Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ＆Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｉ技术与应用 摘要：介绍了荧光猝灭原理，设计了一种基于荧光猝灭原理的溶解氧浓度测量系统，解释了系统检 测原理，给出了系统结构图及关键部分的电路设计。最后给出了相关的实验结果并进行了分析。实 验表明，系统测量精度为０．０１ｍｇ／Ｌ，响应时间少于３０ｍｓ，具有较好的响应速度、精度以及稳定性。 关键词：荧光寿命；传感器；滞后相位；溶解氧 中图分类号：Ｘ８５３ 收稿日期：２０１６一Ｏ５—３Ｏ 文献标识码：Ａ 文章编号：１ ００６－８８３Ｘ（２０１ ６）０７－００１ ９－０５ 基孑荧光猝灭原理的 溶裾萤浓度检测系统的设计 杨亦睿赵宏才赵晓杰郭佳乐徐肖鲸 青岛理ｌＩｌｌ大掌 山糸离 ∞２６６００（； 一、引言 灭法是基于荧光猝灭原理来测溶解氧的方法，荧此猝 、 过化学反应或生化作用而溶解入水体的氧气称 灭效应会引起荧光强度的衰减和荧光寿命的缩短，因 此可以通过测定荧光强度的大小或荧光寿命的长短来 测定溶解氧含量。由于荧光猝灭法具有较好的光化学 ：【鲢 为溶解氧（Ｄｉｓｓ。ｌｖｅｄ０ｘｙｇｅｎ，Ｄ０）。海水中的溶 解氧含量是衡量海水水质状况以及海水自净能力的重 要指标，也是海洋生态环境评估、海洋科学实验和资 源勘探的重要依据。 海洋中的溶解氧浓度的大小与海洋温度变化、盐 稳定性和重现性，也具有精度高、可实时监测等优点， 因此成为目前的主流技术和研究重点。 度、生物活动和环流运动等具有密切关系。海洋中的 氧气主要来源于大气的溶解和海洋中的藻类和浮游类 植物光合作用的释放，氧在海水中的溶解度虽然不大， 二、基本原理 荧光猝灭原理指的是由于激发光照射而吸收能量 从而变为跃迁态的荧光物质与氧发生荧光猝灭效应， 从而导致荧光强度的衰减和荧光寿命的缩短” 。 对于荧光发光过程，用一个短脉冲光 （，）激发样 品后，发光强度随时间按指数规律衰减为： ｌ（ｔ）＝ｌｏｅ （１） 但却具有举足轻重的作用。在２０℃标准大气压条件下， 纯水中的溶解氧含量约为９ｍｇ／Ｌ，当海水中的溶解氧 含量低于４ｍｇ／Ｌ，大部分鱼类就会出现呼吸困难等问 题，这对海洋生命活动和海洋养殖造成重要影响。 目前，对于溶解氧的主要的测量方法包括碘量法、 电极法、荧光猝灭法等。其中，碘量法是实验室纯化 学的检测方法，测量准确度高，但是耗时长，操作繁琐， 该线性系统所描述的系统函数为： （，）＝Ｐ （２） 假设激发光为正弦调制光为： 而且无法满足在线测量的要求。电极法是根据氧气和 电极发生氧化还原反应所产生电流的大小来测定溶解 氧的方法，其缺点包括电极易老化、测定过程消耗氧 气、测量前需要标定，需定期更换电极膜等。荧光猝 ｅ（ｔ）＝Ａｓｉｎ（２Ｊｔｉ）ｆ 则激发的荧光为激发光与系统函数的卷 为： ＦＣｔ）＝ （，） ，） 稳定状态下为： （３） （４） － 口 技术与应用－Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ＆Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ 单片机进行采样信号的数据采集，然后使用锁存器将 相位差进行锁定，最终结合数字电路将相位差信息送 入单片机。由于所设计的相位差检测电路与前后模块 的配合性以及系统原理的优越性，本系统具有较高的 信噪比、精度和灵敏度。 ｌ、系统结构及检测原理 系统硬件主要由荧光光学系统、光电探测、相敏 检测、数据采集与处理等模块组成。 