荧光淬灭法溶解氧测定仪校准方法的研究

傅家乐

荧光淬灭法溶解氧测定仪校准方法的研究

傅家乐

(上海市计量测试技术研究院，上海 201203)

介绍了荧光淬灭法溶解氧测定仪的工作原理，探讨了该类仪器计量特性和校准方法，提出了校准项目和技术指标，零值误差(≤0.10 mg／L)、溶解氧浓度示值误差(±0.50 mg／L)、重复性(≤0.20 mg／L)、响应时间(≤60 s)。用该校准方法对某些荧光淬灭法溶解氧测定仪进行了校准，证明该法是可行的。

荧光淬灭法；溶解氧测定仪；校准项目；技术指标

随着我国经济的发展，各种污染逐渐增多，特别是水污染情况比较严重。在人类活动的影响下，微生物所需的氮、磷等营养物质大量进入湖泊、河口、海湾等缓流水体，引起藻类及其它浮游生物迅速繁殖，水体溶解氧量下降，水质恶化，导致鱼类及其它生物大量死亡；同时水污染也导致水资源短缺日益严重，所以迫切需要对水质进行及时监控和有效处理。

自然状态中，溶解到水中的氧气是支持水中生物呼吸的主要来源，其中水体最重要的指标是溶解氧(DO)，溶解氧是指单位体积水中所溶解的氧质量，以mg／L表示。没有受到污染的水中，溶解氧呈饱和状态。适量的氧是鱼类和好氧菌生存和繁殖的基本条件。在一个大气压、温度为0℃的淡水中，溶解氧呈饱和状态时的含量为10 mg／L，溶解氧低于4 mg／L时，鱼类就难以生存。水被有机物污染后，由于好氧菌作用使有机物被氧化，消耗掉水中的溶解氧。若得不到空气中氧的及时补充，水的活解氧就会减少，最终导致水体变质，所以溶解氧被作为水质污染程度的一项指标。溶解氧越少，表明污染程度越严重，因此水体溶解氧含量的准确测量，对于环境监测和环保执法具有重要意义。

目前常用的溶解氧检测方法有碘量法、电化学法，荧光淬灭法等。碘量法是是检测溶解氧含量的基准方法，该法是一种纯化学检测方法，耗时长，程序繁琐，无法满足现场测量的要求；电化学法是电流测定法根据分子氧透过薄膜的扩散速率来测定水中溶解氧的含量，目前市场上的仪器大多采用这种方法，每隔一段时间需要活化，需要经常更换透氧膜；荧光淬灭法具有很好的光化学稳定性、重现性，无延迟、精度高、寿命长，可对水中溶解氧进行实时在线监测。美国材料与检测协会国际标准开发组织(ASTM)已经把荧光溶解氧测量法正式确认为测量水中溶解氧的标准方法之一。经过严格评估之后，负责水相关业务的美国材料与检测协会D19委员会已将哈希公司冷光溶解氧测量法和美国环保局实验室内对比验证的实验结果写入了美国材料与检测协会D888标准——水中溶解氧的标准测量方法。修订后的标准将把荧光溶解氧测量法(C方法)与原有的传统化学滴定法(A方法)和电化学(膜)测量法(B方法)并列，该修订标准将收录在美国材料与检测协会标准年鉴第11.01和11.02卷上的D888-05标准内［1］。

荧光淬灭法溶解氧分析仪已经有厂商进行产业化，而目前还没有荧光淬灭法溶解氧分析仪的检定规程，因此笔者对荧光淬灭法溶解氧分析仪校准方法进行了研究。

1 荧光淬灭法溶解氧测定仪的工作原理

某些光敏物质的原子受激发后，会以发射荧光的形式返回基态，而氧的存在会干扰这一行为的进行，即氧分子含量越多，荧光寿命越短，对应强度越低，可以根据试样溶液产生的荧光强度或荧光寿命来测定试样溶液中氧的含量。

