温度对荧光监测技术中光电流检测影响的试验研究

李方方，万 秒，张雪林，梁诗顺

(三峡大学 水利与环境学院，湖北 宜昌 443002)

滑坡体的稳定性与人们的生活息息相关。据调查显示，2007—2017年期间，我国发生的167 684起地质灾害中，仅滑坡灾害占比就高达66%[1]。滑坡勘测与防治工程实践证明地下水是诱发滑坡形成的主要因素[2]，而渗透流速是滑坡体地下水特征参数的主要指标之一[3]。基于荧光监测法具有检测限低、灵敏度高、取样少、方法快捷等优点，荧光监测应用在地下水渗透流速流向的测定中已有一个多世纪[4-5]。

光电流检测的准确性是荧光监测法精确测量的前提，如何提高地下水渗透流速测量精度是荧光监测技术面临的一个重要问题。一般从两个方面进行研究，一是荧光试剂性质方面，二是监测系统设计方面。

在荧光试剂性质研究方面，田继东[6]从检测条件、pH值、地层配伍性、地层吸附量等多个方面对市场上应用广泛的不同种类的荧光试剂的稳定性进行测试试验，筛选出YG-1为最佳检测试剂；杨洗等[7]以罗丹明B为标准物，测定相同激发光波长条件下两种荧光物质的积分荧光强度，进而采用相对测量法对二氯荧光素稀释液中的荧光量子产率进行计算。在仪器设计方面，陈新波[8]对整个荧光监测系统进行了设计，通过设计的监测系统进行室内试验得到了较为准确的水流流速；陈俊华等[9]对荧光监测仪进行设计，利用光电信号后置放大电路进行光电流的优化，从而提高了光电流检测精度，有利于渗透流速精准测量。

上述两方面均考虑比较单一，本文结合仪器设计与荧光试剂光电流特性两方面，研制了室内光电流检测试验装置，并分析得到地下水温度为光电流值的影响因素，并在室内进行了温度对光电流检测的影响试验，得到了温度与光电流值之间的函数关系式，通过关系式可得到不同温度所对应的光电流值，对于精确测量地下水渗透流速具有重要意义。

1 光电流检测系统设计

1.1 荧光检测装置设计

荧光监测技术是依据荧光溶液浓度与地下水渗透流速的数学模型，利用检测装置对测孔内荧光溶液浓度的稀释变化进行检测。地下水渗透流速测量过程中，投入测孔内的荧光溶液不断地被流经测孔内的地下水所稀释，由于地下水所处环境较为复杂且为地表所覆盖，荧光溶液浓度变化的实时值不易测得，而荧光试剂浓度的高低直接决定着荧光的强弱，不同强度荧光可转化为相应大小的电流值(即光电流)显示于电脑客户端上，基于光电转换原理，进行检测装置的设计，主要目的是通过光电流值反馈荧光溶液浓度在地下水中变化的实时情况。检测装置设计需满足两个要求：(1)激发荧光溶液中的荧光分子发光。(2)将荧光转化为光电流。依据上述两个要求，可知检测装置的设计原理如图1所示。

图1 检测探头工作原理图

激发光源发射的光通过上透镜折射为平行光照射于荧光溶液中，溶液中荧光分子吸收足够能量后跃迁到激发态，再通过各种途径释放能量回到基态，释放能量的过程即为发射出荧光的过程[10-12]，此时的荧光和部分激发光则会穿过下透镜，经过滤光镜过滤掉除荧光以外其他光之后，汇聚于光电转换元件上并转化为光电流值。

通过上述设计原理，选择检测装置的组成元件，包括激发光源、透镜、滤光镜、光电转换元件等。激发光源是提供特定波长激发光激发荧光试剂发出荧光；上透镜可将散光折射为平行光，下透镜将平行光汇聚为光点；滤光镜可过滤掉除荧光外的其他波长的干扰光，光电转换元件是将汇聚的光点转化为电流。

1.2 其他设备选择

采用进口的皮安表Keithley-6847进行光电流数据的存储与读取；利用USB接口的温度传感器Pt100进行试验温度实时监测；恒流稳压源为激发光源提供稳定的电流保证激发光线稳定的输出；稳压直流源实现交流到直流的转换并为光电转换元件提供稳定电压。

结合1.1节设计的荧光检测装置，连接相关稳压稳流仪器及计算机等元件，组成一套室内荧光检测系统，如图2所示。

图2 室内装置连接示意图

2 温度对光电流影响检测方案设计

地下水长期处于地底，存在环境较为复杂，荧光监测技术进行地下水渗透流速测量过程中，地下水中影响光电流检测的因素非常之多，其中，温度的变化贯穿整个测量过程，而温度对所选荧光试剂的光电流影响未知，因此，利用荧光监测法进行地下水渗透流速的测量之前，则须先进行温度对光电流值影响的研究，根据1.1节设计的室内试验装置对室内试验进行研究。

