1材料与方法


1.1溶解氧的测量机理


水体中溶解氧浓度测量是基于荧光淬灭机理，由于O2分子与荧光指示剂相互作用，导致荧光强度的衰减及荧光寿命的缩短，而荧光强度的衰减及荧光寿命的缩短与氧的浓度成比例关系，该方法已成功的用于医学、生物、以及海洋领域中溶解氧浓度的观测。水体中溶解氧浓度测量可以用Stern-Volmer方程表示：

(1)


其中：I0、τ0表示在无氧(氧=0)情况下的最大荧光光强或寿命；I、τ表示在有氧(氧)下的荧光光强或寿命；ksv是Stern-Volmer淬灭常数。


实际应用中，传感膜内的指示剂分子不可能全部发生荧光淬灭效应，设定其中未参与部分的比例为A，则参与部分为1-A，那么可以修改式(1)得到以下方程：


为克服荧光强度测量容易受外界环境的照射强度、光照不均匀及荧光指示剂分布不均匀等因素的影响而导致测量精度和稳定性下降的缺陷，采用比率测量法，即同时测量对溶解氧不敏感的荧光作为参考光，利用同步测量的指示剂荧光激发强度与参考光强的比值替代单一的发射荧光，这样可以有效地改善发射荧光强度测量对环境因素敏感的问题。在比率法测量中，将式(2)中的I和I0替换成I=IP/IM，I0=IP0/IM0，则公式(2)可以改写为：

通过校准确定ksv、A、I和I0系数，利用公式(3)就可计算出氧的浓度。


1.2溶解氧平面光极制备


前人对PtOEP的荧光淬灭特性进行了详细的研究，本文采用对氧分子具有良好淬灭作用的八乙基卟啉铂(Platinum(II)octaethylporphyrin，PtOEP)作为溶解氧荧光指示剂，掺杂对氧分子无响应的香豆素染料作为荧光能量供体，在激励光源的照射下，包埋在薄膜中的PtOEP可以647 nm附近产生一个较强的发射荧光。由于PtOEP和香豆素染料都在480 nm附近存在一个吸收峰，因此可以采用同一个激励光源对荧光指示剂和香豆素进行激励。将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匀的液体，利用厚度为125μm的PETP膜作为支撑膜，采用刀片式涂膜机将制备的混合液均匀的涂布在支撑膜表面，形成约100μm厚的液体膜，在室温下静止6 h，待溶剂挥发后形成厚度<10μm，面积为150 mm×150 mm的传感膜。利用光谱仪对制备传感膜进行检测，其光谱响应如图1所示。香豆素的发射波长峰值在500 nm附近，荧光指示剂的发射波长峰值在650 nm附近。这2个波长的发射光中，只有荧光指示剂荧光强度与溶解氧浓度相关，其中香豆素荧光强度不受溶解氧浓度影响，并且两者峰值位置存在着较大的差距，有效地减少了相互之间的光学干扰。图2为所采用的3CCD相机的3个光谱通道的响应，因此在光学镜头中设置一个470 nm长通滤波器将光源发射光滤除，就可利用绿光CCD和红光CCD同时记录PtOEP荧光指示剂的发射光和香豆素参考光的光强，简化了光路系统，简化了平面光极观测系统的光路结。


1.3平面光极观测系统


实验所用激励光源为深圳市天耀光电有限公司的大功率LED(SP1-S6BC-1)，其中心波长为460 nm，满足激发八乙基卟啉铂的需求。将3个LED与聚光灯罩集成作为激发光源。为了避免单侧光照射带来的光强不均匀，采用2组照明光源，在相机的两侧对称放置。

荧光图像采用美国JAI AT-200GE面阵3CCD相机，该相机在R/G/B 3个波段各采用了1个1/1.8英寸CCD，每个CCD的像素分辨率为1 624×1 236。利用3CCD相机，其中2个光谱带CCD可以分别记录荧光指示剂的发射荧光和香豆素的参考光，同时在镜头前端安置一个长通滤波片(>470 nm)，阻止背景光及激发反射光进入镜头。实验观测装置如图3所示，3CCD相机正对传感膜，而光源与传感膜观测面呈30°角。

图3模拟实验装置


1.4传感膜校准


溶解氧传感膜在实际应用之前，需要对传感膜进行校准，本文采用了两点校准拟合方法。校准实验采用向饱和溶解氧的人工海水(S=32)中按一定比例分步添加无水亚硫酸钠粉末消耗溶解氧的方法，整个校准实验过程中，实验室温度控制在25℃。为了尽量保持溶解氧分布的均匀，以及考虑到传感膜的响应时间，每次添加无水亚硫酸钠粉末到观测水槽后，对人工海水进行充分的搅拌，并稳定10 s后再进行图像的采集。在校准过程中，利用便携式溶解氧测量仪(型号：YSI-DO200)同步记录水体中的溶解氧。该溶解氧仪的测量范围为0～20 mg/L，分辨率为0.01 mg/L，精度为±2%。每个校准点分别用YSI-DO200和相机进行同步记录，然后利用公式(3)计算每个像素的溶解氧浓度值，并绘制每个像素的拟合Stern-Volmer曲线。图4为溶解氧平面传感膜的校准曲线，横坐标为溶解氧的绝对含量(mg/L)，纵坐标为像素光强比，根据测量值拟合后的参数为：A=0.432 18±0.006 6，ksv=0.396 94±0.045 42，表明传感膜中平均56.79%的指示剂参与了荧光淬灭。

图4平面光极的像素准曲线(室温25℃)