传感器调制的蓝光照到荧光物质上使其激发，并发出红光，由于氧分子可以带走能量(猝熄效应)，所以激发红光的时间和强度与氧分子的浓度成反比。采用与蓝光同步的红光光源作为参比，测量激发红光与参比光之间的相位差，并与内部标定值比对，从而计算出氧分子的浓度，经过线性化和温度补偿，输出最终值。

2 主要校准项目

(1)零值误差：通常测量仪器零值误差均作为基值误差对待，因为零值对考核测量仪器的稳定性、准确度作用十分重要，所以需要对零值误差进行校准。

(2)响应时间：使用一段时间后，电极受到不同程度的污染，响应时间下降，会造成反应变慢；溶解氧二次表读数不稳定，漂移大。

(3)溶解氧浓度示值误差：根据水体中溶解氧含量与荧光碎灭效应的强弱程度成线性比例关系，需要通过不同浓度的溶解氧测定其误差。

(4)重复性：溶解氧测定仪在使用一段时间后，重复性会下降，影响测量精度，因此需要对重复性进行校准。

(5)温度示值误差：溶解氧浓度与温度呈函数关系，温度对仪器测定结果影响很大，因此需要对仪器的温度进行校准。

3 校准条件

3.1 环境条件

温度：10～30℃，波动不超过±2℃；相对湿度：不超过85%；应无影响仪器正常工作的电磁干扰。

3.2 校准用水

无氧水的制备：于500 mL 的烧杯中加入250 mL蒸馏水，然后加入500 mg亚硫酸钠(Na2SO3)及微量二价钴盐，例如六水合氯化钴(CoCl2·6H2O)作催化剂，搅拌均匀后使用。

饱和溶氧水的制备：于2 L的烧杯中加入2 L的蒸馏水，将多孔塑料膜浮于水面。同时加鼓泡器(空气泵)向水中连续曝气60 min 以上。水样温度控制在(25±0.3)℃。停止曝气后即可用于校准。

不同溶解氧浓度水样的制备：于 L 的烧杯中加入2 L蒸馏水，将多孔塑料膜浮于水面。将标准气体通过鼓泡器(空气泵)按1 L／min 的流量通入蒸馏水中，连续通气60 min以上。标准气的体积分数分别选择10%，35%。水样温度控制在(25±0.3)℃。停止曝气后即可用于校准。

3.3 校准用标准物质

气体标准物质：氮中氧气气体标准物质(以下简称标准气体)，相对扩展不确定度不大于2%(k=2)。

3.4 校准用其它设备、试剂

气体流量计：量程0～1.5 L／min，准确度级别不低于4 级；多孔塑料膜；秒表：分度值0.1 s；二等标准水银温度计：测量范围0～50℃，分度值0.1℃；气压表：分度值100 Pa；鼓泡器：多孔；亚硫酸钠：分析纯；二价钴盐：分析纯。

4 校准方法［2-3］

4.1 零值误差的校准

在校准进行前，允许更换电极、电解液及覆膜。按仪器说明书要求正常校准。将电极由空气中浸入新配制的无氧水溶液中，5 min后的仪器示值即为零位电流引起的零值误差。

4.2 溶解氧浓度示值误差的校准

按校准条件制备不同溶解氧浓度的水样。标准气体体积分数分别选择10%，35%。水样溶解氧的质量浓度按式(1)计算。

式中：CS"——水样溶解氧的质量浓度，mg／L；

CS'——在P(Pa)大气压下制备的水样标准溶解氧的质量浓度，mg／L；

Ca——水样通入的氧气标准气体体积分数，%；

20.946%——空气中氧气体积分数。

按仪器说明书要求操作，测量制备好的饱和溶氧水温度。将电极由空气中放入该饱和溶氧水中并轻轻摆动，稳定后读取示值。重复测量2次，计算仪器示值平均值，按式(2)、式(3)计算溶解氧浓度示值误差ΔC。

