傅家樂(lè)

熒光淬滅法溶解氧測(cè)定儀校準(zhǔn)方法的研究

傅家樂(lè)

(上海市計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究院，上海 201203)

介紹了熒光淬滅法溶解氧測(cè)定儀的工作原理，探討了該類(lèi)儀器計(jì)量特性和校準(zhǔn)方法，提出了校準(zhǔn)項(xiàng)目和技術(shù)指標(biāo)，零值誤差(≤0.10 mg／L)、溶解氧濃度示值誤差(±0.50 mg／L)、重復(fù)性(≤0.20 mg／L)、響應(yīng)時(shí)間(≤60 s)。用該校準(zhǔn)方法對(duì)某些熒光淬滅法溶解氧測(cè)定儀進(jìn)行了校準(zhǔn)，證明該法是可行的。

熒光淬滅法；溶解氧測(cè)定儀；校準(zhǔn)項(xiàng)目；技術(shù)指標(biāo)

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，各種污染逐漸增多，特別是水污染情況比較嚴(yán)重。在人類(lèi)活動(dòng)的影響下，微生物所需的氮、磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)大量進(jìn)入湖泊、河口、海灣等緩流水體，引起藻類(lèi)及其它浮游生物迅速繁殖，水體溶解氧量下降，水質(zhì)惡化，導(dǎo)致魚(yú)類(lèi)及其它生物大量死亡；同時(shí)水污染也導(dǎo)致水資源短缺日益嚴(yán)重，所以迫切需要對(duì)水質(zhì)進(jìn)行及時(shí)監(jiān)控和有效處理。

自然狀態(tài)中，溶解到水中的氧氣是支持水中生物呼吸的主要來(lái)源，其中水體最重要的指標(biāo)是溶解氧(DO)，溶解氧是指單位體積水中所溶解的氧質(zhì)量，以mg／L表示。沒(méi)有受到污染的水中，溶解氧呈飽和狀態(tài)。適量的氧是魚(yú)類(lèi)和好氧菌生存和繁殖的基本條件。在一個(gè)大氣壓、溫度為0℃的淡水中，溶解氧呈飽和狀態(tài)時(shí)的含量為10 mg／L，溶解氧低于4 mg／L時(shí)，魚(yú)類(lèi)就難以生存。水被有機(jī)物污染后，由于好氧菌作用使有機(jī)物被氧化，消耗掉水中的溶解氧。若得不到空氣中氧的及時(shí)補(bǔ)充，水的活解氧就會(huì)減少，最終導(dǎo)致水體變質(zhì)，所以溶解氧被作為水質(zhì)污染程度的一項(xiàng)指標(biāo)。溶解氧越少，表明污染程度越嚴(yán)重，因此水體溶解氧含量的準(zhǔn)確測(cè)量，對(duì)于環(huán)境監(jiān)測(cè)和環(huán)保執(zhí)法具有重要意義。

目前常用的溶解氧檢測(cè)方法有碘量法、電化學(xué)法，熒光淬滅法等。碘量法是是檢測(cè)溶解氧含量的基準(zhǔn)方法，該法是一種純化學(xué)檢測(cè)方法，耗時(shí)長(zhǎng)，程序繁瑣，無(wú)法滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的要求；電化學(xué)法是電流測(cè)定法根據(jù)分子氧透過(guò)薄膜的擴(kuò)散速率來(lái)測(cè)定水中溶解氧的含量，目前市場(chǎng)上的儀器大多采用這種方法，每隔一段時(shí)間需要活化，需要經(jīng)常更換透氧膜；熒光淬滅法具有很好的光化學(xué)穩(wěn)定性、重現(xiàn)性，無(wú)延遲、精度高、壽命長(zhǎng)，可對(duì)水中溶解氧進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)。美國(guó)材料與檢測(cè)協(xié)會(huì)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)發(fā)組織(ASTM)已經(jīng)把熒光溶解氧測(cè)量法正式確認(rèn)為測(cè)量水中溶解氧的標(biāo)準(zhǔn)方法之一。經(jīng)過(guò)嚴(yán)格評(píng)估之后，負(fù)責(zé)水相關(guān)業(yè)務(wù)的美國(guó)材料與檢測(cè)協(xié)會(huì)D19委員會(huì)已將哈希公司冷光溶解氧測(cè)量法和美國(guó)環(huán)保局實(shí)驗(yàn)室內(nèi)對(duì)比驗(yàn)證的實(shí)驗(yàn)結(jié)果寫(xiě)入了美國(guó)材料與檢測(cè)協(xié)會(huì)D888標(biāo)準(zhǔn)——水中溶解氧的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量方法。修訂后的標(biāo)準(zhǔn)將把熒光溶解氧測(cè)量法(C方法)與原有的傳統(tǒng)化學(xué)滴定法(A方法)和電化學(xué)(膜)測(cè)量法(B方法)并列，該修訂標(biāo)準(zhǔn)將收錄在美國(guó)材料與檢測(cè)協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)年鑒第11.01和11.02卷上的D888-05標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)［1］。