室内试验采用单一控制变量法进行温度与光电流之间关系的探索，由于光电流值与荧光溶液浓度之间存在相关的数学关系，因此，需设计多组荧光溶液浓度组进行参考对照，观察同浓度组荧光溶液中温度与光电流值的变化规律，比较不同浓度组间温度与光电流值变化规律，并进行相应的敏感性分析。

地下水温度常年处于2～32 ℃之间，因此，设定试验温度为5～35 ℃之间。为避免室内光线干扰试验效果，利用遮光桶对荧光溶液进行遮光处理。设置试验浓度分别为0.0050‰、0.0125‰、0.0250‰、0.0500‰、0.0750‰的荧光溶液组，在每组不同浓度的荧光溶液中，进行温度为6 ℃、12 ℃、16 ℃、21 ℃、25 ℃、27 ℃、31 ℃时光电流值变化规律试验。

3 试验结果分析

根据荧光监测法用于地下水渗透流速测定的荧光检测试剂为Luyor-6200，本次室内试验检测试剂即为Luyor-6200。试验仪器：遮光筒、Pt100温度传感器、5000 mL量筒、规格为50 μL的注射器、玻璃搅拌棒。

将检测装置的检测区域浸入浓度为0.0050‰的荧光溶液中，接通电路，观察相同浓度、不同温度条件下，光电流值随时间变化情况，并记录试验数据。浓度为0.0050‰的荧光溶液中，检测装置测得光电流值变化结果如图3所示。

图3 浓度为0.0050‰荧光溶液中光电流值变化情况

由图3可知，同一浓度条件下，荧光溶液中光电流值随温度的升高而降低；同一温度条件下，光电流值随时间的变幅微小，基本与X轴持平。就此曲线分析可知：溶液温度为6℃时的光电流值约为0.75 μA，溶液温度为31 ℃时，光电流值约为0.68 μA，试验组最大温差为25 ℃，随着温度的升高，光电流值整体下降约0.12 μA。

将检测探头检测区域没入浓度分别为0.0050‰、0.0125‰、0.0250‰、0.0500‰、0.0750‰的荧光溶液中，重复上述试验过程，记录并整理试验数据，如图4～图7所示。

图4 浓度为0.0125‰荧光溶液中光电流值变化情况

图5 浓度为0.0250‰荧光溶液中光电流值变化情况

图6 浓度为0.0500‰荧光溶液中光电流值变化情况

图7 浓度为0.0750‰荧光溶液中光电流值变化情况

由图4～图7可知，同一浓度条件下，随着温度的升高，光电流值逐渐下降；同一浓度、温度条件下，光电流值趋于稳定状态，与图3结果一致。综合光电流数据，绘制不同浓度条件下，光电流值与温度的拟合曲线，拟合关系式如图8所示。

图8 不同浓度下光电流与温度的拟合曲线

由图8可知：同一浓度条件下，温度与光电流值拟合关系呈线性相关，且拟合关系较好；不同浓度组间，光电流随温度的升高而减小。出现上述试验现象原因是所选荧光试剂Luyor-6200对温度较为敏感，溶液温度下降时，介质黏度增大，荧光物质与分子的碰撞也随之减小，去活化过程也减小，则荧光强度增加；相反，随着温度上升，荧光物质与分子碰撞频率增加，使去活化几率增加，则荧光强度减弱，导致光电流减小，因此出现了随着温度升高光电流值反而降低的现象。由于浓度与光电流值本身之间存在一定的数学关系式，且由图8可知，同一温度下，光电流值与荧光试剂浓度之间存在正相关性。

综上所得结果，荧光监测法进行地下水渗透流速测量过程中，光电流值随温度的变化而变化，而实际测量中，地下水温度不可控制，处于时刻变化状态，因此光电流值基本处于变化状态，而地下水为地表所覆盖，增加了测量难度与成本。本文通过设计室内光电流检测系统得出光电流值与温度之间的拟合关系式，同时结合光电流值与浓度之间的关系式，可快捷、方便地得到不同温度下对应的荧光试剂浓度值，进而求解出更为精确的地下水渗透流速。

4 结 语

本文设计了一套用于室内光电流值的检测系统，可进行影响因素对光电流值影响的检测，辨别光电流值的主要影响因子与次要影响因子。利用设计的检测系统进行了室内模拟试验，试验结果表明，温度为光电流值的主要影响因素，并建立了温度与光电流值之间的函数关系式，求得不同温度所对应的荧光光电流值。

不同滑坡体地区的地下水环境影响因素不同，此检测系统不仅适用于检测试剂Luyor-6200的其他影响因素检测，同样也适用于除Luyor-6200外其他荧光检测试剂的光电流值的检测，并建立相关函数关系式，提高地下水渗透流速求解的准确性，因此，本文中的室内检测装置具有一般适用性，这对于研究滑坡体的稳定性具有实际的意义。