光學(xué)溶解氧傳感器和Winkler法測(cè)定溶解氧的對(duì)比研究

張?jiān)蒲?袁達(dá),吳丙偉,程巖

(齊魯工業(yè)大學(xué)(山東省科學(xué)院)山東省科學(xué)院海洋儀器儀表研究所，山東省海洋監(jiān)測(cè)儀器裝備技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，國(guó)家海洋監(jiān)測(cè)設(shè)備工程技術(shù)研究中心，山東 青島 266100)

溶解氧是海洋生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)的重要參數(shù)之一，是維持海洋生物生存的必要物質(zhì)，與多種海洋生物地球化學(xué)過(guò)程密切相關(guān)[1]。水體中溶解氧的微小變化會(huì)對(duì)海洋環(huán)境，尤其是對(duì)海洋氮循環(huán)和各類(lèi)氧化還原過(guò)程[2]產(chǎn)生重要影響。因此，在海洋監(jiān)測(cè)中對(duì)溶解氧的準(zhǔn)確測(cè)定是十分必要的。

溶解氧的測(cè)定方法較多，其中廣泛應(yīng)用的主要有碘量法(Winkler法)、電化學(xué)法和光學(xué)法等。Winkler法是國(guó)際公認(rèn)的測(cè)定水中溶解氧的基準(zhǔn)方法[3]，該方法通過(guò)化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行檢測(cè)，測(cè)定準(zhǔn)確度高，但測(cè)樣過(guò)程較為繁瑣、無(wú)法實(shí)現(xiàn)連續(xù)測(cè)定。電化學(xué)法是基于發(fā)生在電極上的氧化還原反應(yīng)產(chǎn)生的電流來(lái)測(cè)定，是一種成熟的溶解氧測(cè)定方法，測(cè)量效率高，能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)和在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，但仍存在限制條件，例如電極老化、測(cè)定過(guò)程中存在O2消耗、透氣膜需定期更換等[4]。近些年來(lái)，基于熒光猝滅原理的光學(xué)溶解氧傳感器發(fā)展迅速，是海洋溶解氧測(cè)定的研究熱點(diǎn)。該類(lèi)傳感器克服了傳統(tǒng)方法的不足，比電化學(xué)類(lèi)傳感器有著更好的數(shù)據(jù)穩(wěn)定性，可長(zhǎng)期用于原位監(jiān)測(cè)、浮標(biāo)和岸基站等[5-6]。

基于熒光猝滅原理的溶解氧原位監(jiān)測(cè)技術(shù)已比較成熟，目前國(guó)際上已有多個(gè)廠家實(shí)現(xiàn)了商品化，并開(kāi)始廣泛應(yīng)用于海洋調(diào)查監(jiān)測(cè)中。由于海水環(huán)境較為復(fù)雜，該類(lèi)傳感器在監(jiān)測(cè)過(guò)程中仍存在一些不足，傳感器膜易受光分解及生物附著[7]的影響，產(chǎn)生數(shù)據(jù)漂移，從而影響測(cè)定結(jié)果的準(zhǔn)確度。隨著該類(lèi)傳感器應(yīng)用越來(lái)越廣泛，系統(tǒng)的準(zhǔn)確度和可靠性測(cè)試顯得尤為重要，目前國(guó)內(nèi)相關(guān)的報(bào)道較少。本研究依托實(shí)驗(yàn)室搭建的溶解氧對(duì)比裝置，以Winkler法為基準(zhǔn)，對(duì)比了目前海洋調(diào)查領(lǐng)域常用的光學(xué)溶解氧傳感器Aanderaa 4531和In-Situ RDO PRO，系統(tǒng)探究了不同溫度和溶解氧濃度下光學(xué)溶解氧傳感器和Winkler法的差別，旨在提供一種通用的溶解氧比對(duì)測(cè)試方法，用以驗(yàn)證光學(xué)溶解氧傳感器的測(cè)量準(zhǔn)確度與精度，同時(shí)可為溶解氧的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)及數(shù)據(jù)校正提供參考依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 測(cè)定原理

