Inteligentní metoda optického měření rozpuštěného kyslíku založená na mechanismu fluorescenčního zhášení

Fengmei Li, Yaoguang Wei *, Yingyi Chen, Daoliang Li a Xu Zhang
Přijato: 1. října 2015;Přijato: 1. prosince 2015;Zveřejněno: 9. prosince 2015
Akademický redaktor: Frances S. Ligler
College of Information and Electrical Engineering, China Agricultural University, 17 Tsinghua East Road,
Beijing 100083, China; lifm@cau.edu.cn (F.L.); chyingyi@126.com (Y.C.); dliangl@cau.edu.cn (D.L.);
zhangxu_zx888@sina.com (X.Z.)
*Correspondence: weiyaoguang@gmail.com; Tel.: +86-10-6273-6764; Fax: +86-10-6273-7741

Abstraktní:Rozpuštěný kyslík (DO) je klíčovým faktorem, který ovlivňuje zdravý růst ryb v akvakultuře.Obsah DO se mění s vodním prostředím, a proto by měl být sledován online.Tradiční metody měření, jako je jodometrie a další metody chemické analýzy, však nejsou vhodné pro online monitorování.Clarkova metoda není dostatečně stabilní pro delší období sledování.K vyřešení těchto problémů tento článek navrhuje inteligentní metodu měření DO založenou na mechanismu zhášení fluorescence. Měřicí systém se skládá z detekce zhášení fluorescence, úpravy signálu, inteligentního zpracování a napájecích modulů.Optická sonda využívá fluorescenční zhášecí mechanismus k detekci obsahu DO a řeší problém, zatímco tradiční chemické metody jsou snadno ovlivněny prostředím.Optická sonda obsahuje termistor a duální excitační zdroje pro izolaci viditelného parazitního světla a provádění kompenzační strategie.Modul inteligentního zpracování využívá standard IEEE 1451.2 a realizuje inteligentní kompenzaci.Experimentální výsledky ukazují, že metoda optického měření je stabilní, přesná a vhodná pro online monitorování DO v aplikacích akvakultury.

1. Úvod

Rozpuštěný kyslík (DO) označuje molekuly kyslíku rozpuštěné ve vodě a je nezbytný pro zachování života lidí a zvířat.Kyslík je důležitým analytem, ​​protože hraje klíčovou roli v biologických vědách, biotechnologiích, medicíně a akvakultuře.Obsah DO ve vodě je ukazatelem kvality vody a pečlivá kontrola hladiny kyslíku je důležitá v procesech samočištění odpadních vod [1,2].Kvalita vody úzce souvisí s kontaminanty přítomnými ve vodě, jako je H2S, NO2, NH4+ a organická hmota.Charakteristiky odpadních vod, včetně barvy, chemické spotřeby kyslíku (CHSK) a biologické spotřeby kyslíku (BSK), specificky udávají úroveň znečišťujících látek v průmyslových odpadních vodách [3].Zároveň DO hraje velmi důležitou roli ve zdraví a růstu vodních organismů [4,5].Obsah DO nižší než 2 mg/l po určitý počet hodin způsobuje udušení a smrt vodních organismů [6].Pro člověka by obsah DO v pitné vodě neměl být nižší než 6 mg/l.V důsledku toho je stanovení koncentrací kyslíku velmi důležité v odvětví akvakultury a v každodenním životě.Sledování obsahu DO se všemi jeho vnějšími ovlivňujícími faktory, jako je teplota, tlak a slanost, je však obtížné.Pro získání přesného obsahu DO by měla metoda detekce implementovat inteligentní kompenzaci.Obecně lze k detekci obsahu DO použít tři metody: jodometrické, elektrochemické a optické metody [7,8].

