1.5沉积物-海水界面附近模拟观测实验


采用石英玻璃制作了长15 cm宽15 cm高15 cm的观测实验水槽，将所制备的平面传感膜用透明胶粘到石英观测窗口上。


实验所用的海水与沉积物均取自青岛石老人海水浴场潮间带区域。利用柱状管采集沉积物以保持原有的沉积物层序，把采集的沉积物从柱状管置入观测槽内，沉积物深度约为5 cm，然后将同一区域采集的海水缓慢加入，深度为约为8 cm，静置24 h，在这期间一直利用加氧泵向海水中供氧，以保证水体中维持充足的氧。24 h后，将青岛市邻近海域捕捞的海蜇用海水洗净表面沙粒，切割成1 kg(湿重)的块体(均包含伞部和触手部分，两者比约为4∶1)，把切割的海蜇置入观测槽中。在模拟实验过程中，为模拟自然界的海洋环境，采用一个蠕动泵抽取海水，用另一个蠕动泵将新鲜海水灌入观测池中。在整个式样过程中，除观测面外，其余4个面均用黑纸包住，降低外界光的干扰影像。


放进海蜇的第一天每隔2 h采集1次，共计8次；第2天每隔12 h采集1次，共计2次；第3天，每隔12 h采集1次，共计2次；在余下日子里，每隔24 h采集1次，共计15次。在实验过程中，室内温度一直控制在25℃。


每次观测，均采集6帧图像并存入计算机硬盘中，用于图像的后续处理。基于Matlab工具开发了观测图像处理程序，首先对每次采集的6帧记录图像进行平均；然后进行3×3中值滤波，以去除椒盐噪声及其他干扰；最后利用每个像素的Stern-Volmer校准曲线进行单个像素溶解氧含量的计算。为便于直观的显现两维空间溶解氧的分布变化，将每个像素溶解氧浓度采用色彩映射到两维空间，如图5(a)所示。


为消除粘结胶区域对测量的影响，图像处理过程中只选取只中心区域47 mm×68 mm作为传感膜的有效测量范围，所对应的单个像素点空间分辨率为0.52 mm×0.52 mm。图5(a)为用色彩表示的观测区内的两维溶解氧浓度分布图像，图5(b)是提取的3.2 cm处的一维溶解氧垂直梯度变化。

(图(a)为剖面溶解氧浓度的两维分布，0为沉积物-水界面分界点；图(b)为从图(a)中所抽取的黑线A的溶解氧垂直梯度变化。

图5沉积物-海水界面附近溶解氧分布的剖面图像


2实验结果与分析


2.1平面光极性能


虽然水体中的一氧化氮和SO2气体对PtEOP荧光指示剂有干扰，但是在近岸海水中这些气体含量非常少，可以忽略不计，因此可以认为氧分子是水体中主要的淬灭提供者，其他因素对溶解氧所引起的交叉灵敏性影响可以忽略不计。在校准试验中，分别对低氧、饱和氧及中间的3个点进行传感膜精度的评估，与传统的溶解氧测量仪YSI-DO200进行了对比。表1给出了与YSI-DO200同步测量的传感膜对应的像素平均测量值，可以看出基于传感膜测量的像素平均值与YSI-DO200具有很好的线性关系。


由表1可以看出，基于PtOEP荧光指示剂的比率法平面光极在低浓度范围内具有较好的测量精度，在接近饱和氧的测量中会产生较大的测量误差，证明基于PtOEP的平面光极在低氧区具有较好的灵敏度和精度。鉴于沉积物-海水界面是一高耗氧区域，溶解氧的浓度较低，因此采用PtOEP的平面光极进行沉积物-海水界面溶解氧的测量是可行的。在本试验中，所采用的相机像素精度为8-bit，如采用高精度像素相机可以进一步提高测量精度，譬如12-bit、16-bit。但是高像素精度相机会带来采集时间及图像处理时间延长的问题，因此要针对应用需求来综合平衡像素精度和测量精度之间的选取。与传统的原位溶解氧探头相比，平面光极受图像像素的传输速率及像素精度等因素制约，平面光极尚存在着响应速度较慢、灵敏度低等不足。

表1传统溶解氧测量方法YSI-DO200与平面光极对比


平面光极在应用过程中不消耗试剂，与传统的微电极相比具有较长的使用寿命。采用同步测量发射荧光和参考光进行光强的比值计算，外界干扰引起的光强变化同时对荧光和参考光都产生影响，通过比率计算可以有效的抑制外界的干扰，同时在图像处理中采用了多帧图像平均的方法，提高了图像像素的信噪比。由于氧分子是PtOEP的主要的淬灭参与者，其他溶解气体对溶解氧所引起的交叉灵敏性影响非常弱，因此溶解氧荧光指示剂比测量离子浓度的荧光指示剂具有更高的化学常稳定性。Kazumasa等对基于PtEOP荧光指示剂的平面传感膜在海水中利用激励光源连续照射19 h，发现对照射前和照射后的校准系数ksv、和A几乎没有改变，证明包埋PtEOP荧光指示剂的传感膜可以忽略光降解的影响因素。对平面光极测量稳定性的起主要影响的是所包埋在基体中的荧光指示剂在水体中会产生泄露，荧光指示剂的泄露会导致光强比值产生漂移。因此在连续使用过程中，需要进行定期的标定，以保证测量结果的准确性。