荧光式和极谱式溶氧仪测量地表水中溶解氧含量的比较

吴宪宗，朱婷婷

（1.国家环境保护饮用水水源地管理技术重点实验室，广东 深圳 518001；2.深圳市饮用水水源地安全保障重点实验室，广东 深圳 518001；3.深圳市环境科学研究院，广东 深圳 518001）

水中溶解氧的含量是衡量水体自净能力的一个指标。它与大气压力、水温和含盐量等因素有关，大气压力降低，水温升高，含盐量升高都会导致水中溶解氧含量降低。目前水样中溶解氧测定方法主要有：碘量法、膜电极法、电导法和荧光法。膜电极法和荧光法因为仪器小、可便携、测试速度快、结果稳定、数据准确而被普遍采用。膜电极法根据电极测试原理分为原电池式和极谱式。极谱式溶氧仪原理为当水体中氧分子透过隔膜后被工作电极还原，然后产生与氧浓度成正相关的扩散电流，通过测量扩散电流来计算溶解氧浓度。荧光法溶氧仪电极头部覆盖一层荧光物质，当光源发出蓝光照射到荧光物质时，荧光物质被激发然后产生红光荧光，由于氧分子的猝熄作用，在一定的温度下，激发红光的时间和强度与氧分子的浓度成反比，通过测量激发红光与参比光的相位差来计算氧分子的浓度。现行HJ 509-2009溶解氧标准中使用的探头为极谱式溶氧探头，目前荧光法溶解氧仪器在国内暂有适用的检测方法标准，只有HJ925-2017 仪器标准。本实验目的主要为比对荧光式溶氧和极谱式溶氧仪测试结果之间是否存在显著差异，另外使用荧光式溶氧仪测量的结果是否能被实验室接受。

1 实验部分

1.1 主要仪器及试剂

Thermo Scientific Orion VERSA STAR 溶氧仪（以下称：极谱式溶氧仪）、哈希HQ-40d便携式溶氧仪（以下称：荧光式溶氧仪）、碘量法测溶解氧所需试剂等。

1.2 溶氧仪量程标定

Thermo Scientific Orion VERSA STAR 溶氧仪：20℃下先在水饱和空气中进行接近饱和值校准，方法为用黑色塑料袋装约1L 纯水，然后将袋子放在2L 烧杯中，将电极悬挂在黑色袋中水面上方约5cm 地方，然后将袋子封口，待气液两相平衡2h后启动校准，仪器上选择水饱和空气作为校准点。接着在无氧水中进行零点校准，校准完后仪器显示标定压力758.4mmHg，具体操作参照HJ 506-2009。

哈希HQ-40d 溶氧仪：20℃下在水饱和空气中进行接近饱和值校准，方法同Thermo Scientific Orion VERSA STAR 溶氧仪的水饱和空气校准流程，该仪器无需零点标定。

1.3 水样测定

水样采集后，先分别用标定后的两款仪器进行测定并记录数据，电极法测完后需用碘量法测量的样品在此环节加入硫酸锰溶液和碱性碘化钾溶液进行溶解氧固定。

Thermo Scientific Orion VERSA STAR 溶氧仪：将溶氧电极末端全部浸入水中，利用磁力搅拌器以500rpm 的转速进行测定，每个样品测量两次，待第二次稳定后记录读数。

哈希HQ-40d 溶氧仪：将电极末端全部浸入水中，启动测量，测量过程保持探头静止不动，每个样品测量两次，待第二次稳定后记录读数。

碘量法测定溶解氧：将固定好的水样用标定后的硫代硫酸钠滴定，测量方法参照GB 7489-87。

2 结果与分析

2.1 极谱式溶氧仪测量搅拌速度

荧光式溶氧仪测量过程不消耗氧气，测试时只需将探头放入水中静置等待数据稳定后读取。极谱式溶氧电极测量时会消耗膜附近的溶氧，测量时被测水样与电极间需要有相对运动，不搅拌测量结果会越测越小。本实验室采用磁力搅拌（现场可摇晃电极，但要避免速度过快导致空气对水样充氧，尤其是低氧水样），对4 个水样先用荧光式溶氧仪测定，然后在不同转速下用极谱式溶氧仪测定，从表1 中数据来看，当磁子转速在500rpm 时基本和荧光式溶氧仪的数据一致，当搅拌速度继续增大时溶解氧数据增大，增幅变慢，数据趋于稳定。

