熒光猝滅法溶解氧傳感器實驗室校準方法研究

鄭旻輝，潘建明，楊俊毅，謝尚微

（1.中國地質大學（武漢）資源學院，湖北　武漢 430074；2.國家海洋局海洋生態(tài)系統(tǒng)與生物地球化學重點實驗室，國家海洋局第二海洋研究所，浙江　杭州 310012）

熒光猝滅法溶解氧傳感器實驗室校準方法研究

鄭旻輝1，2，潘建明2，楊俊毅2，謝尚微2

（1.中國地質大學（武漢）資源學院，湖北武漢 430074；2.國家海洋局海洋生態(tài)系統(tǒng)與生物地球化學重點實驗室，國家海洋局第二海洋研究所，浙江杭州 310012）

針對我國目前缺乏熒光猝滅法光學溶解氧傳感器校準方法的現狀，以AADI 4330F溶解氧傳感器為實驗對象，提出了一種適用于所有熒光猝滅法光學溶解氧傳感器的實驗室校準方法。該方法使用一個能夠精確控制水體溫度的自制校準裝置，通過改變通入容器的氧氣和氮氣比例來控制容器內的溶解氧含量，在4個溫度下分別測定至少10組水體溫度值、傳感器相位值和Winkler碘量法測定值數據，使用回歸分析進行多項式擬合獲取傳感器校準系數。經過實驗室驗證，在校準試驗溫度范圍內隨機溫度和溶解氧濃度下，使用該方法校準后傳感器測定值與標準值偏差在±5 μmol/L以內，達到了儀器自身的準確度水平。本方法在校準結果準確度和溫度適用范圍等方面都明顯優(yōu)于兩點校正法，表明該方法具有良好的校準效果和推廣應用價值。

溶解氧傳感器；熒光猝滅；實驗室校準方法

近年來我國近海低氧等生態(tài)環(huán)境問題日趨嚴重［1-2］，引起了科學家們的極大關注，對于海洋生態(tài)環(huán)境長期過程監(jiān)測也提出了新的技術要求?；跓晒忖缭淼墓鈱W溶解氧傳感器［3-4］比電化學法傳感器［5-7］有著更好的數據長期穩(wěn)定性，代表了當前海水溶解氧原位測量技術的主要發(fā)展方向，近年來獲得了迅速發(fā)展。光學溶解氧傳感器在海上長期使用過程中，由于膜受光分解、生物附著等原因會產生數據漂移（圖1），需要進行數據校準以維持測值準確度。目前一般使用的是兩點校準法，即分別制備無氧水和溶解氧飽和水用于傳感器校準，以實驗溫度下計算獲得的理論溶解氧含量作為基準值進行兩點線性校準。該校準方法基準值少，校準結果偏差大，難以滿足低氧過程研究、深海底原位培養(yǎng)研究等科研工作對于高精度溶解氧數據的需求。

圖1　長時間使用后熒光猝滅法溶解氧傳感器數據漂移情況

目前我國在光學溶解氧傳感器研制方面取得了一些進展，合肥工業(yè)大學、南京信息工程大學電子與信息工程學院、浙江大學等單位都獨立研發(fā)了熒光猝滅傳感器樣機［8-10］，然而在傳感器標定方法方面還十分欠缺。此前潘忠泉等［11-12］在微量溶解氧分析儀校準裝置研制方面開展了一些研究工作，分別設計了基于法拉第電解反應原理［11］和基于解吸原理［12］的微量溶氧儀校準裝置。前者需要采用氧化還原樹脂、法拉第電解裝置，系統(tǒng)過于復雜；后者裝置的精度受制于氮氧混合氣體氧含量的不確定度及氣體在純水中的溶解程度。上述裝置在校準范圍、校準精度等方面都無法滿足當前熒光猝滅法光學溶解氧傳感器的校準要求。本文以AADI 4330F溶解氧傳感器為實驗對象，旨在建立一種適用于所有熒光猝滅法光學溶解氧傳感器的實驗室校準方法，為提高光學溶解氧傳感器數據質量提供技術支撐，同時也為我國光學溶解氧傳感器的計量標定工作提供方法依據。