熒光淬滅法溶解氧分析儀已經(jīng)有廠商進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化，而目前還沒(méi)有熒光淬滅法溶解氧分析儀的檢定規(guī)程，因此筆者對(duì)熒光淬滅法溶解氧分析儀校準(zhǔn)方法進(jìn)行了研究。

1 熒光淬滅法溶解氧測(cè)定儀的工作原理

某些光敏物質(zhì)的原子受激發(fā)后，會(huì)以發(fā)射熒光的形式返回基態(tài)，而氧的存在會(huì)干擾這一行為的進(jìn)行，即氧分子含量越多，熒光壽命越短，對(duì)應(yīng)強(qiáng)度越低，可以根據(jù)試樣溶液產(chǎn)生的熒光強(qiáng)度或熒光壽命來(lái)測(cè)定試樣溶液中氧的含量。

傳感器調(diào)制的藍(lán)光照到熒光物質(zhì)上使其激發(fā)，并發(fā)出紅光，由于氧分子可以帶走能量(猝熄效應(yīng))，所以激發(fā)紅光的時(shí)間和強(qiáng)度與氧分子的濃度成反比。采用與藍(lán)光同步的紅光光源作為參比，測(cè)量激發(fā)紅光與參比光之間的相位差，并與內(nèi)部標(biāo)定值比對(duì)，從而計(jì)算出氧分子的濃度，經(jīng)過(guò)線性化和溫度補(bǔ)償，輸出最終值。

2 主要校準(zhǔn)項(xiàng)目

(1)零值誤差：通常測(cè)量?jī)x器零值誤差均作為基值誤差對(duì)待，因?yàn)榱阒祵?duì)考核測(cè)量?jī)x器的穩(wěn)定性、準(zhǔn)確度作用十分重要，所以需要對(duì)零值誤差進(jìn)行校準(zhǔn)。

(2)響應(yīng)時(shí)間：使用一段時(shí)間后，電極受到不同程度的污染，響應(yīng)時(shí)間下降，會(huì)造成反應(yīng)變慢；溶解氧二次表讀數(shù)不穩(wěn)定，漂移大。

(3)溶解氧濃度示值誤差：根據(jù)水體中溶解氧含量與熒光碎滅效應(yīng)的強(qiáng)弱程度成線性比例關(guān)系，需要通過(guò)不同濃度的溶解氧測(cè)定其誤差。

(4)重復(fù)性：溶解氧測(cè)定儀在使用一段時(shí)間后，重復(fù)性會(huì)下降，影響測(cè)量精度，因此需要對(duì)重復(fù)性進(jìn)行校準(zhǔn)。

(5)溫度示值誤差：溶解氧濃度與溫度呈函數(shù)關(guān)系，溫度對(duì)儀器測(cè)定結(jié)果影響很大，因此需要對(duì)儀器的溫度進(jìn)行校準(zhǔn)。

3 校準(zhǔn)條件

3.1 環(huán)境條件

溫度：10～30℃，波動(dòng)不超過(guò)±2℃；相對(duì)濕度：不超過(guò)85%；應(yīng)無(wú)影響儀器正常工作的電磁干擾。

3.2 校準(zhǔn)用水

無(wú)氧水的制備：于500 mL 的燒杯中加入250 mL蒸餾水，然后加入500 mg亞硫酸鈉(Na2SO3)及微量二價(jià)鈷鹽，例如六水合氯化鈷(CoCl2·6H2O)作催化劑，攪拌均勻后使用。

飽和溶氧水的制備：于2 L的燒杯中加入2 L的蒸餾水，將多孔塑料膜浮于水面。同時(shí)加鼓泡器(空氣泵)向水中連續(xù)曝氣60 min 以上。水樣溫度控制在(25±0.3)℃。停止曝氣后即可用于校準(zhǔn)。

