基于熒光猝滅原理的溶解氧傳感器研究綜述

李小媛 劉鈴鈴 余超萍 查婷婷 徐 宇 鐘志文

(韓山師范學(xué)院，廣東 潮州 521041)

一、研究背景及意義

(一)研究背景

溶解氧“DO”(Dissolved Oxygen)是一個(gè)重要指標(biāo)，它是衡量水體自凈能力大小的物理量，指的是水中的分子態(tài)氧溶解的含量，它是以每升水中溶解氧氣的量來(lái)表示，單位為毫克。近些年對(duì)海水、黃河、城市黑臭水體、高壓鍋爐水等溶解氧的測(cè)定研究在持續(xù)的開(kāi)展。當(dāng)前常用于測(cè)定水體溶解氧的方法有“Winkler”碘量法、電化學(xué)法和光學(xué)法等?；诠鈱W(xué)熒光猝滅原理的溶解氧傳感器因具有反應(yīng)迅速、不消耗水中氧氣、使用壽命長(zhǎng)、周圍環(huán)境對(duì)其影響小等優(yōu)點(diǎn)，所以該測(cè)量方法成為我國(guó)目前受歡迎的研究領(lǐng)域。我國(guó)最早對(duì)光纖傳感器研究是陳堅(jiān)[1]基于熒光猝滅原理的光纖化學(xué)傳感器研究，而把此技術(shù)運(yùn)用到測(cè)量溶氧量的是黃俊，他研制了一種基于熒光猝滅原理的光纖氧氣傳感器[2]，此后國(guó)內(nèi)在熒光法方面的研究逐漸深入，如今已經(jīng)達(dá)到國(guó)外平均水平，較少部分研究已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了商品化。

(二)研究意義

一般情況下，在未受到污染的水體中，其溶解氧濃度呈飽和狀態(tài)，此時(shí)魚(yú)類能夠自如呼吸。而當(dāng)水體中的有機(jī)物、好氧細(xì)菌和微生物等耗氧體含量較多時(shí)，其耗氧速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)氧氣溶于水中的速度，這就導(dǎo)致了水中溶解氧濃度的不斷減少，甚至減少到接近于零的地步。從而使水中的魚(yú)類窒息而亡，水體發(fā)臭，繼而出現(xiàn)腐敗現(xiàn)象，使得水質(zhì)嚴(yán)重惡化。因此，在水質(zhì)檢測(cè)中，DO的檢測(cè)一般放在生化需氧量和化學(xué)需氧量的前端檢測(cè)，DO結(jié)果常常起到預(yù)警的作用。

在工農(nóng)業(yè)迅速發(fā)展的今天，每天都有大量污染物產(chǎn)生。其中工業(yè)廢水和農(nóng)田灌溉用水經(jīng)常還未達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)就被排進(jìn)了江河湖海，對(duì)各類水體造成了巨大的污染。再加上工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的廢氣排放到大氣當(dāng)中，對(duì)大氣造成的污染會(huì)間接導(dǎo)致水體的污染，使水資源污染問(wèn)題加劇。因此，需要對(duì)水質(zhì)情況進(jìn)行及時(shí)且有效的監(jiān)控與處理。無(wú)論是在漁產(chǎn)養(yǎng)殖水質(zhì)監(jiān)測(cè)方面還是江河湖海等水質(zhì)監(jiān)測(cè)方面，溶解氧傳感器的研制與開(kāi)發(fā)都是迫切需要的。

二、國(guó)內(nèi)相關(guān)技術(shù)研究現(xiàn)狀

碘量滴定分析法又稱“Winkler”法[3-5]，是國(guó)際上公認(rèn)的測(cè)量水中溶解氧的基準(zhǔn)方法，也是我國(guó)常用于測(cè)定水中含氧量的方法?！癢inkler”法的原理是利用水中的氧氣在堿性條件下與硫酸錳反應(yīng)，生成穩(wěn)定的錳酸錳，接著向其中加入濃硫酸和碘化鉀，高價(jià)錳將碘離子氧化，生成等當(dāng)量的碘單質(zhì)。以淀粉作為指示劑，用硫代硫酸鈉的標(biāo)準(zhǔn)溶液進(jìn)行滴定，通過(guò)游離的碘即可計(jì)算出水中氧氣濃度。該法涉及到的化學(xué)反應(yīng)過(guò)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)