Winkler法是國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中溶解氧測(cè)定的仲裁方法，其測(cè)定原理[8]為：溶解氧同MnCl2和NaOH反應(yīng)，生成四價(jià)錳沉淀。酸性條件下，四價(jià)錳與游離的I-反應(yīng)生成與溶解氧含量相當(dāng)?shù)腎2，通過(guò)硫代硫酸鈉滴定I2,可換算得出溶解氧含量。反應(yīng)方程式如下：

MnCl2+2NaOH→Mn(OH)2↓+2NaCl，

2Mn(OH)2↓+O2→2MnO(OH)2↓，

4Mn(OH)2↓+O2+2H2O→4Mn(OH)3↓，

2Mn(OH)3↓+6H++2I-→2Mn2++I2+6H2O，

MnO(OH)2↓+4H++2I-→Mn2++I2+3H2O，

I2+2S2O32-→S4O62-+2I-。

光學(xué)溶解氧傳感器測(cè)定的基本原理是基于氧原子對(duì)多環(huán)芳烴絡(luò)合物的熒光猝滅理論，氧氣是很多熒光敏感物質(zhì)的良性猝滅劑，其濃度與熒光指示劑的本征參數(shù)(如強(qiáng)度、相位等)滿足Stern-Volmer方程[9]。當(dāng)氧傳感膜上的熒光物質(zhì)被照射時(shí)，光敏物質(zhì)被激發(fā)到激發(fā)態(tài)后會(huì)以發(fā)射熒光的形式返回基態(tài)，氧氣的存在會(huì)干擾熒光的發(fā)射，且氧氣濃度越高，熒光強(qiáng)度越小，壽命越短，熒光猝滅越快。光學(xué)溶解氧傳感器依據(jù)此原理來(lái)測(cè)定溶解氧含量，由于熒光強(qiáng)度在水體中容易受雜散光干擾，因而大多儀器采用熒光壽命來(lái)檢測(cè)[10]，本實(shí)驗(yàn)中使用的兩種光學(xué)傳感器均依據(jù)熒光壽命原理通過(guò)檢測(cè)相位變化來(lái)確定氧氣含量。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 實(shí)驗(yàn)裝置

本研究搭建的實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，溫度是光學(xué)溶解氧傳感器的重要影響因素，因而整個(gè)實(shí)驗(yàn)在恒溫水浴中進(jìn)行，恒溫水浴通過(guò)低溫恒溫槽進(jìn)行控溫。密閉有機(jī)玻璃桶根據(jù)低溫恒溫槽大小進(jìn)行定制，其內(nèi)徑為130 mm，高為400 mm，體積約為5 L。通過(guò)氧氣瓶和氮?dú)馄康牟煌烊氡壤齺?lái)控制溶解氧的含量，為了保證溶解氧可以在水體中快速混合均勻，在下方加入循環(huán)泵。兩個(gè)傳感器放置測(cè)試桶中，并與桶壁保持合適距離；在傳感器測(cè)試的同時(shí)，采用乳膠管采集水樣，使用Winkler法進(jìn)行滴定；為保證取樣的一致性，兩個(gè)傳感器窗口和取樣點(diǎn)位于同一高度。

1 恒溫水浴；2 密閉有機(jī)玻璃桶；3 Aanderaa 4531；4 In-Situ RDO PRO；5 氣體出口；6 循環(huán)泵；7 取樣瓶；8 氣瓶圖1 實(shí)驗(yàn)裝置圖Fig.1 Experimental device

1.2.2 精密度測(cè)試

在對(duì)比實(shí)驗(yàn)開(kāi)始之前，首先對(duì)Winkler法和光學(xué)溶解氧傳感器測(cè)定溶解氧進(jìn)行精密度測(cè)試，即25 ℃條件下，采用青島近岸海水作為實(shí)驗(yàn)水體，穩(wěn)定后采用光學(xué)溶解氧傳感器測(cè)定5次，并取5個(gè)平行樣進(jìn)行Winkler法滴定。

