基于荧光猝灭原理的溶解氧传感器研究综述

李小媛 刘铃铃 余超萍 查婷婷 徐 宇 钟志文

(韩山师范学院，广东 潮州 521041)

一、研究背景及意义

(一)研究背景

溶解氧“DO”(Dissolved Oxygen)是一个重要指标，它是衡量水体自净能力大小的物理量，指的是水中的分子态氧溶解的含量，它是以每升水中溶解氧气的量来表示，单位为毫克。近些年对海水、黄河、城市黑臭水体、高压锅炉水等溶解氧的测定研究在持续的开展。当前常用于测定水体溶解氧的方法有“Winkler”碘量法、电化学法和光学法等。基于光学荧光猝灭原理的溶解氧传感器因具有反应迅速、不消耗水中氧气、使用寿命长、周围环境对其影响小等优点，所以该测量方法成为我国目前受欢迎的研究领域。我国最早对光纤传感器研究是陈坚[1]基于荧光猝灭原理的光纤化学传感器研究，而把此技术运用到测量溶氧量的是黄俊，他研制了一种基于荧光猝灭原理的光纤氧气传感器[2]，此后国内在荧光法方面的研究逐渐深入，如今已经达到国外平均水平，较少部分研究已经实现了商品化。

(二)研究意义

一般情况下，在未受到污染的水体中，其溶解氧浓度呈饱和状态，此时鱼类能够自如呼吸。而当水体中的有机物、好氧细菌和微生物等耗氧体含量较多时，其耗氧速度远远超过氧气溶于水中的速度，这就导致了水中溶解氧浓度的不断减少，甚至减少到接近于零的地步。从而使水中的鱼类窒息而亡，水体发臭，继而出现腐败现象，使得水质严重恶化。因此，在水质检测中，DO的检测一般放在生化需氧量和化学需氧量的前端检测，DO结果常常起到预警的作用。

在工农业迅速发展的今天，每天都有大量污染物产生。其中工业废水和农田灌溉用水经常还未达到排放标准就被排进了江河湖海，对各类水体造成了巨大的污染。再加上工业生产过程中产生的废气排放到大气当中，对大气造成的污染会间接导致水体的污染，使水资源污染问题加剧。因此，需要对水质情况进行及时且有效的监控与处理。无论是在渔产养殖水质监测方面还是江河湖海等水质监测方面，溶解氧传感器的研制与开发都是迫切需要的。

二、国内相关技术研究现状

碘量滴定分析法又称“Winkler”法[3-5]，是国际上公认的测量水中溶解氧的基准方法，也是我国常用于测定水中含氧量的方法。“Winkler”法的原理是利用水中的氧气在碱性条件下与硫酸锰反应，生成稳定的锰酸锰，接着向其中加入浓硫酸和碘化钾，高价锰将碘离子氧化，生成等当量的碘单质。以淀粉作为指示剂，用硫代硫酸钠的标准溶液进行滴定，通过游离的碘即可计算出水中氧气浓度。该法涉及到的化学反应过程如下：

2Mn(OH)2+O2=H2MnO3

(1)

H2MnO3+Mn(OH)2=MnMnO3+2H2O

(2)

2KI+H2SO4=2HI+K2SO4

(3)

MnMnO3+2H2SO4+2HI=2MnSO4+I2+3H2O

(4)

2Na2S2O3+I2=Na2S4O6+2NaI

(5)

从原理上分析，碘量法是利用锰的价态变化来传递电子，在氧气与碘之间建立等量关系。碘量法是直接测量的方法，因此它的检测准确度较高，而且可以不考虑温度，压力等参数对结果的影响。“碘量法”从检测过程来看，也存在着滴定时间长、操作复杂繁琐和测量结果无法直观显示的缺点，无法满足实时监测和现场直接监测方面的要求。

电化学法也称“Clark”电极法[6-7]，该法先测量电流，利用在电极上通过氧化还原反应所产生的电流与通过透气膜的氧气浓度成正比的关系来测量出水体中溶解氧的含量。电化学法所用的电极是由两个金属电极和支持电解质及氧敏选择性薄膜所组成。电极中的阴极电极采用的是金等贵重金属，阳极采用银等金属。氧敏选择性薄膜只能透过氧和其他气体，而不能透过水和溶解于水中的其他物质，可以将待测水样与电化学电池隔离开来，因此可以直接将电极插入水中进行检测。反应过程如下：

阳极反应：4Ag+4Cl-=4AgCl+4e-

(6)

阴极反应：O2+2H2O+4e-=4OH-

(7)