1　材料和方法

1.1傳感器工作原理及數據處理

本文使用的挪威AADI公司生產的Oxygenoptode是目前最先進的熒光猝滅法溶解氧傳感器之一，體積小、精度高，廣泛應用于ARGO浮標剖面監(jiān)測［13］、深海原位培養(yǎng)觀測實驗［14］、海洋生態(tài)群落凈生產力［15］、海洋底層界面通量測量［16］、走航溶解氧連續(xù)觀測［17］等領域?；跓晒忖缭淼腁ADI 4330F溶解氧傳感器使用一種鉑金卟啉（platinum porphyrine）的特殊分子作為發(fā)光基團，該發(fā)光基團受到藍光照射時會被激發(fā)，在一段時間內發(fā)出紅光并返回到初始狀態(tài)。當有O2存在時，發(fā)光基團會轉移部分被激發(fā)的能量到與之相碰撞的氧分子上，使發(fā)出紅光的時間縮短。O2濃度和發(fā)光衰減時間之間的關系符合Stern-Volmer方程：

式中：τ為衰減時間；τ0為無氧狀態(tài)衰減時間；KSV為Stern-Volmer常數（淬滅效率）。

由于發(fā)光衰減時間受諸多因素影響，同時發(fā)光衰減時間與相位之間具有一定的關系，因此也可以在相位和O2濃度之間建立直接的關系。O2濃度與相位、溫度間具有以下關系［18］：

式中：［O2］為水體中溶解氧濃度，μM；P為儀器相位值；C0，C1，C2，C3，C4為溫度的系數，與溫度符合如下關系［18］：

式中：x=0，1，2，3，4；t為溫度，℃；C00，C01......C42，C43為傳感器標定系數。

1.2校準裝置設計

由傳感器數據計算公式可知，溫度是光學溶解氧傳感器最重要的影響因素，因此在實驗過程中精準控制水體溫度是保證校準效果的關鍵。本文構建了一套校準裝置（圖2），其主體為一個密閉的有機玻璃容器，在桶壁預留了氣體入口和氣體出口，前者同時作為碘量法取樣口；在容器內安置水泵用于水體攪拌；水體溫度由可控溫水浴循環(huán)系統(tǒng)來精確控制。試驗時，在容器內盡量裝滿水，確保傳感器充分浸沒水中，并且與四周保持足夠距離。

圖2　校準裝置示意圖

1.3校準步驟與數據處理方法

安裝好校準裝置和待校準傳感器后，根據傳感器實際應用環(huán)境溫度范圍選定4個校準溫度（溫度1、溫度2、溫度3、溫度4）。設定恒溫水浴溫度為溫度1，待溫度穩(wěn)定后開始試驗。通過改變通入容器的氧氣和氮氣比例來控制容器內的溶解氧含量，使氧飽和度保持在0～120%之間。使用傳感器實時數據來判斷容器內溶解氧波動情況，待讀數穩(wěn)定在±0.1%且持續(xù)3～5 min后，記錄傳感器相位值、溫度值，同時從采樣口取水樣使用Winkler法進行測定，在一個溫度試驗中獲取至少10組溶解氧含量數據。完成溫度1試驗以后，依次進行其他3個溫度的試驗。

根據校準試驗中獲取的4個溫度下多組溶解氧相位值、水溫和Winkler法測定值來計算傳感器的校準系數。在4個溫度下，分別對Winkler法測定值與傳感器相位值做四項式曲線擬合，獲得該溫度下的C0'，C1'，C2'，C3'，C4'；再根據式2進行矩陣計算獲取校準系數C00'，C01'......C42'，C43'。

