

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

2.5 信號產生采集處理控制電路

對光電二極管輸出信號進行AD轉換的電路如圖5所示，選用AD7980作為模數轉換器。AD7980是一個16位逐次逼近型模數轉換器，可以使用單電源2.5 V供電，內置一個總功耗7 mW、最大1 sample/s數據吞吐速率、16位采樣 ADC和一個SPI兼容接口。當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的功耗呈線性變化。待轉換信號OPBOUT通過電阻R22連接至AD7980輸入引腳3，AD7980通過SPI方式同FPGA連接，本文采用1 sample/s數據吞吐速率，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組成。FPGA主要是使用Cordic算法給激發光源和參比光源產生一個10 kHz的正弦波激勵信號，驅動兩路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MAX4641的通斷，將檢測到的相位差值和溫度通過RS485通信電路發送給上位機。

3 系統測試

為了驗證氧敏感膜熒光信號檢測系統的性能，首先對本系統進行了恒定溫度下改變溶解氧濃度和恒定溫度、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對熒光相位滯后的檢測能力和系統穩定性；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進行了標定，最后通過標定后的系統進行了數據測試比對。

3.1 改變溶解氧濃度熒光相位差變化測試

將氧敏感膜熒光信號檢測系統置于圓柱形檢測桶中，檢測桶使用不銹鋼材質，內徑為130 mm，高400 mm，體積約為5.3 L，桶內放入未進行預處理的海水，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 ℃，改變溶解氧濃度，測定得到的熒光相位差的單次測試數據，圖6為熒光相位差(φ)與溶解氧濃度(Co)關系。

表1 熒光相位差測試數據

續表1

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

3.2 恒溫熒光相位差變化測試

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據，經計算溶解氧濃度在285.714 μmol/L附近變化，標準差大約只有0.836 μmol/L，熒光相位差在28.021°附近變化，標準差大約為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 系統數據比對測試

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，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Ksv，溶解氧在濃度為0時的熒光壽命τ0。然后使用3.1節所用方法，通過標定完成后的氧敏感膜熒光信號檢測系統和碘量法比對測量檢測桶內溶解氧變化,如表2所示。

表2 氧敏感膜熒光信號檢測系統和碘量法比對數據

表2所測數據點溶解氧飽和度從100%減小到11.56%，通過表中數據可知，氧敏感膜熒光信號檢測系統所測數據與碘量法誤差最大為5.15 μmol/L，數據準確度比較好，兩種方法變化趨勢相同，數據相關度比較好。

4 結論

通過恒定溫度下改變溶解氧濃度測定熒光相位差變化、恒定溫度濃度測定熒光相位差變化以及系統數據比對測試3個實驗，分別測試了熒光信號檢測系統對熒光相位滯后檢測能力、整體的系統穩定性和系統測試數據的準確度，所測指標均能滿足設計要求。本文設計的海水中氧敏感膜熒光信號檢測系統通過進一步在不同溫度情況下標定，可以作為一種海水溶解氧測量儀器，在海洋原位溶解氧監測方面可以替代Winkler碘量法，具有良好的應用推廣前景。