电化学法所制传感器操作方便、灵敏度高且价格较低，适用于测量浊度较高的水样。电化学也存在一定的不足，例如选择性薄膜容易被污染，电极的表面容易发生钝化现象，故其使用寿命较短，无法满足长期的实时在线监测的要求。除此之外，在检测过程中会消耗水中的氧气，进而影响测量精度和响应时间。

分光光度计法[8-9]的测试原理与碘量法的相同。溶液中碘含量不同，所呈现的颜色深浅也就不同。基于朗伯-比尔定律的原理，通过利用分光光度法测定溶液中碘的吸光度，使用定律求出水中溶解氧的浓度。电化学法和碘量法相比，碘量法不用繁琐的滴定操作，并且不受部分的离子干扰的影响，提高了检测效率。不过，该法的不足之处是样品的温度对测量结果有明显的影响，测试时得保持样品周围温度恒定，因此无法实现连续在线监测。

三、荧光猝灭测溶解氧浓度的原理

基于荧光产生、荧光猝灭的机理和溶解氧浓度荧光检测的方法的研究在不断发展。溶解氧浓度荧光检测的方法中，由于荧光强度检测法存在着很大的局限性，所以荧光寿命检测法中常采用相移法和脉冲法。

(一)荧光的产生

荧光指的是一种光致发光的冷发光现象，又称为“萤光”。当荧光物质受到特定波长的入射光照射时，该物质分子吸收入射光能量后转变成为激发态，然后发出相比入射光波长更长的出射光，并伴随着入射光的激发停止而迅速消失，具备这种性质的出射光，一般称为荧光，属于物理现象[10]。

1.荧光的产生条件

(1)物质分子必须具有能吸收激发光的结构。

(2)当吸收同一特征频率的激发能量后，物质粒子要具有更高的荧光效率。

2.荧光的产生过程

图1 荧光的产生过程

(二)荧光猝灭

荧光猝灭即通过某种物理作用或化学反应，处于激发态的荧光分子在以发光的形式释放出多余能量的同时，部分能量通过转移到某种特殊物质以另一种形式释放，导致荧光寿命减少和荧光强度下降。[5]能够与荧光物质发生荧光猝灭的物质被称为荧光猝灭剂。

在本质上来讲，荧光猝灭是在荧光物质的发光过程中猝灭剂分子与荧光物质互相抢夺能量从而使所产生荧光的荧光强度变弱、荧光寿命缩减的过程。[11]

荧光猝灭通常分为两种，静态猝灭和动态猝灭。[12]静态猝灭主要表现为猝灭剂分子同荧光物质分子相互作用生成不发光的基态络合物，荧光寿命本质上并没有改变。动态猝灭指的是处于激发态的荧光分子与猝灭剂发生碰撞从而产生的另一种猝灭现象，这个过程中通常会发生电子转移或者能量转移过程，且在特殊的情形下，会产生瞬时的基态复合物，导致荧光特性与原来的荧光物质不同，从而引起猝灭现象。

在荧光淬灭原理的溶解氧传感器的测量过程中氧分子作为荧光猝灭剂，所引发的荧光猝灭为动态猝灭。[13]整个过程简单表示如下：

M+Hv=M*(吸光过程)

M*=M+Hv(荧光过程)

M*+Q=M+Q*(猝灭过程)

荧光物质M吸收能量(光能Hv)转变为激发态M*，此为吸光过程；激发态M*释放能量(光能Hv)发光后回到基态M，此为荧光过程。在发生荧光过程的同时会发生猝灭过程，也就是说在此时激发态M*能与猝灭剂分子Q(在这里指氧分子)发生猝灭效应，作为猝灭剂的氧分子Q会吸收一部分激发态的M*所释放的能量，同样激发态M*回到基态M。

水中溶解氧的浓度和猝灭程度可用Stern-Volmer(斯特恩-沃耳默)[14]方程表述：

I0/I=τ0/τ=1+KC

式子中的I0、I分别是无氧和有氧条件下的荧光强度；τ0、τ分别是无氧和有氧条件下的荧光寿命；C表示溶解氧的浓度；K是常数，与荧光物质有关。从此式便可看出有两种方法来检测溶解氧浓度的大小——测荧光强度[15]和测荧光寿命。

(三)检测方法

虽然说有两种方法来检测溶解氧浓度，但在现实中水下情况往往是复杂多样的，并且测荧光强度容易受到周围环境情况的各种干扰，所以不会随周围环境改变或者干扰而产生变化的测荧光寿命法成为主流检测方法。在一系列检测荧光寿命的方法中，占主流地位的方法有两种——相移法(相敏法)和脉冲法。

1.相移法

当采用正弦调制的光信号作为激发光，那么相应的荧光物质发出的荧光信号也是正弦变化，此时因为激发光的吸收和荧光的发射存在时间差，所以激发光和荧光存在一个相位差θ[16]。