不同溶解氧濃度水樣的制備：于 L 的燒杯中加入2 L蒸餾水，將多孔塑料膜浮于水面。將標(biāo)準(zhǔn)氣體通過(guò)鼓泡器(空氣泵)按1 L／min 的流量通入蒸餾水中，連續(xù)通氣60 min以上。標(biāo)準(zhǔn)氣的體積分?jǐn)?shù)分別選擇10%，35%。水樣溫度控制在(25±0.3)℃。停止曝氣后即可用于校準(zhǔn)。

3.3 校準(zhǔn)用標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)

氣體標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)：氮中氧氣氣體標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)標(biāo)準(zhǔn)氣體)，相對(duì)擴(kuò)展不確定度不大于2%(k=2)。

3.4 校準(zhǔn)用其它設(shè)備、試劑

氣體流量計(jì)：量程0～1.5 L／min，準(zhǔn)確度級(jí)別不低于4 級(jí)；多孔塑料膜；秒表：分度值0.1 s；二等標(biāo)準(zhǔn)水銀溫度計(jì)：測(cè)量范圍0～50℃，分度值0.1℃；氣壓表：分度值100 Pa；鼓泡器：多孔；亞硫酸鈉：分析純；二價(jià)鈷鹽：分析純。

4 校準(zhǔn)方法［2-3］

4.1 零值誤差的校準(zhǔn)

在校準(zhǔn)進(jìn)行前，允許更換電極、電解液及覆膜。按儀器說(shuō)明書(shū)要求正常校準(zhǔn)。將電極由空氣中浸入新配制的無(wú)氧水溶液中，5 min后的儀器示值即為零位電流引起的零值誤差。

4.2 溶解氧濃度示值誤差的校準(zhǔn)

按校準(zhǔn)條件制備不同溶解氧濃度的水樣。標(biāo)準(zhǔn)氣體體積分?jǐn)?shù)分別選擇10%，35%。水樣溶解氧的質(zhì)量濃度按式(1)計(jì)算。

式中：CS"——水樣溶解氧的質(zhì)量濃度，mg／L；

CS'——在P(Pa)大氣壓下制備的水樣標(biāo)準(zhǔn)溶解氧的質(zhì)量濃度，mg／L；

Ca——水樣通入的氧氣標(biāo)準(zhǔn)氣體體積分?jǐn)?shù)，%；

20.946%——空氣中氧氣體積分?jǐn)?shù)。

按儀器說(shuō)明書(shū)要求操作，測(cè)量制備好的飽和溶氧水溫度。將電極由空氣中放入該飽和溶氧水中并輕輕擺動(dòng)，穩(wěn)定后讀取示值。重復(fù)測(cè)量2次，計(jì)算儀器示值平均值，按式(2)、式(3)計(jì)算溶解氧濃度示值誤差ΔC。

CS——在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓(101 325 Pa)下氧的飽和溶解質(zhì)量濃度，mg／L；

P——現(xiàn)場(chǎng)大氣壓，Pa；

PW——在當(dāng)前水溫下，和空氣接觸時(shí)飽和水蒸氣壓，Pa。

4.3 重復(fù)性的校準(zhǔn)

連續(xù)重復(fù)6次測(cè)量穩(wěn)定的飽和溶氧水，分別記錄儀器示值，按式(4)計(jì)算儀器的重復(fù)性。

式中：S——儀器測(cè)量的重復(fù)性；

Ci——第i次測(cè)量值，mg／L；

4.4 響應(yīng)時(shí)間的校準(zhǔn)

將電極浸入飽和溶氧水中，待讀數(shù)穩(wěn)定后取出電極，并迅速浸入無(wú)氧水中，同時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí)。當(dāng)儀器顯示穩(wěn)定值的10%時(shí)停止計(jì)時(shí)，此時(shí)秒表的讀數(shù)即為響應(yīng)時(shí)間。

5 校準(zhǔn)試驗(yàn)

為了驗(yàn)證該校準(zhǔn)方法的可行性，對(duì)Mettler Toledo公司生產(chǎn)的SG9溶解氧測(cè)定儀按本方法進(jìn)行校準(zhǔn)，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 熒光淬滅法溶解氧測(cè)定儀校準(zhǔn)結(jié)果

由表1可知，該儀器的各項(xiàng)指標(biāo)均符合校準(zhǔn)項(xiàng)目技術(shù)指標(biāo)的要求。校準(zhǔn)結(jié)果符合該校準(zhǔn)方法規(guī)定的計(jì)量要求。該校準(zhǔn)方法能夠準(zhǔn)確合理地評(píng)價(jià)熒光淬滅法溶解氧測(cè)定儀的性能，為從事儀器測(cè)量的技術(shù)人員和校準(zhǔn)人員提供了參考。