压控振荡器输出某个振荡频率的正弦调制信号， 信号分成两路，其中一路作为调制信号，驱动光源发 出中心波长为４６５ｎｍ的激发光，并照射在高灵敏度荧 光物质上，产生中心波长为６５０ｎｍ的荧光，荧光依次 透过透镜和窄带滤光片后被光电探测器接收，光电接 赢＝ ［２ ｔａｎ ２ ］ （５） 收器所探测到的荧光信号经过Ｉ，ｖ转换、放大后送入 相位差检测电路，另一路信号经移相后作为参考信号 Ａ ｓｉｎ（２ 一 ） 从式（５）可知荧光信号相对于激发信号表现为强 度的衰减和相位的滞后，而且可以推知： 直接送入检测电路，检测电路输出荧光信号与参考信 号的相位差正弦波信号，然后，经过数字电路的处理 ｔａｎ￣０＝２ｚｆｒｒ 其中，妒一荧光信号滞后的相位： ｒ一荧光寿命； （６） 和提取后，将最终相位差数字量送入单片机【３】。另外 需要将激发信号或参考信号接入单片机的计数端口对 信号频率进行采集。压控振荡器属于频率可控信号发 生器，接入直流电压信号对其输出信号进行调频。 ２、电路设计 ＿厂一激发信号与荧光信号的频率。 荧光强度和荧光寿命与溶解氧浓度的关系可用 Ｓｔｅｒｎ．Ｖｏｌｍｅｒ方程表示： ｏｒ＝针对荧光信号的特点，设计了如图２所示的相位 差检测电路，将作为参考信号的源信号和较之源信号 （７） １＋ 【０］ 发生了移相的荧光信号进行比对，可使整个系统快速 稳定地锁定，准确测出荧光信号滞后相位。本设计摒 弃了传统的过零电压法和数字计数法等相位差检测方 其中， 一溶解氧浓度为０时的荧光寿命； ｒ一某溶解氧浓度所对应的荧光寿命； 一溶解氧浓度系数： 【Ｏ］一溶解氧浓度１２１。 由式（６）、式（７）可知，测量荧光 信号滞后相位即可计算出溶解氧浓度。 三、系统设计 一种基于荧光寿命法的水体溶解氧浓 度检测系统包括压控振荡器、单片机、光 源、荧光物质、信号处理电路及光电检测 器等。通过由７４ＬＳ７４Ｄ设计的相位差检 测电路来进行对滞后相位的检测，并利用 四 嚣 ＿ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ＆Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ＿技术与应用 器，如图４所示。 由式（２）得： ，：—ｔａｎ￣ｐ—：—ｔａｎ￣ｏ —（８） ２ ｍ 系统标准偏差为： 、，： 、，＝—————— 一ｔａｎ ±！ ： ：：： （—９） Ｌ Ｊ 盯，１ 令其导数为０，可以得到，当ｔａｎ ：４２ 时，＿＿ 取得最小值。ＨＩｊ当移相角 ：ｔａｎ一 （ ） ３５＿３。时，系 统误差最小。考虑到电路本身引起的相移，锁相时取 法，有更好的稳定性和精度，并且扩人了信号频率的 可调范围。 比稍大时，系统误差可取得最小值，经实验测试ａ取 ４５。。 采用７４ＬＳ７４Ｄ触发器将两个输入信号转化为方波 信号。如 ２所示，采用了两个Ｄ触发器，第一个触 发器以源信号正弦波作为时钟 号，第二个触发器以 移相后的信 作为时钟信号。 到了相位置波形为正弦波。 ３、数据采集与处理 数据采集以及处理模块由单片机和相关外围电路 组成。单片机采用ＡＤ￣ｔＣ８４１单片机，它具有丰富的外 围资源和精确的时问间隔计数器ＴＩＣ 。通过ＴＩＣ精确 定时，计数器Ｔ２ ’数，可实现准确测屡锁相环锁定频 率，然后通过汁算程序计算得出荧’匕寿命和溶解氧浓 度，并最终通过显示肼显示。相关电路 如 ５所示。 ｒ足边沿触发，故得 压控振荡 由７４ＨＣ４０４６和外 ＲＣ振荡电 路组成，”『以输 频率稳定的方波，如 ３所 示。ＶＣＯＯＵＴ 有频率由Ｒ Ｉ Ｃ，确定，髓确定 ＶＣＯＯＵＴ频半的变化范闸，添 稳压二极管Ｄ，町仃 四、实验结果与分析 该基ｆ荧光猝灭原理的溶解氧检测系统使用稳定 性很高的荧光物质，故只需进行１次２点标定，不需 效增人频率变化范 ，并Ｈ．