基於時域螢光壽命技術的水體溶解氧濃度測量方法與流程
2023-12-12 05:57:22
本發明屬於資源與環境、海洋領域，具體涉及一種基於時域螢光壽命技術的水體溶解氧濃度測量方法。
背景技術：
水體溶解氧是指溶解於水體中分子態的氧氣，是水生生物生存不可缺少的條件，是衡量水生生態系統的重要參數。溶解氧高低能夠反映水體汙染，特別是有機物汙染的程度，因此也是水質重要綜合性評價指標。準確快速獲取水體溶解氧濃度信息，對掌握水體生態環境狀況、保障飲用水安全、發展水產養殖業等至關重要。
目前，常用溶解氧檢測方法主要有碘量法、電極法、螢光猝滅法等。碘量法是國標iso5813-1983規定的溶解氧標準化學測定法，測量準確度高，但需要人工操作，常用於實驗室測量。電極法又名電流測定法，根據分子氧透過薄膜的擴散速率來測定水中溶解氧的含量，電極法的測量速度快、操作簡便、使用成本低，常用於溶解氧的在線監測，但實際應用中存在氧透膜和電極易老化、抗汙染和電磁幹擾能力差、電極維護量大等問題。螢光猝滅法是基於氧分子對螢光物質的螢光猝滅效應，通過螢光強度或壽命變化測量溶解氧濃度，分為螢光強度法和螢光壽命法。由於螢光壽命是螢光信號的本徵參量，不易受到外界因素(包括光源波動、老化以及外界雜散光等)的幹擾，因此，螢光壽命法測量溶解氧具有更好的準確性和穩定性，已發展為國際主流溶解氧檢測技術。
目前螢光壽命測量溶解氧濃度多數採用頻域法，在頻域螢光壽命表現為螢光相對激發光的滯後相位，通過檢測滯後相位大小從而獲得溶解氧濃度。zl201010580318.3公開了一種數字鎖相法的螢光壽命檢測技術，cn201410340194.x公開了一種同頻正弦信號相位差法的螢光壽命檢測技術。但頻域螢光壽命法水體溶解氧濃度檢測方法對激發光源要求苛刻、需要複雜相位檢測電路複雜，且存在相位鎖定周期長等問題。
技術實現要素：
本發明提出了一種基於時域螢光壽命技術的水體溶解氧濃度測量方法，通過測量螢光猝滅曲線兩點強度直接反演氧敏感螢光膜的螢光壽命，獲得溶解氧濃度。本發明的檢測電路簡單易實現，不易受光源波動、老化以及自然光照等外界因素幹擾，測量穩定和可靠性強。
本發明採用的技術方案是：
一種基於時域螢光壽命技術的水體溶解氧濃度測量方法，其特徵在於包括以下步驟：
(1)用短脈衝光激發氧敏感螢光膜，氧敏感螢光膜上的螢光物質原子受激發後躍遷到高能態，並以發射螢光的形式返回基態，t0時刻激發光源關閉後，螢光發光強度隨時間按指數規律衰減，如(1)式所示：
其中，im為螢光強度初始值；τ為螢光壽命，是發光強度從初始值im到其1/e時所需的時間；
(2)在螢光猝滅曲線上選取t1和t1』兩個時刻，測量兩個時間點δ時間間隔內的螢光強度a1和a1』，根據(1)式螢光衰減規律，a1和a1』理論上應該滿足(2)式：
即
根據(3)式便可以計算出氧敏感螢光膜的螢光壽命；
(3)在某溶解氧濃度[o2]下，氧氣分子與螢光物質接觸引起螢光猝滅效應，螢光壽命縮短，螢光壽命是當激發光切斷後螢光強度衰減至原強度的1/e所經歷的時間，氧分子含量越多，螢光壽命越短；螢光壽命與溶解氧濃度的關係滿足stern-volmer猝滅方程：
其中，τ0為溶解氧濃度為零時的螢光壽命，τ1為溶解氧濃度[o2]下螢光壽命，k為比例常數；
(4)利用(3)、(4)式便可通過t1和t1』兩個時刻螢光強度a1和a1』計算獲得溶解氧濃度：
(5)為了避免實際情況下自然光照、探測器暗電流對測量結果的影響，在螢光猝滅後tn時刻測量直流漂移an，校正t1和t1』兩個時刻螢光強度(a1-an)和(a1』-an)，獲得更為穩定準確的溶解氧濃度：
(6)為提高測量結果的穩定性，在同一螢光猝滅曲線測量多對螢光強度(a1/a1』、a2/a2』、…)，獲得螢光壽命序列(τ1、τ2、…)；再連續測量多條螢光猝滅曲線得到多個螢光壽命序列；然後通過統計分析，剔除三倍標準偏差以外的數據，獲得更為穩定的螢光壽命測量結果，深度抑制光電探測器件、電路和外界環境帶來的隨機噪聲。
本發明的優點是：
本發明利用螢光猝滅曲線兩點螢光強度在時域直接反演得到氧敏感螢光膜的螢光壽命，克服頻域測量螢光壽命面臨的激發光源要求苛刻、相位檢測電路複雜、相位差穩定周期長等問題。
附圖說明
圖1是螢光壽命的時域測量方法原理圖。
具體實施方式
一種基於時域螢光壽命技術的水體溶解氧濃度測量方法，包括以下步驟：
(1)如圖1所示，用短脈衝光激發氧敏感螢光膜(螢光物質)，螢光物質原子受激發後躍遷到高能態，並以發射螢光的形式返回基態，t0時刻激發光源關閉後，螢光發光強度隨時間按指數規律衰減，如(1)式所示：
其中，im為螢光強度初始值；τ為螢光壽命，是發光強度從初始值im到其1/e時所需的時間；
(2)在螢光猝滅曲線上選取t1和t1』兩個時刻，測量兩個時間點δ時間間隔內的螢光強度a1和a1』，根據(1)式螢光衰減規律，a1和a1』理論上應該滿足(2)式：
即
根據(3)式便可以計算出氧敏感螢光膜的螢光壽命；
(3)在某溶解氧濃度[o2]下，氧氣分子與螢光物質接觸引起螢光猝滅效應，螢光壽命縮短(螢光壽命是當激發光切斷後螢光強度衰減至原強度的1/e所經歷的時間)，氧分子含量越多，螢光壽命越短；螢光壽命與溶解氧濃度的關係滿足stern-volmer猝滅方程：
其中，τ0為溶解氧濃度為零時的螢光壽命，τ1為溶解氧濃度[o2]下螢光壽命，k為比例常數；
(4)利用(3)、(4)式便可通過t1和t1』兩個時刻螢光強度a1和a1』計算獲得溶解氧濃度：
(5)為了避免實際情況下自然光照、探測器暗電流對測量結果的影響，在螢光猝滅後tn時刻測量直流漂移an，校正t1和t1』兩個時刻螢光強度(a1-an)和(a1』-an)，獲得更為穩定準確的溶解氧濃度：
(6)為提高測量結果的穩定性，在同一螢光猝滅曲線測量多對螢光強度(a1/a1』、a2/a2』、…)，獲得螢光壽命序列(τ1、τ2、…)，如圖1所示；再連續測量多條螢光猝滅曲線得到多個螢光壽命序列；然後通過統計分析，剔除三倍標準偏差以外的數據，獲得更為穩定的螢光壽命測量結果，深度抑制光電探測器件、電路和外界環境帶來的隨機噪聲。