從原理上分析，碘量法是利用錳的價(jià)態(tài)變化來(lái)傳遞電子，在氧氣與碘之間建立等量關(guān)系。碘量法是直接測(cè)量的方法，因此它的檢測(cè)準(zhǔn)確度較高，而且可以不考慮溫度，壓力等參數(shù)對(duì)結(jié)果的影響。“碘量法”從檢測(cè)過(guò)程來(lái)看，也存在著滴定時(shí)間長(zhǎng)、操作復(fù)雜繁瑣和測(cè)量結(jié)果無(wú)法直觀顯示的缺點(diǎn)，無(wú)法滿足實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和現(xiàn)場(chǎng)直接監(jiān)測(cè)方面的要求。

電化學(xué)法也稱“Clark”電極法[6-7]，該法先測(cè)量電流，利用在電極上通過(guò)氧化還原反應(yīng)所產(chǎn)生的電流與通過(guò)透氣膜的氧氣濃度成正比的關(guān)系來(lái)測(cè)量出水體中溶解氧的含量。電化學(xué)法所用的電極是由兩個(gè)金屬電極和支持電解質(zhì)及氧敏選擇性薄膜所組成。電極中的陰極電極采用的是金等貴重金屬，陽(yáng)極采用銀等金屬。氧敏選擇性薄膜只能透過(guò)氧和其他氣體，而不能透過(guò)水和溶解于水中的其他物質(zhì)，可以將待測(cè)水樣與電化學(xué)電池隔離開(kāi)來(lái)，因此可以直接將電極插入水中進(jìn)行檢測(cè)。反應(yīng)過(guò)程如下：

陽(yáng)極反應(yīng)：4Ag+4Cl-=4AgCl+4e-

(6)

陰極反應(yīng)：O2+2H2O+4e-=4OH-

(7)

電化學(xué)法所制傳感器操作方便、靈敏度高且價(jià)格較低，適用于測(cè)量濁度較高的水樣。電化學(xué)也存在一定的不足，例如選擇性薄膜容易被污染，電極的表面容易發(fā)生鈍化現(xiàn)象，故其使用壽命較短，無(wú)法滿足長(zhǎng)期的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)的要求。除此之外，在檢測(cè)過(guò)程中會(huì)消耗水中的氧氣，進(jìn)而影響測(cè)量精度和響應(yīng)時(shí)間。

分光光度計(jì)法[8-9]的測(cè)試原理與碘量法的相同。溶液中碘含量不同，所呈現(xiàn)的顏色深淺也就不同?；诶什?比爾定律的原理，通過(guò)利用分光光度法測(cè)定溶液中碘的吸光度，使用定律求出水中溶解氧的濃度。電化學(xué)法和碘量法相比，碘量法不用繁瑣的滴定操作，并且不受部分的離子干擾的影響，提高了檢測(cè)效率。不過(guò)，該法的不足之處是樣品的溫度對(duì)測(cè)量結(jié)果有明顯的影響，測(cè)試時(shí)得保持樣品周圍溫度恒定，因此無(wú)法實(shí)現(xiàn)連續(xù)在線監(jiān)測(cè)。

三、熒光猝滅測(cè)溶解氧濃度的原理

基于熒光產(chǎn)生、熒光猝滅的機(jī)理和溶解氧濃度熒光檢測(cè)的方法的研究在不斷發(fā)展。溶解氧濃度熒光檢測(cè)的方法中，由于熒光強(qiáng)度檢測(cè)法存在著很大的局限性，所以熒光壽命檢測(cè)法中常采用相移法和脈沖法。

(一)熒光的產(chǎn)生

熒光指的是一種光致發(fā)光的冷發(fā)光現(xiàn)象，又稱為“螢光”。當(dāng)熒光物質(zhì)受到特定波長(zhǎng)的入射光照射時(shí)，該物質(zhì)分子吸收入射光能量后轉(zhuǎn)變成為激發(fā)態(tài)，然后發(fā)出相比入射光波長(zhǎng)更長(zhǎng)的出射光，并伴隨著入射光的激發(fā)停止而迅速消失，具備這種性質(zhì)的出射光，一般稱為熒光，屬于物理現(xiàn)象[10]。

1.熒光的產(chǎn)生條件

(1)物質(zhì)分子必須具有能吸收激發(fā)光的結(jié)構(gòu)。

(2)當(dāng)吸收同一特征頻率的激發(fā)能量后，物質(zhì)粒子要具有更高的熒光效率。

2.熒光的產(chǎn)生過(guò)程

圖1 熒光的產(chǎn)生過(guò)程

(二)熒光猝滅

熒光猝滅即通過(guò)某種物理作用或化學(xué)反應(yīng)，處于激發(fā)態(tài)的熒光分子在以發(fā)光的形式釋放出多余能量的同時(shí)，部分能量通過(guò)轉(zhuǎn)移到某種特殊物質(zhì)以另一種形式釋放，導(dǎo)致熒光壽命減少和熒光強(qiáng)度下降。[5]能夠與熒光物質(zhì)發(fā)生熒光猝滅的物質(zhì)被稱為熒光猝滅劑。