还＿口ｆ以改善ＶＣＯＯＵＴ压频 特性。由ｊ ｆ｛：｝解氧浓度山０％～ｌ００％变化，因此锁卡｝】 时ＶＣＯＯＵＴ频率范 为ｌ６～８８ ｋＨｚ，考虑到实际水质 测量情况，ＶＣＯＯＵＴ固有频率 取４０～５０ｋＨｚ。 移相器为』个ＤＱ触发器７４ＬＳ７４组成的数字移卡｝ 】要进行多次标定。标定时，任ｌＬ水中 １入ｌｍｇ尤水 Ｎａ，ＳＯ 并进行搅拌，静置几分钟后．待水中溶解氧消 耗完毕，浓度为０，此时即为溶解氧零点，溶解氧饱 － 需 田 技术与应用●Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ＆Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ 和点取２０℃时的饱和点９．ＩｍＷＬ，继而完成标定。将测量 系统放入吸满水的海绵中（此时视为饱和点１，在不同温 度下，分别测量荧光寿命和溶解氧值，并与该温度下饱和 溶解氧标准值比对，然后进行线性相关分析【５１。荧光寿命 的测量结果如图６所示。 由图６可知，当溶解氧浓度７．５—１０．１ｍｇ化时，荧光 寿命的变化范围为６９～７６ｇｓ，而且与标准溶解氧浓度有较 好的线性相关性，相关系数为０．９９２８６。根据荧光寿命计 算出的溶解氧浓度结果如表１和图７所示。 表１不同温度下测量溶解氧值与标准溶解氧值 ￣ＵＵＵＵＵＵＵＵＵ ．＾ －与光谱分析，２００７，ｌ２（１２）：２５２３—２５２６． 【４］［目】远坂俊昭．锁相环（ＰＬＬ）电路设计与应用［Ｍ】．何 实验结果表明：该溶解氧检测系统测量值与标准值基 希才．译．北京：科学出版社，２００６． ［５］青岛昱昌科技有限公司．溶解氧传感器使用手册［ｚ／ ＯＬ］．［２００９—０５—２６］．ｈｔｔｐ：／／ＷＷＷ．ｙｕｃｈａｎｇ．ｎｅｔ／ＹｕｃｈａｎｇＰｒｏｄ． Ａｓｐ？ＰｒｏｄｌＤ＝５８． 本一致，线性相关系数为０．９９２８６，标准偏差为０．００２３， 相对误差小于１．５％，斜率为１．０１８７，具有较好的一致性。 实验测量过程中，系统的稳定性较好，响应时间小于 ３０ｓ，灵敏度较高，满足实时在线监测需要。 Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ａ ｄｉｓｓｏｌｖｅｄ ｏｘｙｇｅｎ ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｆｌｕｏｒｅｓｃｅｎｃｅ ｑｕｅｎｃｈｉｎｇ ｅｆｆｅｃｔ 五、结论 ＹＡＮＧ Ｙｉ—ｒｕｉ，ＺＨＡＯ Ｈｏｎｇ—ｃａｉ，ＺＨＡＯ Ｘｉａｏ－ｊｉｅ，ＧＵＯ Ｊｉａ—ｌｅ，ＸＵ Ｘｉａｏ－ｊ ｉｎｇ （Ｑｉｎｇｄａｏ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｃａｌ ＵｎｉｖｅｒｓｉＧ，，Ｔｓｉｎｇｄａｏ ２６６０００， Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ｆｌｕｏｒｅｓｃｅｎｃｅ ｑｕｅｎｃｈｉｎｇ ｅｆｆｅｃｔ ｉＳ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．ｂａｓｅｄ ｏｎ ｗｈｉｃｈ ｆｌ ｄｉＳＳＯ Ｊｖｅｄ ｏｘｙｇｅｎ ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ． Ｔｈｅ ｗｏｒｋｉｎｇ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｅｘｐｌａｉｎｅｄ，ａｎｄ 本文在研究基于荧光猝灭法的检测原理的基础上，设 计了相应的相位检测电路，完成了相关数字及模拟电路的 设计，并对系统进行了相关的测试及实验。