基于氧敏感膜的海水溶解氧测定技术研究

吴丙伟，张颖颖，张云燕，冯现东，袁达

(齐鲁工业大学(山东省科学院)，山东省科学院海洋仪器仪表研究所，山东省海洋环境监测技术重点实验室，国家海洋监测设备工程技术研究中心，山东 青岛 266100)

海水的溶解氧含量影响海洋生物的生存[1]，同时也是衡量水质优劣和研究水体自净能力的重要指标，是海洋环境监测重点项目之一。

目前，测量溶解氧的方法有Winkler碘量法、Clark电极法、基于压力的方法和光学方法[2]。Winkler碘量法[3]是国际公认的测定水中溶解氧的基准方法，也是我国溶解氧测量的国家标准方法之一[4]。该法虽然测量准确度较高，但是存在费时、费力、消耗试剂多等缺点，无法满足现场连续测量的要求。基于Clark电极的电化学测量方法测量过程消耗氧气，无法满足静止或低流速液体的测量要求。基于压力的方法，传感器实际上并不测量氧气浓度，而是测量汽车废气中氧气量与供气中的氧气之间的差异，并不适合用于测量海水中溶解氧。基于光学方法，溶解氧传感器使用测量样品光谱的方法测量，需要的测量系统复杂，目前在实验室使用尚可，不适合长期布放在海上。使用比较器和D触发器设计的测量荧光寿命的溶解氧测量原型样机，使用分立元器件，受环境温度和元器件质量影响大，系统长期稳定性达不到要求[5]。

本文基于荧光猝灭原理[6]，提出了一种准确度高、不消耗试剂和氧气、适合长期布放在海上、系统简单可靠、可直接测量溶解氧含量的氧敏感膜荧光信号检测方法。

1 工作原理

溶解在水中的氧分子是一种常见的荧光猝灭剂，水中溶解氧浓度和荧光寿命满足Stern-Volmer方程[7]

(1)

式中Co是待测液体中的溶解氧浓度，Ksv是溶解氧浓度系数，τ0是溶解氧在浓度为0时的荧光寿命，τ是溶解氧在待测液体中的荧光寿命。

荧光寿命与荧光相位差满足如下方程[8-9]

(2)

式中φ是荧光相位差，f是激发光频率。

由式(1)～(2)可知，利用正弦波激励信号对照射在氧敏感膜上的光进行调制,荧光物质在调制后入射光的有效激发下发射荧光,相应的荧光信号波形也呈正弦规律变化，但是荧光相对于调制光有一滞后相移φ，测量到滞后相移φ即可得到相应的溶解氧浓度。

2 氧敏感膜荧光信号检测系统研究

如图1所示，氧敏感膜荧光信号检测系统[10]由氧敏感膜、光电检测电路、光电驱动电路、温度检测电路、信号产生采集处理控制电路和RS485通信电路组成。其中，光电驱动电路分为LED驱动电路和光电二极管电路。

信号产生采集处理控制电路以FPGA 为核心，通过光电驱动电路中的LED驱动电路控制红色、蓝色LED灯亮灭，使用Cordic算法将内部产生的正弦波激励信号加入到红蓝LED灯中，红色LED为系统参考光源，蓝色LED为系统荧光激发光源。系统工作时，红光LED和蓝光LED交替亮灭，蓝光LED照射在氧敏感膜上激发出荧光，通过ADC0将光电二极管捕获到的荧光信号采集到FPGA内部，通过数字的方式进行信号的正交相敏检波，然后通过数字低通滤波器滤除高次谐波，得到荧光信号的幅值和相位值；红光LED照射在氧敏感膜上不产生荧光，此时通过ADC0将光电二极管捕获到的红光信号采集到FPGA内部，通过数字的方式进行信号的正交相敏检波，然后通过数字低通滤波器滤除高次谐波得到红光信号的幅值和相位值；将荧光信号的相位值减去红光信号的相位值即可获得系统的相位差值，相位差值可以反映出不同的溶解氧浓度；通过ADC1将热敏电阻阻值采集到FPGA内部，通过热敏电阻与温度计算算法求取氧敏感膜周围海水的温度值，不同的温度影响相应的溶解氧浓度；通过RS485将计算所得数据发送给电脑上位机软件实时显示。

图1 氧敏感膜荧光信号检测系统框图Fig.1 Block diagram of fluorescence detection system of oxygen sensitive membrane