6 結(jié)果與討論

(1)探討了與熒光淬滅法溶解氧測(cè)定性能密切相關(guān)的零值誤差、溶解氧濃度示值誤差、重復(fù)性、響應(yīng)時(shí)間計(jì)量特性的校準(zhǔn)方法。通過(guò)4個(gè)項(xiàng)目的校準(zhǔn)，該校準(zhǔn)方法能實(shí)現(xiàn)對(duì)儀器性能較為科學(xué)的評(píng)價(jià)。

(2)熒光淬滅法溶解氧分析儀校準(zhǔn)方法中的溶解氧濃度示值誤差是針對(duì)于熒光淬滅法溶解氧分析儀原理中Stern-Volmer方程進(jìn)行設(shè)計(jì)的。因?yàn)楦鶕?jù)Stern-Volmer方程水體中溶解氧含量與熒光碎滅效應(yīng)的強(qiáng)弱程度呈線性關(guān)系［4］，所以校準(zhǔn)同一溫度下不同濃度的示值誤差非常重要，也是判斷該儀器計(jì)量性能的重要參數(shù)。

(3)零值誤差經(jīng)常是測(cè)量誤差的來(lái)源。溶解氧的一點(diǎn)校準(zhǔn)通常在被水蒸氣飽和的空氣中進(jìn)行。通常儀器的零點(diǎn)電流非常低，濃度不小于1 mg／L的測(cè)量，無(wú)需進(jìn)行零點(diǎn)校準(zhǔn)。當(dāng)測(cè)量含氧量小于1 mg／L的樣品時(shí)，需要使用零氧標(biāo)準(zhǔn)液進(jìn)行第二點(diǎn)校準(zhǔn)。如果傳感器在零點(diǎn)校準(zhǔn)后變得反應(yīng)遲緩或讀數(shù)不準(zhǔn)確，則是因?yàn)閭鞲衅魃狭阊跞芤簺](méi)有清除干凈。需要在去離子水中徹底浸濕和清洗傳感器，以清除零氧溶液，恢復(fù)傳感器性能。

(4)熒光淬滅法溶解氧分析儀的傳感器會(huì)受到乙醇、雙氧水、氣態(tài)二氧化硫和氯氣的影響，但二氧化碳、氨、任何離子類(lèi)物質(zhì)均不會(huì)對(duì)熒光淬滅法溶解氧分析儀的測(cè)量造成干擾。

該校準(zhǔn)方法的研究為熒光淬滅法溶解氧分析儀的溯源方法提供了參考，有利于更好地開(kāi)展溶解氧計(jì)量校準(zhǔn)工作，可據(jù)此對(duì)JJG291-2008 《覆膜電極溶解氧測(cè)定儀》檢定規(guī)程進(jìn)行完善和修訂。

［1］ ASTM D888-12 Standard Test Methods for Dissolved Oxygen in Water［S］.

［2］ JJG (浙)111-2010 在線覆膜電極溶解氧測(cè)定儀檢定規(guī)程［S］.

［3］ JJG291-2008 覆膜電極溶解氧測(cè)定儀檢定規(guī)程［S］.

［4］ 荊淼.光學(xué)溶解氧分析儀研究［J］.現(xiàn)代科學(xué)儀器，2006，(5): 57-59.

Discussion on Calibration Method of Fluorescence Quenching Method Dissolved Oxygen Meter

Fu Jiale
(Shanghai Institute of Measurement and Testing Technology， Shanghai 201203，China)

The principle of fluorescence quenching method dissolved oxygen meter was introduced. The metrology performance and calibration method for measurement were discussed. Calibration items and technical specif i cations of the instrument were determined which included zero-point tolerance (≤0.10 mg／L)，mass concentration indication error (±0.50 mg／L)，repeatability (≤0.20 mg／L) and response time (≤60 s). The method was used to calibrate some dissolved oxygen meters and it is proved that the method is reasonable．

fluorescence quenching method; dissolved oxygen meter; calibration item; technical specif i cation

O657.3

A

1008-6145(2014)01-0083-03

聯(lián)系人：傅家樂(lè)；E-mail: fujiale365121557@163.com

2013-11-04

10.3969／j.issn.1008-6145.2014.01.024