结果表明：该 系统精度高、稳定性好、响应快，具备对水体溶解氧的原 位、实时、在线监测的能力和要求。同时，本设计也为测 量具有相似荧光特性或性质的物理量提供了参考和思路。 参考文献 【１］陈锦欣，赵辉．污水处理系统中的溶解氧测量技术 ．测试测 量技术，２００５，５（５）：５０．５１． ［２】姜德生，赵士威，韩蕴，等．一种基于荧光猝灭的光纤氧气传 感器［Ｊ】．光学学报，２００３，２３（３）：３８１—３８４． ［３］冯颖，黄世华．荧光寿命的正弦调￥１ＪＮ量法及分析［Ｊ】．光谱学 ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｃｈａｒｔ ｏｆ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ａｎｄ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｔｈｅ ｋｅｙ ｃｉｒｃｕｉｔｓ ａｒｅ ｐｒｏｖｉｄｅｄ．Ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｔｅｓｔｓ ａｒｅ ｐｅｒｆｂｒｍｅｄ ｆｉｎａｌｌｙ，ａｎｄ ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ａｒｅ ｇｉｖｅｎ ａｎｄ ａｎａｌｙｚｅｄ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｉｎｄｉｃａｔｅ ｔｈａｔ ｔｈｉｓ ｓｙｓｔｅｍ ｈａｓ ｇｏｏｄ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｓｐｅｅｄ，ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ａｎｄ ｓｔａｂｉ１ｉｔｙ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｍｅａｓｕｒｉｎｇ 目 ｌ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ＆Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ－技术与应用 ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ｏｆ ０．０ １ ｍｇ／Ｌ ａｎｄ ｔｈｅ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｔｉｍｅ ｌｅｓｓ ｔｈａｎ ３０ｓ． 郭佳乐，青岛理工大学 硕士研宄生，研究方向为信 号分析与处理。 Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｆｌｕｏｒｅｓｃｅｎｃｅ ｌｉｆｅｔｉｍｅ；ｓｅｎｓｏｒ；ｌａｇｇｉｎｇ ｐｈａｓｅ；ｄｉｓｓＯｌｖｅｄ ｏｘｙｇｅｎ 徐肖鲸，青岛理工大学 硕士研究生，研究方向为信 号分析与处理。 作者简介 杨亦睿，青岛理工大学，硕 十研究生，研究方向为信号 分析与处理。 通讯地址：山东省青岛市黄 岛区长江中路２号 邮编：２６６０００ 邮箱：５２６９７０３４０＠ｑｑ．ｔｏｍ 赵宏才，青岛理工大学，副教 授，研究方向为信号与系统。 赵晓杰，青岛理工大学，硕 士研究生，研究方向为信号 分析与处理。 ＿ 宙
