淬灭法测量溶解氧

 

一、前言

 

    光学溶解氧检测仪是基于荧光猝灭原理对溶解氧进行测量的，由于几乎所有的发光体都可以被氧分子猝灭，所以，当发光体被发光二极管激发产生荧光时，在发光体周围的氧分子会对荧光信号有衰减作用。通过检测荧光强度或荧光寿命的衰减程度可确定测量水体溶解氧的浓度。其中，测量荧光寿命检测方法因为受外界环境影响较小，所以是目前比较主流的光学溶解氧检测仪测量方法。

二、频域检测技术

1、锁相放大检测方法

硬件锁相放大

光学溶解氧检测仪要在海水现场强环境背景光的干扰下检测出荧光微弱信号，需采用锁相放大检测方法，锁相放大器原理如图 2.2 所示。其中，参照信号经过调整与被测信号同频同相，从而与被测信号相关，而与噪声信号相关的可能性极其微小，进而实现微弱信号的有效提取[42]。锁相放大的核心电路称为 PSD（相敏检波器，Phase Sensitive Detector），一般利用 PSD 和低通滤波器 LPF（Low Pass Filter）进行相敏同步检波，实现频率变换。参照信号通常可选择为方波或正弦波。本文使用正弦波作为参照信号。如图 2.3 所示，当被测信号与参信号在同频率但不同相位差的条件下时，低通滤波器的输出信号会有很大差别。同时可以发现，PSD 的输出信号还与被测有用信号的幅值有关。通过移相电路（Phase Shifter）调整参照信号使被测信号和参照信号的相位差为 0，这时 PSD 的输出与被测信号的幅值成正比，极大抑制了噪声，有用信号被放大，提高了测量精度，达到了微弱荧光信号有效提取的目的，而当相位差不为 0时检测的效果并不理想。这种结构的锁相放大器被称为单通道锁相放大器。虽然这种结构的放大器可以实现微弱信号的检测，但在实际应用中调节被测信号和参照信号之间的相位差为 0 有较多困难。本文研究将图 2.2 中的移相电路去除，增加一个相同的 PSD，并在输入端增加一个 90°的移相器获得参照信号，采用两个 PSD 组成双通道锁相放大器进行微弱荧光信号检测。

在实际应用中,由于正弦形式的激发光信号对激发光源性能和光源驱动电路提出了较高要求,严格单一频率正弦激发光信号难以得到,同时荧光信号高速采集电路将增加电路设计成本,不适于海洋环境大规模应用。荧光寿命频域检测对激发光源性能有着较高的要求,通过锁相放大电路检测荧光信号延迟时,激发条件的改变将带来频率锁定时间的延长,降低了检测速度,不利于海洋环境下的实时监测。

 

软件锁相放大

 软件锁相放大与硬件锁相放大类似，不过锁相算法主要是软件上自动处理，故不需要搭建锁相放大电路，需要采用高速ADC采集荧光信号与软件自动生成的正余弦进行相乘滤波处理。

对ADC要求较高

 

 

三、时域检测方

多点拟合法

由于激发产生的荧光信号应是激励信号与单位冲激响应的卷积,而在门信号脉冲激发光外下的荧光信号满足式,在t>0时该荧光信号呈单一指数衰减形式,令荧光衰减曲线起始值A它是一个与激发光强度及和激励持续时间心有关的数,此时荧光信号可表示为:

上式荧光衰减曲线的衰减速度取决于荧光寿命r的大小。若直接在时域上记录多个时间下的猝灭荧光信号强度,这些点将在单一指数衰减曲线上,单一指数拟合即可得到荧光寿命大小。

如图2.1所示,荧光寿命时域检测采用门信号脉冲形式激发,当激发光信号是形如

 

的门函数形式时,荧光猝灭曲线类似于2.1单一指数衰减形式。在荧光衰减过程中,若V时刻记录到的荧光信号强度分别为R1、R2、...RN,去除光电信号的背景噪声后,荧光强度与衰减时刻满足形如(2.1)式所示的单一指数衰减形式,采用最小二乘法对这N个点进行拟合,将得到参数A 和τ的大小。理论上,荧光寿命时域测量方法在检测荧光寿命时是通过采集多个点的荧光信号强度作曲线拟合计算得到荧光寿命,不需要改变频率以稳定荧光信号和激发光信号相位差的过程,因此荧光寿命的检测速度只与数据采集个数以及拟合计算有关。因此,荧光寿命时域检测方法比频域检测有着更快的检测速度。

荧光寿命两点积分式快速检测

荧光寿命时域检测多点测量时对信号采集电路要求较高,且数据采集完成后进行拟合计算需要花费一定时间,这增加了检测的难度并且降低了实时性。因此,在测量时需对荧光寿命的快速检测技术进行研宄。这就是接下来讲的两点积分式快速检

 

理论上,基于荧光寿命时域检测时,在猝灭荧光曲线内做多次探测,并将不同时刻下的荧光信号做单一指数衰减形式拟合可得到荧光寿命,且探测次数越多,拟合效果将越好。但本文前期实验中利用搭建的荧光寿命实验检测系统在溶解氧浓度为020mg/L时的荧光信号检测结果显示,荧光信号从最大强度下降到最大强度的5%所用时间从168|is减少到36Hs。在这种情况下,探测器需要有足够高的响应速度并且AD转换电路必须具有足够高的采样速率才能得到尽可能多的点以完成数据的拟合计算,这对探测器性能和信号处理电路都提出了较高要求,相应的检测电路设计也比较复杂。因此,荧光寿命的时域检测中,多点测量曲线拟合方式不适于海洋环境下的快速测量。

为实现两点积分式荧光寿命检测,实际测量时,由于环境光照或者检测电路噪声的影响,单次激发过程无法得到准确的积分信号,所以采用周期脉冲激发光激励产生荧光,在每个周期内的相同位置对荧光猝灭阶段光电信号做积分,该检测过程如图3.1所示。

图3.1考虑了信号探测时的背景噪声,假设单次激发时间为r,且每个周期结束时荧光信号已完全淹没在背景噪声中,则在每个激发周期激发光开启前探测到的信号可以看作是系统背景噪声。设在一次荧光寿命测量时间内,有N个激发周期,若背景噪声在△T时间内的积分值分别为A0、A1、A2,且激发光关闭后在时间内的积分值分别为在,时间内的积分值分别为4、4、得到N次激发下积分平均值:

 

 上式表明,荧光寿命计算结果可直接通过#次激发过程中荧光信号的积分累加值计算。计算前要求每个激发周期内都能迅速地完成信号积分、量化和累加,则在#次激发结束后,将累加结果代入到(3.4)式中能得到荧光寿命。相比于多点测量方法,两点积分式测量不需要保存检测过程中间值,减少了存储开销,而且激发结束后不需要进行拟合计算,加快了荧光寿命检测速度。