在本質(zhì)上來(lái)講，熒光猝滅是在熒光物質(zhì)的發(fā)光過(guò)程中猝滅劑分子與熒光物質(zhì)互相搶奪能量從而使所產(chǎn)生熒光的熒光強(qiáng)度變?nèi)?、熒光壽命縮減的過(guò)程。[11]

熒光猝滅通常分為兩種，靜態(tài)猝滅和動(dòng)態(tài)猝滅。[12]靜態(tài)猝滅主要表現(xiàn)為猝滅劑分子同熒光物質(zhì)分子相互作用生成不發(fā)光的基態(tài)絡(luò)合物，熒光壽命本質(zhì)上并沒(méi)有改變。動(dòng)態(tài)猝滅指的是處于激發(fā)態(tài)的熒光分子與猝滅劑發(fā)生碰撞從而產(chǎn)生的另一種猝滅現(xiàn)象，這個(gè)過(guò)程中通常會(huì)發(fā)生電子轉(zhuǎn)移或者能量轉(zhuǎn)移過(guò)程，且在特殊的情形下，會(huì)產(chǎn)生瞬時(shí)的基態(tài)復(fù)合物，導(dǎo)致熒光特性與原來(lái)的熒光物質(zhì)不同，從而引起猝滅現(xiàn)象。

在熒光淬滅原理的溶解氧傳感器的測(cè)量過(guò)程中氧分子作為熒光猝滅劑，所引發(fā)的熒光猝滅為動(dòng)態(tài)猝滅。[13]整個(gè)過(guò)程簡(jiǎn)單表示如下：

M+Hv=M*(吸光過(guò)程)

M*=M+Hv(熒光過(guò)程)

M*+Q=M+Q*(猝滅過(guò)程)

熒光物質(zhì)M吸收能量(光能Hv)轉(zhuǎn)變?yōu)榧ぐl(fā)態(tài)M*，此為吸光過(guò)程；激發(fā)態(tài)M*釋放能量(光能Hv)發(fā)光后回到基態(tài)M，此為熒光過(guò)程。在發(fā)生熒光過(guò)程的同時(shí)會(huì)發(fā)生猝滅過(guò)程，也就是說(shuō)在此時(shí)激發(fā)態(tài)M*能與猝滅劑分子Q(在這里指氧分子)發(fā)生猝滅效應(yīng)，作為猝滅劑的氧分子Q會(huì)吸收一部分激發(fā)態(tài)的M*所釋放的能量，同樣激發(fā)態(tài)M*回到基態(tài)M。

水中溶解氧的濃度和猝滅程度可用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分別是無(wú)氧和有氧條件下的熒光強(qiáng)度；τ0、τ分別是無(wú)氧和有氧條件下的熒光壽命；C表示溶解氧的濃度；K是常數(shù)，與熒光物質(zhì)有關(guān)。從此式便可看出有兩種方法來(lái)檢測(cè)溶解氧濃度的大小——測(cè)熒光強(qiáng)度[15]和測(cè)熒光壽命。

(三)檢測(cè)方法

雖然說(shuō)有兩種方法來(lái)檢測(cè)溶解氧濃度，但在現(xiàn)實(shí)中水下情況往往是復(fù)雜多樣的，并且測(cè)熒光強(qiáng)度容易受到周圍環(huán)境情況的各種干擾，所以不會(huì)隨周圍環(huán)境改變或者干擾而產(chǎn)生變化的測(cè)熒光壽命法成為主流檢測(cè)方法。在一系列檢測(cè)熒光壽命的方法中，占主流地位的方法有兩種——相移法(相敏法)和脈沖法。

1.相移法

當(dāng)采用正弦調(diào)制的光信號(hào)作為激發(fā)光，那么相應(yīng)的熒光物質(zhì)發(fā)出的熒光信號(hào)也是正弦變化，此時(shí)因?yàn)榧ぐl(fā)光的吸收和熒光的發(fā)射存在時(shí)間差，所以激發(fā)光和熒光存在一個(gè)相位差θ[16]。

