海水溶解氧浓度时域荧光寿命检测技术研究

摘要

溶解氧(Dissolved Oxygen)含量反映了海洋生态系统的健康状况，是评价海水质量的重要指标之一，实现海水溶解氧浓度的快速、准确测量对海洋生态环境安全管理有着重要的意义。相比于传统测量方法，荧光寿命法不需要消耗氧气、维护方便、易于系统集成等特点，但现有荧光寿命检测技术对激发光源性能要求较高，且稳定测量耗时较长。针对海水溶解氧浓度检测技术与应用需求，论文研究了基于荧光寿命时域检测方法的海水溶解氧浓度快速测量技术。 首先，分析了荧光寿命时域检测技术原理并构建了荧光寿命实验测量系统，研究了不同激发光强度和激励持续时间与荧光寿命测量结果的相关性。结果表明，激发光强度在1037～2690μmol quanta/m2/s及激励持续时间在3～20μs范围内变化时，荧光猝灭曲线随激发光强度或激励持续时间增加而趋于单一指数衰减，荧光寿命检测结果均保持稳定。 其次，针对海洋环境走航或垂直剖面溶解氧快速监测需求，以及复杂海况原位监测对检测系统小型化、集成化需求，提出并研究了两点积分式荧光寿命快速稳定检测技术。以LED为激发光源和MPPC为光电探测器，重点研究了门信号发光脉冲驱动技术，设计了LED边缘加速电路，降低了发光脉冲上升沿和下降沿用时;研究了快速荧光信号积分检测技术，设计了MPPC偏压温度补偿电路、硬件积分和可变增益电路，实现了不同溶解氧浓度下微弱荧光信号的高灵敏积分放大。结果表明，两点积分式荧光寿命检测结果标准偏差随激发次数的增加而减小，在2.5s内可稳定获得荧光寿命，10次连续测量结果相对标准偏差为0.38％。 在此基础上，研究了海水溶解氧浓度荧光寿命反演方法，盐度、pH、温度等典型海洋环境要素对测量结果的影响及补偿方法，并研发了小型化海水溶解氧浓度测量仪。结果表明，实测与理论荧光寿命存在10.38μs系统硬件固定延迟，系统延迟补偿后Stern-Volmer曲线拟合相关系数由0.946提升到0.998;溶解氧浓度测量基本不受海水盐度与pH影响，但与海水温度呈线性相关关系，温度补偿后测量结果与实际溶解氧浓度线性相关系数在0.995以上;小型化海水溶解氧浓度测量仪在饱和溶解氧溶液中2小时连续测量相对标准偏差为2.6％，在低浓度0.17mg/L时检出限为0.03mg/L。研究结果为海水溶解氧含量的快速测量提供了技术基础。

目录

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摘要

第1章绪论

1．1研究背景

1．2检测方法现状

1．2．1传统方法

1．2．2光学方法

1．3荧光寿命法测量原理

1．3．1荧光猝灭效应

1．3．2频域检测技术

1．4论文主要研究内容

1．4．1研究目的

1．4．2主要研究内容

1．5本章小结

第2章荧光寿命时域检测方法研究

2．1荧光寿命时域测量方法

2．2实验测量系统搭建

2．2．1氧敏感荧光物质

2．2．2实验系统搭建

2．3激发条件测试

2．3．1激发光强度

2．3．2激励持续时间

2．4本章小结

第3章荧光寿命两点积分式快速检测技术研究

3．2．1两点积分式检测技术

3．2．2快速检测电路分析

3．3门信号发光脉冲驱动技术

3．3．1 LED脉冲调制特性

3．3．2 LED脉冲边缘加速电路

3．3．3结果与分析

3．4快速荧光信号积分检测技术

3．4．1 MPPC探测器驱动电路设计

3．4．2硬件积分与可变增益电路设计

3．4．3 AD转换电路设计

3．4．4 RS485通讯电路设计

3．4．5实验测试与分析

3．5本章小结

第4章海水溶解氧浓度反演及补偿方法研究

4．1系统集成与对比测试平台

4．1．1系统集成设计

4．1．2实验对比测试平台

4．2溶解氧浓度反演方法

4．3海洋环境影响因素及补偿方法

4．3．1盐度

4．3．2 pH

4．3．3温度

4．4实验结果分析

4．4．1响应速度

4．4．2稳定性

4．4．3检出限

4．4．4对比分析

4．5本章小结

第5章总结与展望

5．1总结

5．2展望

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果