Jodometrická metoda [9,10] je populární a přesná metoda zjišťování obsahu DO ve vodě.Je to fifiduciální metoda, ale má složitý proces detekce a nelze ji použít ke zjištění kvality vody online.Tato metoda se používá především jako benchmark v laboratorním prostředí (off-line).Elektrochemická metoda [11–14] využívá elektrody k detekci proudu produkovaného redoxními reakcemi na elektrodách.Tuto metodu lze na principu detekce klasifikovat jako polarografický typ nebo typ s galvanickým článkem.Elektrochemická metoda má dlouhou historii v detekci obsahu DO;první takzvaná Clarkova polarografická metoda byla navržena Clarkem z YSI Company v roce 1956 [12].Na rozdíl od jodometrie elektrochemická metoda sleduje obsah DO pomocí oxidačně-redukční reakce, která probíhá mezi elektrodou a molekulami DO a spotřebovává kyslík v procesu detekce.Vzhledem k tomu, že přístrojový drift je nevyhnutelný s velkým množstvím faktorů, které se podílejí na stanovení výsledku detekce, elektrochemické senzory vyžadují pravidelnou kalibraci a výměnu.Optické senzory DO [15,16] jsou atraktivnější než jodometrie a elektrochemické metody, protože mají rychlou dobu odezvy, nespotřebovávají kyslík, mají malý posun v čase, mají schopnost odolávat externím poruchám a vyžadují okrajovou kalibraci.Princip detekce optických DO senzorů je založen na zhášení fluorescence, včetně detekce životnosti fluorescence a detekce intenzity fluorescence.Detekce intenzity lze dosáhnout prostřednictvím fotodiody, na rozdíl od životnosti, která by měla být detekována na základě fázového posunu [17].Tato studie vyvíjí inteligentní metodu optického měření založenou na mechanismu fluorescenčního zhášení.

Výše uvedené metody mají některé výhody a nevýhody, které je činí nevhodnými pro průmysl akvakultury v Číně.Za prvé, detekce obsahu DO je pro akvaristy obtížná, protože se musí vypořádat s mnoha faktory, které ovlivňují průmysl akvakultury.Srovnání těchto tří metod ukazuje, že elektrochemická metoda není dobrou volbou kvůli jejím slabým antiinterferenčním vlastnostem.Za druhé, obsah DO není konstantní a nedostatečná koncentrace v přirozené vodě vede k úhynu ryb.Detekce obsahu DO v reálném čase je tedy velmi důležitá.Vzorky vody jodometrickou metodou však musí být testovány v laboratoři, což z tohoto důvodu činí tuto metodu nevhodnou pro monitorování organismů ve skutečné produkci.

A konečně, tradiční optické senzory mají několik nevýhod, včetně náchylnosti ke změnám vnější teploty, tlaku a slanosti a zeslabení světelného zdroje a driftu kvůli degradaci nebo vyluhování barviva.Vliv všech těchto faktorů lze snížit přidáním inteligentních modulů zpracování.Konvenční optický DO senzor zavedený ze zahraničí je drahý a při použití v odvětví akvakultury nemá vysokou přesnost.Proto je nezbytný návrh a vývoj levného a inteligentního vyhrazeného optického senzoru DO. Tato studie navrhuje a vyvíjí inteligentní metodu měření DO založenou na mechanismu fluorescenčního zhášení.Senzor obsahuje čtyři moduly: fluorescenční detekci zhášení, úpravu signálu, inteligentní zpracování a moduly napájení.Senzor založený na fluorescenčním zhášení má několik výhod: nižší spotřebu energie, menší velikost, vyšší přesnost a silnější antiinterferenční vlastnosti než jodometrie nebo elektrochemické senzory.

2. Materiály a metody

2.1.Celkový design optického senzoru rozpuštěného kyslíku

Vzhledem k přítomnosti nestabilních ovlivňujících faktorů využívá senzor optickou sondu založenou na zhášení fluorescence.Ve srovnání s tradičním senzorem DO má inteligentní optický senzor DO navrhovaný v této studii vylepšenou strukturu sondy a další inteligentní modul zpracování.Tyto kalibrační parametry jsou uloženy v paměti elektronického datového listu převodníku (TEDS).Obrázek 1 ukazuje, že modul detekce fluorescenčního zhášení, úprava signálu, inteligentní zpracování a moduly napájení jsou součástí inteligentního senzoru.Fluorescenční detekční modul zhášení obsahuje teplotní sondu a DO sondu.Teplotní sonda je zodpovědná za sběr signálů teploty vody a DO sonda je zodpovědná za sběr signálů DO.Původní vstupní signál lze převést na napěťový signál 0–2,5 V obvody pro úpravu signálu.Mikrokontrolér MSP430, který je jádrem modulu inteligentního zpracování, je připojen k obvodům úpravy signálu, paměti TEDS a sériovému rozhraní [18].Shromážděná data jsou sloučena pomocí technologie multi-probe data fusion a získaná hodnota DO je po zpracování a analýze mikrokontrolérem přenesena přes kompatibilní rozhraní RS485.Rozhraní RS485 umožňuje mikrokontroléru komunikovat s nadřazeným PC.Senzor je napájen on-off napájecím zdrojem, který je rovněž řízen mikrokontrolérem MSP430.