CS——在标准大气压(101 325 Pa)下氧的饱和溶解质量浓度，mg／L；

P——现场大气压，Pa；

PW——在当前水温下，和空气接触时饱和水蒸气压，Pa。

4.3 重复性的校准

连续重复6次测量稳定的饱和溶氧水，分别记录仪器示值，按式(4)计算仪器的重复性。

式中：S——仪器测量的重复性；

Ci——第i次测量值，mg／L；

4.4 响应时间的校准

将电极浸入饱和溶氧水中，待读数稳定后取出电极，并迅速浸入无氧水中，同时开始计时。当仪器显示稳定值的10%时停止计时，此时秒表的读数即为响应时间。

5 校准试验

为了验证该校准方法的可行性，对Mettler Toledo公司生产的SG9溶解氧测定仪按本方法进行校准，结果见表1。

表1 荧光淬灭法溶解氧测定仪校准结果

由表1可知，该仪器的各项指标均符合校准项目技术指标的要求。校准结果符合该校准方法规定的计量要求。该校准方法能够准确合理地评价荧光淬灭法溶解氧测定仪的性能，为从事仪器测量的技术人员和校准人员提供了参考。

6 结果与讨论

(1)探讨了与荧光淬灭法溶解氧测定性能密切相关的零值误差、溶解氧浓度示值误差、重复性、响应时间计量特性的校准方法。通过4个项目的校准，该校准方法能实现对仪器性能较为科学的评价。

(2)荧光淬灭法溶解氧分析仪校准方法中的溶解氧浓度示值误差是针对于荧光淬灭法溶解氧分析仪原理中Stern-Volmer方程进行设计的。因为根据Stern-Volmer方程水体中溶解氧含量与荧光碎灭效应的强弱程度呈线性关系［4］，所以校准同一温度下不同浓度的示值误差非常重要，也是判断该仪器计量性能的重要参数。

(3)零值误差经常是测量误差的来源。溶解氧的一点校准通常在被水蒸气饱和的空气中进行。通常仪器的零点电流非常低，浓度不小于1 mg／L的测量，无需进行零点校准。当测量含氧量小于1 mg／L的样品时，需要使用零氧标准液进行第二点校准。如果传感器在零点校准后变得反应迟缓或读数不准确，则是因为传感器上零氧溶液没有清除干净。需要在去离子水中彻底浸湿和清洗传感器，以清除零氧溶液，恢复传感器性能。

(4)荧光淬灭法溶解氧分析仪的传感器会受到乙醇、双氧水、气态二氧化硫和氯气的影响，但二氧化碳、氨、任何离子类物质均不会对荧光淬灭法溶解氧分析仪的测量造成干扰。

该校准方法的研究为荧光淬灭法溶解氧分析仪的溯源方法提供了参考，有利于更好地开展溶解氧计量校准工作，可据此对JJG291-2008 《覆膜电极溶解氧测定仪》检定规程进行完善和修订。

［1］ ASTM D888-12 Standard Test Methods for Dissolved Oxygen in Water［S］.

［2］ JJG (浙)111-2010 在线覆膜电极溶解氧测定仪检定规程［S］.

［3］ JJG291-2008 覆膜电极溶解氧测定仪检定规程［S］.

［4］ 荆淼.光学溶解氧分析仪研究［J］.现代科学仪器，2006，(5): 57-59.

Discussion on Calibration Method of Fluorescence Quenching Method Dissolved Oxygen Meter

Fu Jiale
(Shanghai Institute of Measurement and Testing Technology， Shanghai 201203，China)

The principle of fluorescence quenching method dissolved oxygen meter was introduced. The metrology performance and calibration method for measurement were discussed. Calibration items and technical specif i cations of the instrument were determined which included zero-point tolerance (≤0.10 mg／L)，mass concentration indication error (±0.50 mg／L)，repeatability (≤0.20 mg／L) and response time (≤60 s). The method was used to calibrate some dissolved oxygen meters and it is proved that the method is reasonable．

fluorescence quenching method; dissolved oxygen meter; calibration item; technical specif i cation

O657.3

A

1008-6145(2014)01-0083-03

联系人：傅家乐；E-mail: fujiale365121557@163.com

2013-11-04

10.3969／j.issn.1008-6145.2014.01.024