Фазовый флюорометрический датчик растворенного кислорода

К. МакДона, К. Коул

Перевод с английского: Мощенский А.Ю.

Источник:http://www.osl.dcu.ie/pdf-files/phase_fluorometric_dissolved_oxygen_sensor.pdf

1.      Введение

Определения концентрации кислорода необходимо во многих областях промышленности, медицины и охраны окружающей среды. Количество растворенного в воде кислорода является показателем качества воды, а тщательный контроль уровня кислорода играет важную роль в очистке сточных вод и в процессах брожения. Оптические датчики  растворенного кислорода (РК) [1] являются более приемлемыми в использовании, чем обычные амперометрические устройства, так как они имеют малое время отклика, не потребляют кислород и являются трудно отравляемыми. Принцип действия таких датчиков , как правило, основан на подавлении флуоресценции в присутствии кислорода. В этой работе был выбран  люминесцентный комплекс рутения, из-за его высокой эмиссионной зарядопередачи металл-лиганды, длительного срока службы, и высокой поглощающей способности в сине-зеленой области спектра, которая совместима с высокой яркостью синих светоизлучающих диодов. Краситель захватывается порами гидрофобной золь-гель пленки.

Процесс тушения кислородом описывается уравнениями Стерна-Фольмера:

, где I и τ, соответственно, интенсивность флуоресценции и время жизни возбужденного состояния флуорофора, индекс 0 обозначает отсутствие кислорода, K_SV – константа  Стерна-Фольмера, k – диффузионно-зависимая бимолекулярная постоянная подавления, и Р(О₂)-- парциальное давление кислорода.

Множество публикаций [2- 4] содержит описание оптических датчиков кислорода, которые основаны на интенсивности подавления флуоресценции. В настоящее время установлено, что эти датчики имеют множество недостатков. К ним относятся восприимчивость к источнику света и детектору движения, к изменениям в оптическом пути, к перемещению красителя, к деградации или выщелачиванию красителя. Эти эффекты могут быть сведены к минимуму ориентированием датчика во временной области, вместо области интенсивности [5,6]. Время жизни, τ, является внутренним свойством флуорофора, которое, в отличие от интенсивности, практически не зависит от внешних возмущений. Время жизни  подавляется (уменьшается) в присутствии кислорода, и это описано в ур.(2). В РК датчиках, о которых сообщается в данной статье, время жизни контролируется как функция от концентрации кислорода с использованием техники фазовой флуорометрии [7,8], где кислородочувствительная разность фаз измеряется между модулируемым флуоресцентным сигналом и эталонным.

Цель этой работы заключается в создании пробного оптического РК сенсор на основе фазового флуорометрического принципа. В данной работе основное применение такой датчик находит в очистке сточных вод. Параметры включают диапазон измерения от 0 - 15 ‰, стабильность  0,1 ‰ в неделю, предел обнаружения (ПРК) <10 ‰ единоточную калибровку. В данной работе  представлены детали оптоэлектронных конструкций датчика, а также чертежи фазоизмерительной электроники. Эффективность работы датчиков определяется указанными параметрами, а также процедурой калибровки. Наконец, преимущества системы по отношению к использующей интенсивность выделены.

2.      Изготовление пленки и прочих инструментов.

2.1 Изготовление пленки.

Силикатный золь был приготовлен с водой: начальное молярное отношение (R) 4 и рН = 1, как описывалось  ранее [4]. Органически измененным прекурсором стал метилтриоксисилан (MTEOS). Круглые области диаметром ≈1 см были нанесены на центр диска из ПММА (см. раздел 5).

Пленка была выдержана при температуре в 70°С в течение 24 ч. Черная силиконовая прорезиненная пленка (Wacker, Elastosil N189) послужила покрытием для всей поверхности диска для оптической изоляции пленки  датчика от влияния окружающей среды.

2.2.  Измерительные приборы.

Отклик сенсора измерялся путем погружения датчика в резервуар, куда подавались смеси кислорода и азота, контролируемые датчиками массы потока (блок инструментов, UFC1 100A). Для калибровки температуры резервуар был погружен в ванну с постоянной температурой (Lauda, RE104).

3.       Фазовая флуорометрия.

3.1. Принципы фазовой флуорометрии.

Время флуоресцирования индикатора является его внутренним свойством и практически не зависит от колебаний интенсивности света, чувствительности детектора и светочувствительности оптической системы [7]. В этой лаборатории предыдущие конструкции оптических датчиков [3,4] были основаны на интенсивности подавления, как видно из ур. (1). Хотя эти датчики обладают очень хорошим отношением"сигнал/помеха" (ОСП) и повторяемым откликом, они страдают от колебаний светодиодной аппаратуры и они восприимчивы к положению пленки датчика. Существует также возможность искажения отклика в связи с выщелачиванием красителя и фотообесцвечивания. Большинство из этих проблем могут быть преодолены с помощью фазового флюорометрического подхода, который включает в себя операции во временной области по формуле (2), а не в области интенсивности. Если сигнал возбуждения изменяется синусоидально, то  окраска флуоресцента также изменяется, но время задержки или сдвиг фаз меняются относительно сигнала возбуждения. Зависимость между временем, τ, и соответствующим сдвигом фаз, j, для одного экспоненциального распада [7]:

где f - частота модуляции. Этот фазовый сдвиг показан на рис. 1.