2.2.Konstrukce modulu detekce fluorescenčního zhášení

Schéma detekčního modulu fluorescenčního zhášení je znázorněno na obrázku 2. Sonda má přibližnou délku 16 cm a průměr 4 cm.Kompaktní konfigurace sondy se používá pro kompatibilitu s požadavky odvětví akvakultury.Jak je znázorněno na obrázku 2, DO sonda obsahuje duální vysoce svítivé modré LED diody, sol-gel fifilm, skleněné sklíčko, červený optický fifiltr, modrý optický fifiltrační papír a silikonovou fotodiodu.Tento modul také obsahuje platinový odpor pro sledování okolní teploty během měření.Intenzita fluorescence a teplota jsou zpracovány v softwaru pro kalibraci teploty.

Duální vysoce svítivé modré LED (LA470-02) jsou modulovány na stejné frekvenci, takže referenční LED může být použita ke kompenzaci budící LED, protože ztráta intenzity světla modrých LED je naprosto stejná.Při stejné frekvenci může fotodioda snížit vyzařování pozadí v důsledku okolního světla v prostředí měření a vyhnout se excitaci jakéhokoli fluorescenčního materiálu.Kromě toho je intenzita LED diod snížena na nízkou úroveň, při které je pravděpodobnost výskytu jevu fotobělení barviva malá [19].Centrální vlnová délka modré excitační LED je asi 465 nm, která je filtrována modrým filtračním papírem pásmové propusti, aby se odclonilo světlo jiných vlnových délek.Experimentální výsledky ukazují, že modré světlo může indukovat citlivou membránu k emisi fluorescence při 650 nm.Pro snížení vlivu parazitního světla je sonda vybavena modrými pásmovými filtračními papírky (OF1 a OF2) před LED a červeným horním propustným filtrem (OF3) před křemíkovou fotodiodou.Silikonová fotodioda (OPT 301) se používá pro příjem fluorescence emitované ze sol-gel filmu a modrého světla z referenční LED.Modrá excitační LED a modrá referenční LED jsou odděleny na různých stranách červeného horního filtru, což je výhodné pro odříznutí parazitního světla a zaručuje přesnost detekce optického signálu. Fluorescenční snímací film je nejdůležitější součástí filtru. Senzor DO a jeho výkon významně ovlivňuje přesnost, účinnost a stabilitu senzoru.Výzkumníci provedli několik studií fluorescenčních indikátorů [20–22] a zjistili, že nejběžnější fluorescenční indikátory obsahují kovové porfyrinové komplexy, organické polycyklické aromatické uhlovodíky a komplexy přechodných kovů [23].Ru(bpy)3Cl2 byl v této studii vybrán jako fluorescenční indikátor kvůli svému vysoce emisnímu stavu přenosu náboje kov na ligand, dlouhé životnosti a silné absorpci v modrozelené oblasti spektra, která je kompatibilní s vysoce svítivá modrá LED [20].Barvivo je zachyceno v porézním a hydrofobním sol-gel filmu o tloušťce přibližně 0,04 mm.Sol-gel fifilm je namontován na povrchu sklíčka, který by měl být průhledný, aby pronikly excitace a luminiscence.Film by měl mít také tvar oblouku a měl by si udržovat stabilní velikost;povrch oblouku je navržen tak, aby zvětšil plochu kontaktu a zabránil povrchovým bublinám.Princip činnosti senzoru je založen na fluorescenčním zhášecím mechanismu.Fluorescenční proces zhášení popisuje Stern-Volmerova rovnice [24–26].

12 13
1314
15161718192021

Čas odeslání: 26. března 2022