1.2.3 Winkler法和光學(xué)溶解氧傳感器測(cè)定溶解氧對(duì)比實(shí)驗(yàn)

選取青島近岸海水作為實(shí)驗(yàn)水體(鹽度為30.5)，設(shè)定溫度為15 ℃，25 ℃和35 ℃，調(diào)節(jié)溶解氧的濃度范圍為0～110%，濃度每變化10%左右取一次樣，每個(gè)溫度條件下取至少10組溶解氧樣品，穩(wěn)定后分別記錄儀器測(cè)量值和Winkler法滴定值，同一溶解氧水樣分別采用光學(xué)溶解氧傳感器和Winkler法進(jìn)行3次測(cè)定。光學(xué)溶解氧傳感器均帶有溫度探頭，其精度可達(dá)0.01 ℃，因而溫度值直接由儀器給出。Winkler法的取樣和測(cè)定流程參照GB 17378.4—2007《海洋監(jiān)測(cè)規(guī)范》第4部分[11]。

2 結(jié)果與討論

2.1 Winkler法和光學(xué)溶解氧傳感器測(cè)定溶解氧穩(wěn)定性分析

采用Winkler法和光學(xué)溶解氧傳感器對(duì)青島近岸海水進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果見(jiàn)表1。通過(guò)Winkler法測(cè)定的平均值為6.74±0.05 mg·L-1，通過(guò)Aanderaa和In-Situ傳感器測(cè)定結(jié)果的平均值分別為6.71±0.02 mg·L-1和6.69±0.01 mg·L-1。結(jié)果表明，兩種方法測(cè)定結(jié)果比較接近，差別小于0.10 mg·L-1。與Winkler法相比，光學(xué)溶解氧傳感器測(cè)定結(jié)果更加穩(wěn)定，重復(fù)性較好，這主要是由于避免了采樣和測(cè)定過(guò)程中的誤差引入[12]。

表1 Winkler法和光學(xué)溶解氧傳感器測(cè)定溶解氧精密度結(jié)果

2.2 Winkler法和光學(xué)溶解氧傳感器對(duì)比結(jié)果及分析

在15 ℃、25 ℃和35 ℃條件下，Winkler法和光學(xué)溶解氧傳感器的海水測(cè)定結(jié)果如表2所示，溶解氧的濃度范圍為0.00～9.00 mg·L-1，飽和度范圍為0～110%，Aanderaa和In-Situ傳感器測(cè)定值為樣品穩(wěn)定后連續(xù)取三次(間隔時(shí)間為10 s)的平均值，Winkler測(cè)定值為三次平行樣測(cè)定均值。15 ℃時(shí)，不同溶解氧濃度下Winkler法和 Aanderaa傳感器測(cè)定差值為-0.42～0.38 mg·L-1，平均差值為0.01 mg·L-1，標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.24 mg·L-1；Winkler法和 In-Situ傳感器測(cè)定差值為-0.44～0.29 mg·L-1，平均差值為0.05 mg·L-1，標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.25 mg·L-1。25 ℃時(shí)，不同溶解氧濃度下Winkler法與Aanderaa和In-Situ傳感器測(cè)定差值分別為-0.08～0.25 mg·L-1和-0.11～0.27 mg·L-1，平均差值分別為0.10和0.06 mg·L-1，標(biāo)準(zhǔn)偏差分別為0.13和0.12 mg·L-1。35 ℃時(shí)，Winkler法與 Aanderaa和In-Situ傳感器測(cè)定差值分別為-0.11～0.34 mg·L-1和-0.12～0.34 mg·L-1，平均差值分別為0.15和0.13 mg·L-1，標(biāo)準(zhǔn)偏差分都是0.16 mg·L-1。在25 ℃差值及波動(dòng)均較小，35 ℃次之，15 ℃差別最大。