1.4傳感器校準系數獲取

以安德拉4330F溶解氧傳感器（序列號795，出廠標定時間2012年1月，準確度8 μmol/L或5%）為試驗對象，設定試驗水溫為5℃，10℃，15℃，20℃，按照上述校準步驟進行試驗，獲得試驗數據（表1）。

表1　4個溫度下傳感器相位值和Winkler法測定值

按照上述數據處理方法獲得傳感器校準系數（表2）。

表2　傳感器校準系數

2　結果與討論

2.1傳感器校準效果驗證

2.1.1校準方法系統(tǒng)偏差分析使用校準試驗獲取的傳感器校準系數，結合試驗中記錄的傳感器相位值和水溫，計算傳感器校準值，與Winkler法測定值進行對比，可了解校準方法本身的系統(tǒng)偏差。由表3及圖3可以看出，傳感器校準值與Winkler法測定值較為一致。全部44組數據中，校準值與基準值最大偏差為-4.58 μmol/L，所有偏差均在±5 μmol/L以內，小于傳感器標稱準確度（8 μmol/L）。上述數據表明，使用該校準方法擬合計算獲得的校準系數較為合理，能夠在較大溫度范圍內準確反映溶解氧含量與傳感器相位值、溫度之間的關系，從而確保根據校準系數計算得到的傳感器測值具有較高準確度。

表3　傳感器校準值與Winkler法測定值對比（單位：μmol·L-1）

圖3　傳感器校準值與Winkler法偏差

2.1.2校準系數適用范圍驗證為了驗證校準系數在溫度和溶解氧濃度的適用范圍，使用校準裝置在校準溫度范圍內的數個隨機溫度和溶解氧含量下進行試驗，記錄傳感器相位值和水溫，使用校準系數計算傳感器校準值，并與Winkler法測定值進行比較。數據結果（表4及圖4）顯示，傳感器校準值與Winkler法測定結果對比偏差均在±5 μmol/L以內（最大偏差為-4.93 μmol/L），明顯小于傳感器原始測值的誤差范圍（最大偏差為-26.24 μmol/L）。這一結果表明本方法在校準范圍內具有普遍適用性，確保通過有限的4個溫度、每個溫度10個濃度試驗獲取的校準系數能夠擴展應用于校準范圍內其他任意溫度和濃度。

表4　隨機溫度和溶解氧含量下傳感器值與Winkler值對比

圖4　校準系數驗證結果

2.2本方法與兩點校準法的對比

2.2.1傳感器兩點法校準公式獲取按照兩點校正法對傳感器進行無氧水及飽和溶解氧水兩點校正試驗。由于該方法僅需進行一個溫度條件的試驗，且對溫度設定沒有特殊要求，本次實驗將溫度設定為20℃。使用5 L大燒杯裝滿自來水放于20℃的恒溫水域中，并用鼓氣泵向水中連續(xù)鼓入空氣24 h以上，制備飽和溶解氧水；用另一大燒杯裝滿自來水放于20℃恒溫水域中，加入過量的無水亞硫酸鈉（Na2SO3），制備無氧水。使用AADI 4330F溶解氧傳感器測定飽和溶解氧水結果為263.49 μmol/L，測定無氧水的結果為0.84 μmol/L。查詢傳感器使用手冊中的水中氧溶解度表格［18］可知該溫度條件下溶解氧飽和水濃度為283.9 μmol/L。根據以上數據計算得到傳感器兩點法校準公式為：y=1.0809x-0.9091。

2.2.2本方法與兩點法的校準結果對比分別采用兩點校準公式和本方法校準系數對校準試驗中5℃和20℃條件下測得的數據進行校準，對比兩點校準法與本方法的差異。從結果（表5及圖5）可以看出，5℃時傳感器兩點校準值與Winkler法測定結果對比最大偏差為-13.14 μmol/L，小于傳感器原始測值的誤差范圍（最大偏差為-28.11 μmol/L），大于本方法校準后的偏差（最大偏差為1.44 μmol/L）；20℃時傳感器兩點校準值與Winkler法測定結果對比最大偏差為11.98 μmol/L，小于傳感器原始測值的誤差范圍（最大偏差為-22.28 μmol/L），大于本方法校準后的偏差（最大偏差為3.31 μmol/L）。

