1材料與方法

1.1溶解氧的測量機(jī)理

水體中溶解氧濃度測量是基于熒光淬滅機(jī)理，由于O2分子與熒光指示劑相互作用，導(dǎo)致熒光強(qiáng)度的衰減及熒光壽命的縮短，而熒光強(qiáng)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(yī)學(xué)、生物、以及海洋領(lǐng)域中溶解氧濃度的觀測。水體中溶解氧濃度測量可以用Stern-Volmer方程表示：

(1)

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

實際應(yīng)用中，傳感膜內(nèi)的指示劑分子不可能全部發(fā)生熒光淬滅效應(yīng)，設(shè)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(qiáng)度測量容易受外界環(huán)境的照射強(qiáng)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(dǎo)致測量精度和穩(wěn)定性下降的缺陷，采用比率測量法，即同時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(qiáng)度與參考光強(qiáng)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(qiáng)度測量對環(huán)境因素敏感的問題。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)可以改寫為：

通過校準(zhǔn)確定ksv、A、I和I0系數(shù)，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(xì)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，摻雜對氧分子無響應(yīng)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)生一個較強(qiáng)的發(fā)射熒光。由于PtOEP和香豆素染料都在480 nm附近存在一個吸收峰，因此可以采用同一個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(jī)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(yīng)如圖1所示。香豆素的發(fā)射波長峰值在500 nm附近，熒光指示劑的發(fā)射波長峰值在650 nm附近。這2個波長的發(fā)射光中，只有熒光指示劑熒光強(qiáng)度與溶解氧濃度相關(guān)，其中香豆素?zé)晒鈴?qiáng)度不受溶解氧濃度影響，并且兩者峰值位置存在著較大的差距，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(jī)的3個光譜通道的響應(yīng)，因此在光學(xué)鏡頭中設(shè)置一個470 nm長通濾波器將光源發(fā)射光濾除，就可利用綠光CCD和紅光CCD同時記錄PtOEP熒光指示劑的發(fā)射光和香豆素參考光的光強(qiáng)，簡化了光路系統(tǒng)，簡化了平面光極觀測系統(tǒng)的光路結(jié)。

1.3平面光極觀測系統(tǒng)

實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)，其中心波長為460 nm，滿足激發(fā)八乙基卟啉鉑的需求。將3個LED與聚光燈罩集成作為激發(fā)光源。為了避免單側(cè)光照射帶來的光強(qiáng)不均勻，采用2組照明光源，在相機(jī)的兩側(cè)對稱放置。

熒光圖像采用美國JAI AT-200GE面陣3CCD相機(jī)，該相機(jī)在R/G/B 3個波段各采用了1個1/1.8英寸CCD，每個CCD的像素分辨率為1 624×1 236。利用3CCD相機(jī)，其中2個光譜帶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，同時在鏡頭前端安置一個長通濾波片(>470 nm)，阻止背景光及激發(fā)反射光進(jìn)入鏡頭。實驗觀測裝置如圖3所示，3CCD相機(jī)正對傳感膜，而光源與傳感膜觀測面呈30°角。

圖3模擬實驗裝置

1.4傳感膜校準(zhǔn)

溶解氧傳感膜在實際應(yīng)用之前，需要對傳感膜進(jìn)行校準(zhǔn)，本文采用了兩點校準(zhǔn)擬合方法。校準(zhǔn)實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水亞硫酸鈉粉末消耗溶解氧的方法，整個校準(zhǔn)實驗過程中，實驗室溫度控制在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(yīng)時間，每次添加無水亞硫酸鈉粉末到觀測水槽后，對人工海水進(jìn)行充分的攪拌，并穩(wěn)定10 s后再進(jìn)行圖像的采集。在校準(zhǔn)過程中，利用便攜式溶解氧測量儀(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%。每個校準(zhǔn)點分別用YSI-DO200和相機(jī)進(jìn)行同步記錄，然后利用公式(3)計算每個像素的溶解氧濃度值，并繪制每個像素的擬合Stern-Volmer曲線。圖4為溶解氧平面?zhèn)鞲心さ男?zhǔn)曲線，橫坐標(biāo)為溶解氧的絕對含量(mg/L)，縱坐標(biāo)為像素光強(qiáng)比，根據(jù)測量值擬合后的參數(shù)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(zhǔn)曲線(室溫25℃)