熒光壽命τ和相位差θ之間存在如下關(guān)系式[7]：

tanθ=2πfτ

此式中f為激發(fā)光的頻率。再結(jié)合Stern-Volmer方程式可得到如下關(guān)系式：

Tanθ0/tanθ=1+KC

此式中θ0與θ分別是無(wú)氧和有氧狀態(tài)下的滯后相位差，所以便可以根據(jù)不同的相位差得到相應(yīng)的溶解氧濃度。

2.脈沖法

當(dāng)采用經(jīng)調(diào)制的脈沖光信號(hào)來(lái)激發(fā)熒光樣品時(shí)，熒光的輻射強(qiáng)度便會(huì)隨時(shí)間的變化而指數(shù)衰減，呈如下關(guān)系式：

I(t)=I0e-t/τ

此式中的I(t)為隨時(shí)間變化而衰減的熒光強(qiáng)度，I0為初始熒光強(qiáng)度，t為時(shí)間，e為數(shù)學(xué)常數(shù)，τ為指數(shù)衰減的時(shí)間常數(shù)。[5]

一般在氧分子的猝滅作用下，脈沖信號(hào)將產(chǎn)生一定程度的拖尾現(xiàn)象，而這種拖尾現(xiàn)象就會(huì)使熒光信號(hào)與脈沖光信號(hào)在頻譜上的產(chǎn)生相位滯后，即產(chǎn)生相位差。此時(shí)就如同相移法一樣，只要記錄下無(wú)氧和有氧狀態(tài)下的滯后相位差，就可以根據(jù)不同的相位差得到相應(yīng)的溶解氧濃度。[17]

以上內(nèi)容為下文所介紹的溶解氧傳感器的研究與設(shè)計(jì)提供了相應(yīng)的理論基礎(chǔ)。

四、溶解氧傳感膜的制備方案

一個(gè)溶解氧傳感膜由熒光指示劑和固定熒光物質(zhì)的載體利用固定方法來(lái)制取。

(一)熒光指示劑

熒光指示劑是與氧分子可以發(fā)生的導(dǎo)致熒光強(qiáng)度下降的物質(zhì)，是基于熒光猝滅原理測(cè)量溶解氧的重要物質(zhì)，這要求指示劑與氧分子反應(yīng)快速、專一。[17]常用的熒光指示劑有過(guò)渡金屬有機(jī)配合物、多環(huán)芳香烴有機(jī)染料、C60等。釕金屬絡(luò)合物在1986年被發(fā)現(xiàn)適用于光纖氧傳感器的熒光指示劑，因?yàn)槠錈晒鈺r(shí)間長(zhǎng)、靈敏度高、有較大的Stokes位移、光學(xué)穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，所以成為了目前被應(yīng)用最為廣泛的熒光指示劑。[18]

(二)氧敏熒光膜基質(zhì)

氧敏熒光膜基質(zhì)主要有硅烷類和烯烴類聚合物(如PS)兩類，但有機(jī)高聚物容易和固定其中的熒光指示劑發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)，從而影響傳感膜的壽命，所以一般都是選擇硅烷類。

(三)熒光指示劑固定方式

熒光指示劑固定方式的選擇主要看其成膜的速度、固定情況、簡(jiǎn)便性、性價(jià)比和膜的性能(如彈性、易破程度、可用時(shí)間)等。按照實(shí)質(zhì)劃分為化學(xué)固定方式和物理固定方式?；瘜W(xué)固定方式是發(fā)生有機(jī)物反應(yīng)由共價(jià)鍵把熒光物質(zhì)固定在載體上；物理固定方法主要是靜電能或者氫鍵等形式將熒光指示劑包埋或者混合在載體上。以下是各種固定指示劑制膜方式方法(如表1所示)：

表4 固定指示劑制膜方式方法

五、溶解氧傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

溶解氧傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)包括光學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、電學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、信號(hào)處理等基本模塊。由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，下面主要簡(jiǎn)述溶解氧傳感器結(jié)構(gòu)的基本部分。

(一)溶解氧傳感器的主要傳感部件及作用

傳感器系統(tǒng)主要由探頭和主機(jī)兩個(gè)部分組成。

1.探頭部分

綠光(藍(lán)光)LED和紅光LED相對(duì)于熒光傳感膜呈一定角度分布于其后兩側(cè)，為了進(jìn)行信號(hào)檢測(cè)，在兩種LED燈之間加一光電探測(cè)器。熒光物質(zhì)前面有一層碳黑色聚苯乙烯充當(dāng)保護(hù)膜，可以實(shí)現(xiàn)光絕緣以及減小熒光物質(zhì)膜的損耗，還可以保護(hù)傳感膜不受外部光源的干擾。此外探頭前端還有熱敏電阻進(jìn)行溫度的實(shí)時(shí)檢測(cè)[13]。溶解氧傳感器的探頭示意圖如下圖2所示。

