1.5沉積物-海水界面附近模擬觀測(cè)實(shí)驗(yàn)

采用石英玻璃制作了長(zhǎng)15 cm寬15 cm高15 cm的觀測(cè)實(shí)驗(yàn)水槽，將所制備的平面?zhèn)鞲心び猛该髂z粘到石英觀測(cè)窗口上。

實(shí)驗(yàn)所用的海水與沉積物均取自青島石老人海水浴場(chǎng)潮間帶區(qū)域。利用柱狀管采集沉積物以保持原有的沉積物層序，把采集的沉積物從柱狀管置入觀測(cè)槽內(nèi)，沉積物深度約為5 cm，然后將同一區(qū)域采集的海水緩慢加入，深度為約為8 cm，靜置24 h，在這期間一直利用加氧泵向海水中供氧，以保證水體中維持充足的氧。24 h后，將青島市鄰近海域捕撈的海蜇用海水洗凈表面沙粒，切割成1 kg(濕重)的塊體(均包含傘部和觸手部分，兩者比約為4∶1)，把切割的海蜇置入觀測(cè)槽中。在模擬實(shí)驗(yàn)過程中，為模擬自然界的海洋環(huán)境，采用一個(gè)蠕動(dòng)泵抽取海水，用另一個(gè)蠕動(dòng)泵將新鮮海水灌入觀測(cè)池中。在整個(gè)式樣過程中，除觀測(cè)面外，其余4個(gè)面均用黑紙包住，降低外界光的干擾影像。

放進(jìn)海蜇的第一天每隔2 h采集1次，共計(jì)8次；第2天每隔12 h采集1次，共計(jì)2次；第3天，每隔12 h采集1次，共計(jì)2次；在余下日子里，每隔24 h采集1次，共計(jì)15次。在實(shí)驗(yàn)過程中，室內(nèi)溫度一直控制在25℃。

每次觀測(cè)，均采集6幀圖像并存入計(jì)算機(jī)硬盤中，用于圖像的后續(xù)處理。基于Matlab工具開發(fā)了觀測(cè)圖像處理程序，首先對(duì)每次采集的6幀記錄圖像進(jìn)行平均；然后進(jìn)行3×3中值濾波，以去除椒鹽噪聲及其他干擾；最后利用每個(gè)像素的Stern-Volmer校準(zhǔn)曲線進(jìn)行單個(gè)像素溶解氧含量的計(jì)算。為便于直觀的顯現(xiàn)兩維空間溶解氧的分布變化，將每個(gè)像素溶解氧濃度采用色彩映射到兩維空間，如圖5(a)所示。

為消除粘結(jié)膠區(qū)域?qū)y(cè)量的影響，圖像處理過程中只選取只中心區(qū)域47 mm×68 mm作為傳感膜的有效測(cè)量范圍，所對(duì)應(yīng)的單個(gè)像素點(diǎn)空間分辨率為0.52 mm×0.52 mm。圖5(a)為用色彩表示的觀測(cè)區(qū)內(nèi)的兩維溶解氧濃度分布圖像，圖5(b)是提取的3.2 cm處的一維溶解氧垂直梯度變化。

(圖(a)為剖面溶解氧濃度的兩維分布，0為沉積物-水界面分界點(diǎn)；圖(b)為從圖(a)中所抽取的黑線A的溶解氧垂直梯度變化。

圖5沉積物-海水界面附近溶解氧分布的剖面圖像

2實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1平面光極性能

雖然水體中的一氧化氮和SO2氣體對(duì)PtEOP熒光指示劑有干擾，但是在近岸海水中這些氣體含量非常少，可以忽略不計(jì)，因此可以認(rèn)為氧分子是水體中主要的淬滅提供者，其他因素對(duì)溶解氧所引起的交叉靈敏性影響可以忽略不計(jì)。在校準(zhǔn)試驗(yàn)中，分別對(duì)低氧、飽和氧及中間的3個(gè)點(diǎn)進(jìn)行傳感膜精度的評(píng)估，與傳統(tǒng)的溶解氧測(cè)量?jī)xYSI-DO200進(jìn)行了對(duì)比。表1給出了與YSI-DO200同步測(cè)量的傳感膜對(duì)應(yīng)的像素平均測(cè)量值，可以看出基于傳感膜測(cè)量的像素平均值與YSI-DO200具有很好的線性關(guān)系。

由表1可以看出，基于PtOEP熒光指示劑的比率法平面光極在低濃度范圍內(nèi)具有較好的測(cè)量精度，在接近飽和氧的測(cè)量中會(huì)產(chǎn)生較大的測(cè)量誤差，證明基于PtOEP的平面光極在低氧區(qū)具有較好的靈敏度和精度。鑒于沉積物-海水界面是一高耗氧區(qū)域，溶解氧的濃度較低，因此采用PtOEP的平面光極進(jìn)行沉積物-海水界面溶解氧的測(cè)量是可行的。在本試驗(yàn)中，所采用的相機(jī)像素精度為8-bit，如采用高精度像素相機(jī)可以進(jìn)一步提高測(cè)量精度，譬如12-bit、16-bit。但是高像素精度相機(jī)會(huì)帶來采集時(shí)間及圖像處理時(shí)間延長(zhǎng)的問題，因此要針對(duì)應(yīng)用需求來綜合平衡像素精度和測(cè)量精度之間的選取。與傳統(tǒng)的原位溶解氧探頭相比，平面光極受圖像像素的傳輸速率及像素精度等因素制約，平面光極尚存在著響應(yīng)速度較慢、靈敏度低等不足。

表1傳統(tǒng)溶解氧測(cè)量方法YSI-DO200與平面光極對(duì)比

平面光極在應(yīng)用過程中不消耗試劑，與傳統(tǒng)的微電極相比具有較長(zhǎng)的使用壽命。采用同步測(cè)量發(fā)射熒光和參考光進(jìn)行光強(qiáng)的比值計(jì)算，外界干擾引起的光強(qiáng)變化同時(shí)對(duì)熒光和參考光都產(chǎn)生影響，通過比率計(jì)算可以有效的抑制外界的干擾，同時(shí)在圖像處理中采用了多幀圖像平均的方法，提高了圖像像素的信噪比。由于氧分子是PtOEP的主要的淬滅參與者，其他溶解氣體對(duì)溶解氧所引起的交叉靈敏性影響非常弱，因此溶解氧熒光指示劑比測(cè)量離子濃度的熒光指示劑具有更高的化學(xué)常穩(wěn)定性。Kazumasa等對(duì)基于PtEOP熒光指示劑的平面?zhèn)鞲心ぴ诤Ｋ欣眉?lì)光源連續(xù)照射19 h，發(fā)現(xiàn)對(duì)照射前和照射后的校準(zhǔn)系數(shù)ksv、和A幾乎沒有改變，證明包埋PtEOP熒光指示劑的傳感膜可以忽略光降解的影響因素。對(duì)平面光極測(cè)量穩(wěn)定性的起主要影響的是所包埋在基體中的熒光指示劑在水體中會(huì)產(chǎn)生泄露，熒光指示劑的泄露會(huì)導(dǎo)致光強(qiáng)比值產(chǎn)生漂移。因此在連續(xù)使用過程中，需要進(jìn)行定期的標(biāo)定，以保證測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。