荧光寿命τ和相位差θ之间存在如下关系式[7]：

tanθ=2πfτ

此式中f为激发光的频率。再结合Stern-Volmer方程式可得到如下关系式：

Tanθ0/tanθ=1+KC

此式中θ0与θ分别是无氧和有氧状态下的滞后相位差，所以便可以根据不同的相位差得到相应的溶解氧浓度。

2.脉冲法

当采用经调制的脉冲光信号来激发荧光样品时，荧光的辐射强度便会随时间的变化而指数衰减，呈如下关系式：

I(t)=I0e-t/τ

此式中的I(t)为随时间变化而衰减的荧光强度，I0为初始荧光强度，t为时间，e为数学常数，τ为指数衰减的时间常数。[5]

一般在氧分子的猝灭作用下，脉冲信号将产生一定程度的拖尾现象，而这种拖尾现象就会使荧光信号与脉冲光信号在频谱上的产生相位滞后，即产生相位差。此时就如同相移法一样，只要记录下无氧和有氧状态下的滞后相位差，就可以根据不同的相位差得到相应的溶解氧浓度。[17]

以上内容为下文所介绍的溶解氧传感器的研究与设计提供了相应的理论基础。

四、溶解氧传感膜的制备方案

一个溶解氧传感膜由荧光指示剂和固定荧光物质的载体利用固定方法来制取。

(一)荧光指示剂

荧光指示剂是与氧分子可以发生的导致荧光强度下降的物质，是基于荧光猝灭原理测量溶解氧的重要物质，这要求指示剂与氧分子反应快速、专一。[17]常用的荧光指示剂有过渡金属有机配合物、多环芳香烃有机染料、C60等。钌金属络合物在1986年被发现适用于光纤氧传感器的荧光指示剂，因为其荧光时间长、灵敏度高、有较大的Stokes位移、光学稳定性好等优点，所以成为了目前被应用最为广泛的荧光指示剂。[18]

(二)氧敏荧光膜基质

氧敏荧光膜基质主要有硅烷类和烯烃类聚合物(如PS)两类，但有机高聚物容易和固定其中的荧光指示剂发生光化学反应，从而影响传感膜的寿命，所以一般都是选择硅烷类。

(三)荧光指示剂固定方式

荧光指示剂固定方式的选择主要看其成膜的速度、固定情况、简便性、性价比和膜的性能(如弹性、易破程度、可用时间)等。按照实质划分为化学固定方式和物理固定方式。化学固定方式是发生有机物反应由共价键把荧光物质固定在载体上；物理固定方法主要是静电能或者氢键等形式将荧光指示剂包埋或者混合在载体上。以下是各种固定指示剂制膜方式方法(如表1所示)：

表4 固定指示剂制膜方式方法

五、溶解氧传感器结构设计

溶解氧传感器结构设计包括光学结构设计、电学结构设计、信号处理等基本模块。由于结构复杂，下面主要简述溶解氧传感器结构的基本部分。

(一)溶解氧传感器的主要传感部件及作用

传感器系统主要由探头和主机两个部分组成。

1.探头部分

绿光(蓝光)LED和红光LED相对于荧光传感膜呈一定角度分布于其后两侧，为了进行信号检测，在两种LED灯之间加一光电探测器。荧光物质前面有一层碳黑色聚苯乙烯充当保护膜，可以实现光绝缘以及减小荧光物质膜的损耗，还可以保护传感膜不受外部光源的干扰。此外探头前端还有热敏电阻进行温度的实时检测[13]。溶解氧传感器的探头示意图如下图2所示。

图5.1 氧传感器探头示意图

2.主机部分

包含信号的处理过程，使信号精准迅速地输出。更重要的是实现人工和主机的相互交流功能，使溶解氧值和温度值更准时快速的显示出来[15]。

图5.2 溶解氧传感器信号检测系统

(二)传感器关键器件的选择

1.从整个溶解氧传感器的工作过程可以知道，受激发产生的荧光信号是比较微弱的，所以选择一款在激发产生的荧光信号的波段范围光灵敏度高的光电二极管十分关键。光电二极管的选择主要通过比较其性能参数来选择[7]。

表5 光电二极管的性能参数

2.激发光LED需要满足的条件：首先要满足能够激发荧光的条件，其次需要满足不在光电二极管的有效波长范围内防止干扰荧光信号的采集，最后还有比较重要的一点是对荧光敏感膜的损害尽可能小，从而延长荧光膜的使用寿命。[7]