2.1 氧敏感膜选择设计

氧敏感膜主要由两部分组成，一部分是用于被猝灭的荧光物质，另一部分是用于均匀分散固定荧光物质的载体。荧光物质以钌的络合物为荧光指示剂，载体选择黑色薄膜，同时还可以屏蔽自然光干扰。本设计采用商用成熟氧敏感膜作为检测部件。

2.2 光电检测电路设计

光电检测电路分为蓝光LED、红光LED、光电二极管。氧敏感膜在470 nm波长激发光照射下能产生651 nm波长的荧光，本文选择470 nm波长蓝光LED作为激发光源，选用651 nm波长红光LED作为参比光源，光电检测元件选用光谱响应范围在400～800 nm，峰值灵敏度波长在651 nm附近的光电二极管。

2.3 光电驱动电路设计

光电驱动电路由LED驱动电路和光电二极管电路两部分组成。如图2所示，LED驱动电路由三极管Q1和模拟开关U4组成。三极管选用BC859 PNP三极管，可以作为信号输入级驱动使用，具有高电流增益，低集电极发射极饱和电压，工作频率最高可达250 MHz。模拟开关选用MAX4641，为单片双路单掷模拟开关，导通电阻为4 Ω，快速导通时间仅为20 ns，工作电压为1.8～5.5 V，静态功耗低于0.01 μW，全温度范围内漏电流低于0.35 nA。

图2 LED驱动电路Fig.2 LED drive circuit

FPGA输出一个10 kHz的正弦波激励信号，通过图2中SMB端子接入到LED驱动电路，激励信号通过电容C5接入到三极管Q1。电阻R2一端接三极管基极另一端接CtrlQ，CtrlQ连接至FPGA控制引脚，用来控制三极管导通关断。红光LED和蓝光LED正极接在三极管集电极上，负极分别接在MAX4641第1引脚和第5引脚，MAX4641第2引脚和第4引脚接地，通过第7引脚和第3引脚可以控制红光LED和蓝光LED负极分别接地。第7引脚Ctrl-Red和第3引脚Ctrl-Blue分别连接至FPGA控制引脚。当CtrlQ为低电平、Ctrl-Red为高电平时红光LED点亮，激励信号加在红光LED上；同理当CtrlQ为低电平、Ctrl-Blue为高电平时蓝光LED点亮，激励信号加在蓝光LED上；当CtrlQ为高电平、Ctrl-Red和Ctrl-Blue为低电平时红光LED和蓝光LED均熄灭。

如图3所示，光电二极管电路由光电二极管电流转电压和低通滤波器两部分组成，均通过AD8616运算放大器实现。AD8616是一款双路轨至轨单电源供电运算放大器，供电电压为2.7～5.0 V，具有失调电压低、输入信号带宽大、输入电压电流噪声低的优点，适合应用在光电二极管驱动电路上。

图3 光电二极管电路Fig.3 Photodiode circuit

光电二极管D4负极通过电阻R5接入AD8616引脚2，正极接地。电阻R10用来将电流放大，电容C4为了消除振铃现象，使电路更加稳定，本设计电阻R10取1 MΩ，电容C4取10 pF。放大的信号OPAOUT通过引脚1连接至电阻R18。R18、R13、C15、C11组成了低通滤波器，滤除低于检测频率的噪声干扰。经过低通滤波后的信号OPBOUT连接至AD转换器输入引脚。

2.4 温度检测电路设计

温度检测电路如图4所示，由热敏电阻、运放AD8628和AD转换器(AD7980)组成。AD8628是一款轨至轨单电源供电运算放大器，供电电压为2.7～5.0 V 。运放失调电压仅为1 μV,失调电压温漂为0.002 μV/℃，偏置电流最大为100 pA 。AD8628 适合作为 NTC运算放大器使用。热敏电阻与分压电阻R8公共端接入运放AD8628组成的射极跟随器，然后连接入AD7980进行模数转换，AD7980通过SPI方式连接FPGA。

图4 温度检测电路Fig.4 Temperature detection circuit

2.5 信号产生采集处理控制电路

对光电二极管输出信号进行AD转换的电路如图5所示，选用AD7980作为模数转换器。AD7980是一个16位逐次逼近型模数转换器，可以使用单电源2.5 V供电，内置一个总功耗7 mW、最大1 sample/s数据吞吐速率、16位采样 ADC和一个SPI兼容接口。当CNV引脚信号处在上升沿时，AD7980对IN+引脚与IN-引脚之间的模拟输入电压差进行采样，输入电压可以从0 V至 基准电压REF。基准电压REF由外部电路提供，并且可以独立于电源电压VDD，和吞吐速率变化时相应的功耗呈线性变化。待转换信号OPBOUT通过电阻R22连接至AD7980输入引脚3，AD7980通过SPI方式同FPGA连接，本文采用1 sample/s数据吞吐速率，单电源2.5 V供电，基准电压REF选用2.5 V，由基准电压芯片专门提供。

