基于荧光猝灭原理的溶解氧浓度检测系统的设计

青岛理工大学，山东青岛 266000

一、引言

通过化学反应或生化作用而溶解入水体的氧气称为溶解氧(DissolvedOxygen，DO)。海水中的溶解氧含量是衡量海水水质状况以及海水自净能力的重要指标，也是海洋生态环境评估、海洋科学实验和资源勘探的重要依据。

海洋中的溶解氧浓度的大小与海洋温度变化、盐度、生物活动和环流运动等具有密切关系。海洋中的氧气主要来源于大气的溶解和海洋中的藻类和浮游类植物光合作用的释放，氧在海水中的溶解度虽然不大，但却具有举足轻重的作用。在20℃标准大气压条件下，纯水中的溶解氧含量约为9mg/L，当海水中的溶解氧含量低于4mg/L，大部分鱼类就会出现呼吸困难等问题，这对海洋生命活动和海洋养殖造成重要影响。

目前，对于溶解氧的主要的测量方法包括碘量法、电极法、荧光猝灭法等。其中，碘量法是实验室纯化学的检测方法，测量准确度高，但是耗时长，操作繁琐，而且无法满足在线测量的要求。电极法是根据氧气和电极发生氧化还原反应所产生电流的大小来测定溶解氧的方法，其缺点包括电极易老化、测定过程消耗氧气、测量前需要标定，需定期更换电极膜等。荧光猝灭法是基于荧光猝灭原理来测溶解氧的方法，荧光猝灭效应会引起荧光强度的衰减和荧光寿命的缩短，因此可以通过测定荧光强度的大小或荧光寿命的长短来测定溶解氧含量。由于荧光猝灭法具有较好的光化学稳定性和重现性，也具有精度高、可实时监测等优点，因此成为目前的主流技术和研究重点。

二、基本原理

荧光猝灭原理指的是由于激发光照射而吸收能量从而变为跃迁态的荧光物质与氧发生荧光猝灭效应，从而导致荧光强度的衰减和荧光寿命的缩短[1]。

对于荧光发光过程，用一个短脉冲光δ(t)激发样品后，发光强度随时间按指数规律衰减为：

该线性系统所描述的系统函数为：

假设激发光为正弦调制光为：

则激发的荧光为激发光与系统函数的卷积为：

稳定状态下为：

从式（5）可知荧光信号相对于激发信号表现为强度的衰减和相位的滞后，而且可以推知：

其中，φ—荧光信号滞后的相位；

τ—荧光寿命；

f—激发信号与荧光信号的频率。

荧光强度和荧光寿命与溶解氧浓度的关系可用Stern-Volmer方程表示：

其中，τ0—溶解氧浓度为0时的荧光寿命；

τ—某溶解氧浓度所对应的荧光寿命；

K—溶解氧浓度系数；

[O]—溶解氧浓度[2]。

由式（6）、式（7）可知，测量荧光信号滞后相位即可计算出溶解氧浓度。

三、系统设计

一种基于荧光寿命法的水体溶解氧浓度检测系统包括压控振荡器、单片机、光源、荧光物质、信号处理电路及光电检测器等。通过由74LS74D设计的相位差检测电路来进行对滞后相位的检测，并利用单片机进行采样信号的数据采集，然后使用锁存器将相位差进行锁定，最终结合数字电路将相位差信息送入单片机。由于所设计的相位差检测电路与前后模块的配合性以及系统原理的优越性，本系统具有较高的信噪比、精度和灵敏度。

1、系统结构及检测原理

系统硬件主要由荧光光学系统、光电探测、相敏检测、数据采集与处理等模块组成。

压控振荡器输出某个振荡频率的正弦调制信号，信号分成两路，其中一路作为调制信号，驱动光源发出中心波长为465nm的激发光，并照射在高灵敏度荧光物质上，产生中心波长为650nm的荧光，荧光依次透过透镜和窄带滤光片后被光电探测器接收，光电接收器所探测到的荧光信号经过I/V转换、放大后送入相位差检测电路，另一路信号经移相后作为参考信号直接送入检测电路，检测电路输出荧光信号与参考信号的相位差正弦波信号，然后，经过数字电路的处理和提取后，将最终相位差数字量送入单片机[3]。另外需要将激发信号或参考信号接入单片机的计数端口对信号频率进行采集。压控振荡器属于频率可控信号发生器，接入直流电压信号对其输出信号进行调频。