表1 极谱式溶氧仪在不同转速下的溶解氧测试结果（单位：mg/L）

2.2 溶氧仪探头响应线性检查和准确度检验

根据HJ 506-2009 的要求，新仪器投入使用前、更换电极或电解液以后，需检查探头的线性。选取5 个比较干净的水样（HJ506 标准中采用不同溶氧的纯净水样）分别用极谱式溶氧仪、荧光式溶氧仪和碘量法测定溶解氧含量，测定结果如表2 所示。根据表中结果进行回归分析，极谱式溶氧仪结果和碘量法结果之间F=3881，F0.05（1，3）=10.13，F＞F0.05（1，3）；荧光式溶氧仪结果和碘量法结果之间F=6791，F0.05（1，3）=10.13，F＞F0.05（1，3）。可以判定这两组数据之间的线性相关关系是高度显著的，即判定两个探头法仪器测定的溶解氧结果与碘量法结果在显著性水平为5%时都无显著性差异，认为本次极谱式溶解氧探头和荧光式溶解氧的电极探头响应都呈线性。同碘量法结果比较，极谱法测量相对偏差范围在-1.13%～0.26%，荧光法测量相对偏差范围在-1.14%～0.04%，都符合准确度要求。

表2 碘量法、极谱式溶氧仪和荧光式溶氧仪测试结果（单位：mg/L）

2.3 精密度检验

分别使用两款仪器对某人工湿地生态池塘水样进行7 次平行测定，测定结果见表3。由表中数据可知，极谱式和荧光式溶氧仪的结果精密度分别为0.11% 和0.12%，测试结果符合质控要求；对两个仪器的测试结果进行F 检验计算得出F=1.26，F0.05（6，6）（单）=4.28，F＜F0.05（6，6）（单），说 明两个仪器测试结果的精密度在95%的置信度下不存在显著差异；运用t 检验计算得出t=1.68，t0.05（12）（双）=2.18，t＜t0.05（12）（双），说明两个仪器测定方法在95%的置信度下无显著差异，两个方法之间无系统误差。

表3 某人工湿地生态池塘水中溶解氧含量测试结果（单位：mg/L）

2.4 仪器比对

分别使用两款溶氧仪测量以下12个样品，测定结果见表4。从表中结果来看，极谱式溶氧仪和荧光式溶氧仪的测试结果一致，二者相对偏差在-1.00%～0.35%之间，符合准确度的要求。

表4 滤膜过滤与蒸馏法的结果比较（单位：mg/L）

3 结论

实验结果表明，荧光式溶氧仪探头和极谱式溶氧仪探头响应都呈线性，荧光式溶氧仪测量标准偏差为0.0151，精密度为0.12%；极谱式溶氧仪测量标准偏差为0.0135，精密度为0.11%；荧光式溶氧仪结果和碘量法之间相对偏差为-1.14%～0.04%；极谱式溶氧仪结果和碘量法之间相对偏差为-1.13%～0.26%；荧光式和极谱式溶氧仪结果之间相对偏差为-1.00%～0.35%；两款仪器测试结果的精密度和测定方法在95%的置信度下不存在显著差异，因此认为荧光式溶氧仪和极谱式溶氧仪测量结果都符合实验室的检测要求。国标中荧光式溶氧仪用于水质溶解氧测定的方法标准暂未出来，但由于荧光式溶氧探头的稳定性和重复性好，维护操作少，已经广泛的应用于实验室检测分析，野外便携测定以及水质自动在线监测环节中。