六、信号转换和处理

对于采用荧光猝灭法测量水中溶解氧浓度的氧传感器的研制涉及了分析荧光猝灭原理[7]，设计传感器系统，选择器件和设计检测电路等方面的工作，其中测量电路中对于荧光信号的转换和处理是关键的一步。荧光强度和荧光寿命与溶解氧解氧含量呈正相关关系，两种方法都可以用来测量溶解氧浓度。但荧光强度容易受温度、光源波动、pH值等外部因素的干扰，所以用此方法测量溶解氧的含量存在较大的误差，而荧光寿命是荧光信号的本征参量，抗干扰能力较强[16]，测量结果更加稳定、准确，故大多选用后者对溶解氧含量进行测量。

溶解氧传感器中的光电检测系统对于荧光信号的处理可简略总结为以下流程：调制信号驱动光源发出激发光照射荧光物质发出荧光信号，同时为了防止产生额外的相位滞后，仪器还需要设置参比光从而得到参考信号[22]。在模拟放大电路里的光电倍增管(PMT)会将荧光信号和参考信号转换为电流信号，继而转换为电压信号，然后把经过放大器放大处理的电压信号通过模拟或数字转换器(ADC)转换为输出的数字信号，最后上传到PC端，实时获取和处理数据从而得到溶解氧值[23-24]，荧光信号处理过程可概括为如下图4所示。

图6 荧光信号处理过程

信号处理是一种按照预期目的对记录于媒体上的信号进行加工和处理，从而获所需信息的过程，是对信号进行提取、变换、分析、综合等处理过程的统称[25]。溶解氧传感器输出的荧光信号很微弱而且转换的电信号中往往会混入干扰噪声，所以要进行信号放大和信号处理。用信号处理技术对检测系统中荧光信号进行滤波处理[26]，可以将信号中特定波段频率除去，从而有效地抑制和防止在检测过程产生各种干扰噪声，提高信噪比。如西藏民族大学李鹏提出的在嵌入式光纤传感器的信号处理过程中引入消噪技术，能够有效削弱噪声对信号处理电路工作性能的干扰，提高传感器的可靠性[27]。

七、溶解氧传感器的应用

氧在自然界以多种形式存在，其中以分子形式存在水介质的称为水中的溶解氧[28]。测量溶解氧的含量对人们的生产生活有着非常重大的意义，溶解氧传感器就是用来测量水中溶解量的一种设备[29]。其应用范围十分广泛，例如可以对自来水厂水源进行溶解氧检测，确保水源质量。在污水处理行业方面，通过测量溶解氧的含量分析污水处理效果。在水产养殖方面，可以实时检测水体中溶解氧的浓度，以便及时调节水体中的氧含量，给各类水产品提供良好的生长条件；在环境监测领域方面[17]，江河湖海水体中溶解氧的含量很大程度上可以反映水质的优劣，因此我国各类江河湖海的检测站都需要对水体溶解氧的含量进行测定。市面上基于荧光猝灭原理的溶解氧传感器的产品种类较多，产品设计也趋于优良化，数据测量也趋于准确化，实时化，稳定化。

八、总结与展望

(一)总结

近些年来，随着国家对水质情况越来越重视，水中溶解氧的数值作为一项重要的监测指标推动着溶解氧传感器的发展。本文介绍了四种检测方法，其中着重介绍了荧光猝灭法，包括该法所用传感器的膜的类型及制备方法、传感器的结构设计、信号转换和处理过程及应用。

(二)展望

基于荧光猝灭原理的光学溶解氧传感器具有许多优点，如高灵敏性、良好的抗干扰能力、需要的维护少等，将在未来占据溶解氧传感器市场的主导地位。研究者们会更多地将光纤融入传感器中。由于光纤本身具有高抗干扰能力，对信号的损耗极低，并且可进行远距离传输，这就使得光纤在光学溶氧传感器的设计中会更加频繁地出现。集智能化与微型化于一体的溶解氧传感器技术，将成为未来研究的重点和难点，以及发展的主流方向。智能化通常利用自动调零、自校准、自补偿等多项智能技术，对温度、压力、盐度等干扰因素进行实时动态补偿和校正。因此，智能化大大降低了人工操作和管理成本，直接或间接地减少了人为错误。微型化即缩小传感器的体积，如此一来既方便携带，又不占地方，但是提高了对传感器内部器件的要求。基于荧光猝灭原理的智能化与微型化光纤溶解氧传感器适合于远程实时在线测量，且具有高抗干扰能力，不需要频繁维护，满足各种应用场景下对精度和实时性的要求。然而，这种类型的传感器仍然存在技术问题，对研究人员是一项巨大的挑战，这将是未来研究的重点和难点，同时也是发展的主流方向。

*基金项目：2018年国家级大学生创新创业训练计划项目(项目编号：201810578001)。