2、电路设计

针对荧光信号的特点，设计了如图2所示的相位差检测电路，将作为参考信号的源信号和较之源信号发生了移相的荧光信号进行比对，可使整个系统快速稳定地锁定，准确测出荧光信号滞后相位。本设计摒弃了传统的过零电压法和数字计数法等相位差检测方法，有更好的稳定性和精度，并且扩大了信号频率的可调范围。

采用74LS74D触发器将两个输入信号转化为方波信号。如图2所示，采用了两个D触发器，第一个触发器以源信号正弦波作为时钟信号，第二个触发器以移相后的信号作为时钟信号。由于是边沿触发，故得到了相位差波形为正弦波。

压控振荡器由74HC4046和外围RC振荡电路组成，可以输出频率稳定的方波，如图3所示。VCOOUT固有频率由R3和C1确定，R4确定VCOOUT频率的变化范围，添加稳压二极管D1可有效增大频率变化范围，并且还可以改善VCOOUT压频特性。由于溶解氧浓度由0%～100%变化，因此锁相时VCOOUT频率范围为16～88 kHz，考虑到实际水质测量情况，VCOOUT固有频率可取40～50kHz。

移相器为三个DQ触发器74LS74组成的数字移相器，如图4所示。

由式（2） 得：

系统标准偏差为：

3、数据采集与处理

数据采集以及处理模块由单片机和相关外围电路组成。单片机采用ADμC841单片机，它具有丰富的外围资源和精确的时间间隔计数器TIC[4]。通过TIC精确定时，计数器T2计数，可实现准确测量锁相环锁定频率，然后通过计算程序计算得出荧光寿命和溶解氧浓度，并最终通过显示屏显示。相关电路图如图5所示。

四、实验结果与分析

该基于荧光猝灭原理的溶解氧检测系统使用稳定性很高的荧光物质，故只需进行1次2点标定，不需要进行多次标定。标定时，在1L水中加入1mg无水Na2SO3并进行搅拌，静置几分钟后，待水中溶解氧消耗完毕，浓度为0，此时即为溶解氧零点，溶解氧饱和点取20℃时的饱和点9.1mg/L，继而完成标定。将测量系统放入吸满水的海绵中( 此时视为饱和点) ，在不同温度下，分别测量荧光寿命和溶解氧值，并与该温度下饱和溶解氧标准值比对，然后进行线性相关分析[5]。荧光寿命的测量结果如图6所示。

由图6可知，当溶解氧浓度7.5～10.1mg化时，荧光寿命的变化范围为69～76μs，而且与标准溶解氧浓度有较好的线性相关性，相关系数为0.99286。根据荧光寿命计算出的溶解氧浓度结果如表1和图7所示。

表1 不同温度下测量溶解氧值与标准溶解氧值

实验结果表明：该溶解氧检测系统测量值与标准值基本一致，线性相关系数为0.99286，标准偏差为0.0023，相对误差小于1.5%，斜率为1.0187，具有较好的一致性。

实验测量过程中，系统的稳定性较好，响应时间小于30s，灵敏度较高，满足实时在线监测需要。

五、结论

本文在研究基于荧光猝灭法的检测原理的基础上，设计了相应的相位检测电路，完成了相关数字及模拟电路的设计，并对系统进行了相关的测试及实验。结果表明: 该系统精度高、稳定性好、响应快，具备对水体溶解氧的原位、实时、在线监测的能力和要求。同时，本设计也为测量具有相似荧光特性或性质的物理量提供了参考和思路。