图5 AD转换电路Fig.5 AD converter

FPGA选用英特尔CYCLONE IV E系列，电路主要由电源电路、晶振电路、程序下载电路等满足FPGA正常工作的最小系统组成。FPGA主要是使用Cordic算法给激发光源和参比光源产生一个10 kHz的正弦波激励信号，驱动两路AD7980分别采集光电二极管和热敏电阻信号，控制三极管Q1和模拟开关MAX4641的通断，将检测到的相位差值和温度通过RS485通信电路发送给上位机。

3 系统测试

为了验证氧敏感膜荧光信号检测系统的性能，首先对本系统进行了恒定温度下改变溶解氧浓度和恒定温度、恒定浓度测定荧光相位差变化的测试，分别验证荧光信号检测系统对荧光相位滞后的检测能力和系统稳定性；然后通过恒定温度下配置无氧水和氧饱和水，测定荧光信号检测系统相位值和通过Winkler碘量法测定实际溶解氧浓度，对荧光信号检测系统进行了标定，最后通过标定后的系统进行了数据测试比对。

3.1 改变溶解氧浓度荧光相位差变化测试

将氧敏感膜荧光信号检测系统置于圆柱形检测桶中，检测桶使用不锈钢材质，内径为130 mm，高400 mm，体积约为5.3 L，桶内放入未进行预处理的海水，再将检测桶置于恒温槽中，可以通过向检测桶内通氮气和氧气的方法改变水中的溶解氧浓度。氧敏感膜荧光信号检测系统可以连接到PC机，通过PC机显示所测荧光信号的相位差值和温度值，通过取水样然后在实验室使用Winkler碘量法测定溶解氧浓度。

通过向检测桶内通氧气的方法增加水中溶解氧的含量，表1即为固定20 ℃，改变溶解氧浓度，测定得到的荧光相位差的单次测试数据，图6为荧光相位差(φ)与溶解氧浓度(Co)关系。

表1 荧光相位差测试数据

续表1

图6 荧光相位差与溶解氧浓度关系Fig.6 Relationship between the fluorescence phase difference and dissolved oxygen concentration

3.2 恒温荧光相位差变化测试

保持恒温槽温度在20 ℃，保持检测桶密封，通过专门取水口每隔10 min取一次水样检测，得到5 h溶解氧浓度和荧光相位变化数据，经计算溶解氧浓度在285.714 μmol/L附近变化，标准差大约只有0.836 μmol/L，荧光相位差在28.021°附近变化，标准差大约为0.031°,如图7所示。

图7 溶解氧浓度和荧光相位差随时间变化图Fig.7 Changes of dissolved oxygen concentration and fluorescence phase difference over time

3.3 系统数据比对测试

在实验室配置无氧水和氧饱和水，然后分别通过检测桶放置在20 ℃恒温槽内，通过测量无氧水、氧饱和水可以求出式(1)中溶解氧浓度系数Ksv，溶解氧在浓度为0时的荧光寿命τ0。然后使用3.1节所用方法，通过标定完成后的氧敏感膜荧光信号检测系统和碘量法比对测量检测桶内溶解氧变化,如表2所示。

表2 氧敏感膜荧光信号检测系统和碘量法比对数据

表2所测数据点溶解氧饱和度从100%减小到11.56%，通过表中数据可知，氧敏感膜荧光信号检测系统所测数据与碘量法误差最大为5.15 μmol/L，数据准确度比较好，两种方法变化趋势相同，数据相关度比较好。

4 结论

通过恒定温度下改变溶解氧浓度测定荧光相位差变化、恒定温度浓度测定荧光相位差变化以及系统数据比对测试3个实验，分别测试了荧光信号检测系统对荧光相位滞后检测能力、整体的系统稳定性和系统测试数据的准确度，所测指标均能满足设计要求。本文设计的海水中氧敏感膜荧光信号检测系统通过进一步在不同温度情况下标定，可以作为一种海水溶解氧测量仪器，在海洋原位溶解氧监测方面可以替代Winkler碘量法，具有良好的应用推广前景。