圖5.1 氧傳感器探頭示意圖

2.主機(jī)部分

包含信號(hào)的處理過(guò)程，使信號(hào)精準(zhǔn)迅速地輸出。更重要的是實(shí)現(xiàn)人工和主機(jī)的相互交流功能，使溶解氧值和溫度值更準(zhǔn)時(shí)快速的顯示出來(lái)[15]。

圖5.2 溶解氧傳感器信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)

(二)傳感器關(guān)鍵器件的選擇

1.從整個(gè)溶解氧傳感器的工作過(guò)程可以知道，受激發(fā)產(chǎn)生的熒光信號(hào)是比較微弱的，所以選擇一款在激發(fā)產(chǎn)生的熒光信號(hào)的波段范圍光靈敏度高的光電二極管十分關(guān)鍵。光電二極管的選擇主要通過(guò)比較其性能參數(shù)來(lái)選擇[7]。

表5 光電二極管的性能參數(shù)

2.激發(fā)光LED需要滿足的條件：首先要滿足能夠激發(fā)熒光的條件，其次需要滿足不在光電二極管的有效波長(zhǎng)范圍內(nèi)防止干擾熒光信號(hào)的采集，最后還有比較重要的一點(diǎn)是對(duì)熒光敏感膜的損害盡可能小，從而延長(zhǎng)熒光膜的使用壽命。[7]

六、信號(hào)轉(zhuǎn)換和處理

對(duì)于采用熒光猝滅法測(cè)量水中溶解氧濃度的氧傳感器的研制涉及了分析熒光猝滅原理[7]，設(shè)計(jì)傳感器系統(tǒng)，選擇器件和設(shè)計(jì)檢測(cè)電路等方面的工作，其中測(cè)量電路中對(duì)于熒光信號(hào)的轉(zhuǎn)換和處理是關(guān)鍵的一步。熒光強(qiáng)度和熒光壽命與溶解氧解氧含量呈正相關(guān)關(guān)系，兩種方法都可以用來(lái)測(cè)量溶解氧濃度。但熒光強(qiáng)度容易受溫度、光源波動(dòng)、pH值等外部因素的干擾，所以用此方法測(cè)量溶解氧的含量存在較大的誤差，而熒光壽命是熒光信號(hào)的本征參量，抗干擾能力較強(qiáng)[16]，測(cè)量結(jié)果更加穩(wěn)定、準(zhǔn)確，故大多選用后者對(duì)溶解氧含量進(jìn)行測(cè)量。

溶解氧傳感器中的光電檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)于熒光信號(hào)的處理可簡(jiǎn)略總結(jié)為以下流程：調(diào)制信號(hào)驅(qū)動(dòng)光源發(fā)出激發(fā)光照射熒光物質(zhì)發(fā)出熒光信號(hào)，同時(shí)為了防止產(chǎn)生額外的相位滯后，儀器還需要設(shè)置參比光從而得到參考信號(hào)[22]。在模擬放大電路里的光電倍增管(PMT)會(huì)將熒光信號(hào)和參考信號(hào)轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)，繼而轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，然后把經(jīng)過(guò)放大器放大處理的電壓信號(hào)通過(guò)模擬或數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)轉(zhuǎn)換為輸出的數(shù)字信號(hào)，最后上傳到PC端，實(shí)時(shí)獲取和處理數(shù)據(jù)從而得到溶解氧值[23-24]，熒光信號(hào)處理過(guò)程可概括為如下圖4所示。

圖6 熒光信號(hào)處理過(guò)程

信號(hào)處理是一種按照預(yù)期目的對(duì)記錄于媒體上的信號(hào)進(jìn)行加工和處理，從而獲所需信息的過(guò)程，是對(duì)信號(hào)進(jìn)行提取、變換、分析、綜合等處理過(guò)程的統(tǒng)稱[25]。溶解氧傳感器輸出的熒光信號(hào)很微弱而且轉(zhuǎn)換的電信號(hào)中往往會(huì)混入干擾噪聲，所以要進(jìn)行信號(hào)放大和信號(hào)處理。用信號(hào)處理技術(shù)對(duì)檢測(cè)系統(tǒng)中熒光信號(hào)進(jìn)行濾波處理[26]，可以將信號(hào)中特定波段頻率除去，從而有效地抑制和防止在檢測(cè)過(guò)程產(chǎn)生各種干擾噪聲，提高信噪比。如西藏民族大學(xué)李鵬提出的在嵌入式光纖傳感器的信號(hào)處理過(guò)程中引入消噪技術(shù)，能夠有效削弱噪聲對(duì)信號(hào)處理電路工作性能的干擾，提高傳感器的可靠性[27]。