上述結果表明，在兩個溫度條件下通過兩點校準法校準以后，都能夠縮小傳感器測定數據誤差，但是兩點法校準效果與本方法相比仍然存在較大差距。此外，與本方法校正系數能夠適用于較廣溫度范圍不同，兩點校準法受溫度影響較大。5℃和20℃條件下校準結果存在較大差異，表明使用單一溫度獲取的兩點校準公式在其他溫度下使用時會帶來較大誤差。

圖5　5℃和20℃兩點法與本方法校準結果對比

3　小結

（1）實驗數據表明，在實驗條件溫度范圍內使用本方法校準以后，所有溶解氧傳感器測定值與標準值偏差均在±5 μmol/L以內，小于傳感器自身標稱準確度，說明本校準方法具有較好的校準效果；

（2）與兩點校準法進行對比分析后表明，本方法校準結果明顯優(yōu)于一般使用的兩點校準法，且本方法受溫度影響小，適用范圍更廣；

（3）本校準方法根據熒光猝滅法溶解氧傳感器的工作原理進行數據處理，理論上可以適用于所有基于該原理的溶解氧傳感器校準，同時本方法中使用的校準裝置經過改進后也可用于其他類型的溶解氧、二氧化碳、甲烷等溶解性氣體傳感器的實驗室校準工作，具有極大的推廣應用價值。

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Study on the Method for Laboratory Calibration of Dissolved Oxygen Sensors Based on Fluorescence Quenching

ZHENG Min-hui1，2，PAN Jian-ming2，YANG Jun-yi2，XIE Shang-wei2
1.Faculty of Earth Resources，China University of Geosciences，Wuhan 430074，Hubei Province，China；
2.Laboratory of Marine Ecosystem and Biogeochemistry，SOA，Second Institute of Oceanography，State Oceanic Administration，Hangzhou 310012，Zhejiang Province，China

Recently，oxygen sensors have been widely used in marine research，especially in studying the mass transfer rate of O2across the sediment-water interface，net community production of deep ocean and hyperbaric trap-respirometer for the capture and maintenance of deep-sea organisms.Most currently deployed oxygen sensors drift for months on the surface ocean and must be calibrated to maintain their accuracy.Focused on the fact that calibration methods for dissolved oxygen sensors based on fluorescence quenching are absent in China，this paper，with the the AADI 4330F dissolved oxygen sensor as the object of study，presents an oxygen calibration system designed to work in the laboratory using Aanderaa optode oxygen sensors.This method uses a self-made calibration apparatus that can accurately control the water temperature and regulate the dissolved oxygen content in the container through adjusting the O2/N2ratio.At least 10 groups of water temperature values，sensor phase values and Winkler titration values are measured under 4 temperatures，and the sensor calibrating coefficient is obtained through polynomial fitting with regression analysis.Laboratory validation proves that，under the random temperature and dissolved oxygen level within the calibrating temperature scope，the deviation between the measured values and standard values is well within±5 μmol/L with the use of this method，achieving the precision requirement.The presented method obviously precedes the two-point calibrating method in the aspects of result accuracy and temperature range，and thus has good calibrating effects and application value.

dissolved oxygen sensor；fluorescence quenching；laboratory calibration method

TP212；X834

A

1003-2029（2016）01-0062-06

10.3969/j.issn.1003-2029.2016.01.010

2015-06-14

國家高技術研究發(fā)展計劃（“863”計劃）資助項目（2012AA092102）；海洋公益性行業(yè)科研專項經費資助項目（200905025，201305012）；浙江省自然科學基金資助項目（LQ16D060006）

鄭旻輝（1984-），男，助理研究員，主要研究方向為海洋生態(tài)環(huán)境監(jiān)測技術。E-mail：zhengmh@sio.org.cn