水体中溶氧量的测定在农业的重要意义

来源:华文易迅 时间:2022-09-01 09:00:00

水体中溶氧量的测定在农业.工业.环境等行业中均有其重要意义。如在水产养殖中，采用溶解氧传感器，可实时测定养殖水域的溶解氧浓度，实现提早加氧操作，减少因缺氧造成的鱼“浮头”现象，极大地提高养殖安全性。另外，由于水中的溶氧量是监测水质的一个重要指标，所以溶解氧传感器也可用于污水的监测和有效处理[1]。市场上流行的溶氧传感器一般都是碘量法溶解氧传感器，电化学溶解氧传感器.电化学溶解氧传感器和荧光淬灭溶解氧传感器等四个类别，而除了基于荧光淬灭原理的传感器外，其它溶氧传感器都不适于在线连续测量溶解氧浓度，无法满足水产养殖在线使用要求[3-5]。

目前国外对溶解氧的检测，一般都是采用基于荧光淬灭效应的溶氧测量仪，如瑞士DMP公司MICROXI型溶氧测量仪.美国OXYMON氧气测量系统等，这种设备测量方便，快捷，可实现在线测量。但目前国内溶氧传感器大多采用电流测量方法，与国外相比，在检测速度和便捷性上还存在一定差距；其它少数以荧光法为基础的溶氧传感器价格也很贵，约2000~5000元，农民无法负担。水塘中一般大约1.33ha，仅安装一个溶解氧传感器，由于池水流动能力差会使溶氧量不均匀地分布在大型池塘中，极大地增加了养殖风险。与此同时，现有的溶解氧传感器往往安装和使用步骤繁琐，部件损坏后更换维修困难，维修费用高，难以在水产养殖物联网中大规模推广。总体而言，虽然中国目前在溶解氧传感器上做了一定的研究和开发，但是溶解氧传感器仍然是水产养殖中众所周知的难点。所以，研制成本低廉、维护方便的荧光淬火溶解氧传感器具有极其重要的意义。

2荧光淬灭法溶解氧传感器的原理与材料制备。

2.1溶解氧传感器的荧光淬灭法原理。

水体中氧是一种淬灭剂，在荧光发生淬灭后，荧光强度会下降，荧光寿命缩短。因为检测荧光强度受光路.电路和周围环境的影响很大，因此本文采用测定溶氧时间的方法来测定溶氧量[6]。参考资料发现[7-9]，荧光和溶解氧的浓度符合Stern-Volmer方程，见公式(1)。

结果表明：在氧浓度0mg/L和饱和状态下，I0。I分别表示溶液中氧浓度0mg/L和饱和状态的荧光强度；θ0。θ分别为0mg/L和饱和状态。s;[O2]表示溶解氧的浓度，mg/L;KC是一个称为Stem-Volmer常数的定值。根据公式(1)，只要经过校准，就可得到荧光淬灭系数K。

C，根据目前环境中每一次测得的荧光寿命，可以计算出当前环境中的氧浓度。结果表明，荧光寿命和荧光信号的相位差之间存在以下关系。

在这个公式里，f表示调制信号的频率，Hz；θ表示荧光寿命。根据公式(2)可知，当调制信号频率一定时，荧光与原激发光的相位差正切值与荧光寿命成正比，又因为参考光与激发光频率.初相位相同，因此可得下式(3)荧光与参照光相位差与溶解氧浓度的关系。

它中，θ0表示无氧水中荧光信号的相位差；θ是溶解氧浓度[O2]时荧光信号的相位差。所以最终的问题是测量荧光信号和激光发光的相位差。

2.2荧光材料的制备。

磷光敏材料(荧光敏感膜)是影响溶解氧传感器测量效果的重要因素之一，但在市场上却十分昂贵。为了降低生产成本，本研究采用自制的荧光材料，其制备工艺如下：①考虑到膜基体的稳定性和荧光发光效率，将聚二甲基硅氧烷与四乙氧基硅氧烷混合；②添加四苯基铂卟啉，超声波30min；③80℃下回流8h；④将上述混合物均匀滴涂或旋涂于聚酯片上，75℃下固化48h，冷却至室温形成。本发明所制得的荧光膜成本可压缩到目前市场上售价的20%。