七、溶解氧傳感器的應(yīng)用

氧在自然界以多種形式存在，其中以分子形式存在水介質(zhì)的稱為水中的溶解氧[28]。測(cè)量溶解氧的含量對(duì)人們的生產(chǎn)生活有著非常重大的意義，溶解氧傳感器就是用來(lái)測(cè)量水中溶解量的一種設(shè)備[29]。其應(yīng)用范圍十分廣泛，例如可以對(duì)自來(lái)水廠水源進(jìn)行溶解氧檢測(cè)，確保水源質(zhì)量。在污水處理行業(yè)方面，通過(guò)測(cè)量溶解氧的含量分析污水處理效果。在水產(chǎn)養(yǎng)殖方面，可以實(shí)時(shí)檢測(cè)水體中溶解氧的濃度，以便及時(shí)調(diào)節(jié)水體中的氧含量，給各類水產(chǎn)品提供良好的生長(zhǎng)條件；在環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域方面[17]，江河湖海水體中溶解氧的含量很大程度上可以反映水質(zhì)的優(yōu)劣，因此我國(guó)各類江河湖海的檢測(cè)站都需要對(duì)水體溶解氧的含量進(jìn)行測(cè)定。市面上基于熒光猝滅原理的溶解氧傳感器的產(chǎn)品種類較多，產(chǎn)品設(shè)計(jì)也趨于優(yōu)良化，數(shù)據(jù)測(cè)量也趨于準(zhǔn)確化，實(shí)時(shí)化，穩(wěn)定化。

八、總結(jié)與展望

(一)總結(jié)

近些年來(lái)，隨著國(guó)家對(duì)水質(zhì)情況越來(lái)越重視，水中溶解氧的數(shù)值作為一項(xiàng)重要的監(jiān)測(cè)指標(biāo)推動(dòng)著溶解氧傳感器的發(fā)展。本文介紹了四種檢測(cè)方法，其中著重介紹了熒光猝滅法，包括該法所用傳感器的膜的類型及制備方法、傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、信號(hào)轉(zhuǎn)換和處理過(guò)程及應(yīng)用。

(二)展望

基于熒光猝滅原理的光學(xué)溶解氧傳感器具有許多優(yōu)點(diǎn)，如高靈敏性、良好的抗干擾能力、需要的維護(hù)少等，將在未來(lái)占據(jù)溶解氧傳感器市場(chǎng)的主導(dǎo)地位。研究者們會(huì)更多地將光纖融入傳感器中。由于光纖本身具有高抗干擾能力，對(duì)信號(hào)的損耗極低，并且可進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸，這就使得光纖在光學(xué)溶氧傳感器的設(shè)計(jì)中會(huì)更加頻繁地出現(xiàn)。集智能化與微型化于一體的溶解氧傳感器技術(shù)，將成為未來(lái)研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)，以及發(fā)展的主流方向。智能化通常利用自動(dòng)調(diào)零、自校準(zhǔn)、自補(bǔ)償?shù)榷囗?xiàng)智能技術(shù)，對(duì)溫度、壓力、鹽度等干擾因素進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償和校正。因此，智能化大大降低了人工操作和管理成本，直接或間接地減少了人為錯(cuò)誤。微型化即縮小傳感器的體積，如此一來(lái)既方便攜帶，又不占地方，但是提高了對(duì)傳感器內(nèi)部器件的要求?；跓晒忖缭淼闹悄芑c微型化光纖溶解氧傳感器適合于遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)在線測(cè)量，且具有高抗干擾能力，不需要頻繁維護(hù)，滿足各種應(yīng)用場(chǎng)景下對(duì)精度和實(shí)時(shí)性的要求。然而，這種類型的傳感器仍然存在技術(shù)問(wèn)題，對(duì)研究人員是一項(xiàng)巨大的挑戰(zhàn)，這將是未來(lái)研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)，同時(shí)也是發(fā)展的主流方向。

*基金項(xiàng)目：2018年國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào)：201810578001)。