1材料與方法

1.1溶解氧的測量機理

水體中溶解氧濃度測量是基于熒光淬滅機理，由于O2分子與熒光指示劑相互作用，導致熒光強度的衰減及熒光壽命的縮短，而熒光強度的衰減及熒光壽命的縮短與氧的濃度成比例關系，該方法已成功的用于醫學、生物、以及海洋領域中溶解氧濃度的觀測。水體中溶解氧濃度測量可以用Stern-Volmer方程表示：

(1)

其中：I0、τ0表示在無氧(氧=0)情況下的最大熒光光強或壽命；I、τ表示在有氧(氧)下的熒光光強或壽命；ksv是Stern-Volmer淬滅常數。

實際應用中，傳感膜內的指示劑分子不可能全部發生熒光淬滅效應，設定其中未參與部分的比例為A，則參與部分為1-A，那么可以修改式(1)得到以下方程：

為克服熒光強度測量容易受外界環境的照射強度、光照不均勻及熒光指示劑分布不均勻等因素的影響而導致測量精度和穩定性下降的缺陷，采用比率測量法，即同時測量對溶解氧不敏感的熒光作為參考光，利用同步測量的指示劑熒光激發強度與參考光強的比值替代單一的發射熒光，這樣可以有效地改善發射熒光強度測量對環境因素敏感的問題。在比率法測量中，將式(2)中的I和I0替換成I=IP/IM，I0=IP0/IM0，則公式(2)可以改寫為：

通過校準確定ksv、A、I和I0系數，利用公式(3)就可計算出氧的濃度。

1.2溶解氧平面光極制備

前人對PtOEP的熒光淬滅特性進行了詳細的研究，本文采用對氧分子具有良好淬滅作用的八乙基卟啉鉑(Platinum(II)octaethylporphyrin，PtOEP)作為溶解氧熒光指示劑，摻雜對氧分子無響應的香豆素染料作為熒光能量供體，在激勵光源的照射下，包埋在薄膜中的PtOEP可以647 nm附近產生一個較強的發射熒光。由于PtOEP和香豆素染料都在480 nm附近存在一個吸收峰，因此可以采用同一個激勵光源對熒光指示劑和香豆素進行激勵。將PtOEP、香豆素染料、聚苯乙烯，按照1%/1%/4%(wt/wt/wt)的比例溶解于三氯甲烷中形成均勻的液體，利用厚度為125μm的PETP膜作為支撐膜，采用刀片式涂膜機將制備的混合液均勻的涂布在支撐膜表面，形成約100μm厚的液體膜，在室溫下靜止6 h，待溶劑揮發后形成厚度<10μm，面積為150 mm×150 mm的傳感膜。利用光譜儀對制備傳感膜進行檢測，其光譜響應如圖1所示。香豆素的發射波長峰值在500 nm附近，熒光指示劑的發射波長峰值在650 nm附近。這2個波長的發射光中，只有熒光指示劑熒光強度與溶解氧濃度相關，其中香豆素熒光強度不受溶解氧濃度影響，并且兩者峰值位置存在著較大的差距，有效地減少了相互之間的光學干擾。圖2為所采用的3CCD相機的3個光譜通道的響應，因此在光學鏡頭中設置一個470 nm長通濾波器將光源發射光濾除，就可利用綠光CCD和紅光CCD同時記錄PtOEP熒光指示劑的發射光和香豆素參考光的光強，簡化了光路系統，簡化了平面光極觀測系統的光路結。

1.3平面光極觀測系統

實驗所用激勵光源為深圳市天耀光電有限公司的大功率LED(SP1-S6BC-1)，其中心波長為460 nm，滿足激發八乙基卟啉鉑的需求。將3個LED與聚光燈罩集成作為激發光源。為了避免單側光照射帶來的光強不均勻，采用2組照明光源，在相機的兩側對稱放置。

熒光圖像采用美國JAI AT-200GE面陣3CCD相機，該相機在R/G/B 3個波段各采用了1個1/1.8英寸CCD，每個CCD的像素分辨率為1 624×1 236。利用3CCD相機，其中2個光譜帶CCD可以分別記錄熒光指示劑的發射熒光和香豆素的參考光，同時在鏡頭前端安置一個長通濾波片(>470 nm)，阻止背景光及激發反射光進入鏡頭。實驗觀測裝置如圖3所示，3CCD相機正對傳感膜，而光源與傳感膜觀測面呈30°角。

圖3模擬實驗裝置

1.4傳感膜校準

溶解氧傳感膜在實際應用之前，需要對傳感膜進行校準，本文采用了兩點校準擬合方法。校準實驗采用向飽和溶解氧的人工海水(S=32)中按一定比例分步添加無水亞硫酸鈉粉末消耗溶解氧的方法，整個校準實驗過程中，實驗室溫度控制在25℃。為了盡量保持溶解氧分布的均勻，以及考慮到傳感膜的響應時間，每次添加無水亞硫酸鈉粉末到觀測水槽后，對人工海水進行充分的攪拌，并穩定10 s后再進行圖像的采集。在校準過程中，利用便攜式溶解氧測量儀(型號：YSI-DO200)同步記錄水體中的溶解氧。該溶解氧儀的測量范圍為0～20 mg/L，分辨率為0.01 mg/L，精度為±2%。每個校準點分別用YSI-DO200和相機進行同步記錄，然后利用公式(3)計算每個像素的溶解氧濃度值，并繪制每個像素的擬合Stern-Volmer曲線。圖4為溶解氧平面傳感膜的校準曲線，橫坐標為溶解氧的絕對含量(mg/L)，縱坐標為像素光強比，根據測量值擬合后的參數為：A=0.432 18±0.006 6，ksv=0.396 94±0.045 42，表明傳感膜中平均56.79%的指示劑參與了熒光淬滅。

圖4平面光極的像素準曲線(室溫25℃)