表2 Winkler法和光學(xué)溶解氧傳感器測(cè)定溶解氧結(jié)果

圖2為Aanderaa和In-Situ傳感器與Winkler測(cè)定值的關(guān)系圖。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，光學(xué)溶解氧傳感器測(cè)定結(jié)果與Winkler法的相關(guān)性較好，在15 ℃、25 ℃和35 ℃溫度條件下，相關(guān)系數(shù)R均大于0.998。傳感器測(cè)定值與Winkler測(cè)定值的差值見(jiàn)圖3，橫坐標(biāo)為Winkler的測(cè)定值，縱坐標(biāo)為傳感器和Winkler法差值(Winkler測(cè)定值-傳感器測(cè)定值)，Winkler法與傳感器測(cè)定差值為-0.44～0.38 mg·L-1，平均差值為0.07 mg·L-1，標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.19 mg·L-1。兩種光學(xué)傳感器測(cè)定值比較接近，差值變化為-0.19～0.12 mg·L-1，平均差值為-0.05 mg·L-1，標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.08 mg·L-1。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，在溶解氧濃度較低時(shí)(<4.00 mg·L-1)，光學(xué)溶解氧傳感器測(cè)定結(jié)果整體略低于Winkler法，這主要是由于低濃度條件下取樣和測(cè)定過(guò)程中極易發(fā)生氣體交換引入氧氣，從而造成測(cè)定結(jié)果的誤差。在溶解氧濃度大于4 mg·L-1時(shí)，光學(xué)溶解氧傳感器與Winkler測(cè)定差值大多集中在-0.25～0.25 mg·L-1。根據(jù)本次研究及以往的文獻(xiàn)報(bào)道，我們推測(cè)Winkler和光學(xué)溶解氧傳感器測(cè)定存在區(qū)別可能是有多種原因造成的，包括采樣測(cè)樣過(guò)程中的引入、試劑空白、其他干擾離子[13-14]等，此外實(shí)驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)攪拌也會(huì)對(duì)測(cè)定值產(chǎn)生影響，需在攪拌停止一段時(shí)間后取樣測(cè)定。

圖2 Winkler法和光學(xué)傳感器測(cè)定值相關(guān)性分析Fig.2 Correlation analysis ofclassical Winkler titration and optical sensors measurements

圖3 Winkler法和光學(xué)傳感器測(cè)定溶解氧差值Fig.3 The differenceof dissolved oxygen measured by classical Winkler titration and optical sensors

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)比不同溫度、不同溶解氧濃度下光學(xué)溶解氧傳感器和Winkler法的測(cè)定值，我們發(fā)現(xiàn)：(1)光學(xué)溶解氧傳感器和Winkler法溶解氧測(cè)定值的相關(guān)性較好，在15 ℃、25 ℃和35 ℃溫度條件下，相關(guān)系數(shù)R均大于0.998。(2)光學(xué)傳感器測(cè)定溶解氧比較穩(wěn)定，不同傳感器之間數(shù)值接近，差值小于0.10 mg/L。(3)低溶解氧(<4.00 mg·L-1)條件下，取樣和測(cè)定過(guò)程中易引入氧氣干擾，因而光學(xué)溶解氧傳感器測(cè)定結(jié)果整體略低于Winkler法；在溶解氧濃度大于4 mg·L-1時(shí)，光學(xué)溶解氧傳感器與Winkler測(cè)定差值大多集中在±0.25 mg·L-1，差別較小。溶解氧在自然水體中的濃度范圍集中在4～10 mg·L-1 [4]，當(dāng)其濃度低于4 mg·L-1時(shí)，魚(yú)類(lèi)將難以生存，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在該濃度范圍內(nèi)，光學(xué)溶解氧傳感器測(cè)定是一種可靠的方法，與Winkler法相比，其測(cè)定速度快、穩(wěn)定性好，可實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)，適用于海洋調(diào)查和海水養(yǎng)殖區(qū)的常規(guī)檢測(cè)，值得推廣。