Рис. 1. Принцип действия фазовой флуорометрический техники.

Недостатком фазовой флуорометрии является то, что ОСП уменьшается с увеличением частоты модуляции, а так как фазовая чувствительность увеличивается с частотой модуляцией [9], должна быть назначена оптимальная частота. Этот вопрос будет обсуждаться наряду с электронным измерением фазы в разделе 5.

4.      Обзор конструктивных решений датчика.

Схема конструкции зонда показана на рис. 2. Зонд  компактной конфигурации был использован как наиболее  совместимый с требованиями (мониторинг  сточных вод). Зонд около 15 см в длину с диаметром 4 см. Помимо оптоэлектронной и сенсорной пленок, в зонд также встроен компактный усилитель.

Источником возбуждения является синий светодиод (Nichia, NSPE590) и он выбран [10] благодаря его относительно стабильным температурным характеристикам, которые совпадают с необходимыми (см. ниже). Детектор – кремниевый фотодиод (Hamamatsu, S1223), который также демонстрирует хорошую стабильность температуры. Модулируемый свет синего светодиода фильтруется с использованием синего стекла полосового фильтра (OF1: Schott, BG12) толщиной 2 мм, в целях устранения волн большой длины из спектра излучения диода. Сдвиг фаз флуоресценции от пленки датчика падает на фотодиод после прохождения оптического фильтра (OF3: LEE-гель фильтр 135), чтобы отделить свет возбуждения от излучения.

Рис. 2. Схема зонда датчика.

Из рис. 2 видно, что гидрофобная золь-гель чувствительная пленка, ранее оптимизированная для применения при РК зондировании [4], нанесена на диск ПММА, который имеет наклонные края. Угол подобран так, чтобы оптимизировать полное внутреннее отражение света на чувствительную пленку. ПММА был выбран в качестве субстрата для чувствительной пленки из-за легкости обработки и с целью, в конечном счете, спроектировать изготовляемый литьем под давлением наконечник датчика для облегчения массового производства.

Золь-гелевый чувствительный слой датчика покрыт непрозрачной черной силиконовой прорезиненной пленкой, толщина которой есть компромисс между достижением полной непрозрачности и минимальным влиянием на время реакции датчика. Это является эффективной оптической изоляцией слоя, которая сокращает фоновые излучения из окружающей среды в, а также позволяет избежать каких-либо внешних флуоресцентных воздействий. Второй светодиод (Hewlett Packard, HLMA-KL00) является частью внутренней двойной эталонной схемы. Этот эталонный диод излучает волны в диапазоне 590 нм, которые фильтруются полосовым фильтром (OF3: Schott, BG39). Этот индикатор находится в том же спектральном диапазоне, что и флуоресцентный (610 нм), и был тщательно отобран [10] в соответствии с голубым светодиодом возбуждения по времени переключения и температурным характеристикам. Ложные скачки фаз, зависящие от температуры и других флуктуаций, устраняются  этой двойной ссылкой, которая обсуждаются в разделе 5. Термистор вставляется в металлический блок, прилегающий к диску датчика в целях мониторинга измерения температуры.

5.       Измерительная электроника. Сбор данных.

Блок-схема системы измерения фазы показана на рис. 3. Каждый светодиод модулирует частоту в 20 кГц. Как уже упоминалось в разделе 3, эта частота была тщательно оптимизирована как компромисс между ОСП на высокой частоте модуляции и пониженной чувствительности фазы при более низких частотах [10]. Дополнительным фактором в этой конструкции является компромисс интенсивности, которая сводится к уровню, на котором фотообесцвечивание красителя является незначительным. Сигнал флуоресценции, модулируемый преобразуется через трансимпедансные усилители (TR IMP) в сигнал напряжения. Он усиливается при полосовой фильтрации (AMP) с целью устранения постоянной составляющей и высших гармоник сигнала. Специфический разделитель схемы (СРС) используется для предотвращения насыщения операционных усилителей и перегрузки компаратора (КОМП). Сдвинутые по фазе TTL-сигналы продуцируются   компаратором, и подаются вместе с сигналом возбуждения эталона в схему, исключающую ИЛИ (СИИ). Выходной сигнал затем фильтруется фильтром низких частот (ФНЧ) под напряжением, пропорциональным измерению фазового сдвига.

Как уже говорилось в разделе 4, электроника датчика предназначена для устранения ошибок из-за электроники и связанным с нею поведением температуры. Это достигается использованием двойной светодиодной системы ссылок. Как видно из рис. 3, возбуждение с LED1 и эталона LED2 поочередно переключается в целях определения разности фаз, j_раз, только из-за электроники. Этот фазовый сдвиг вычитается в режиме реального времени из кислородно-зависимого фазового сдвига, j_сиг, для получения определенного выхода фазы датчика

Рис. 3. Схема фазо-измерительной электроники.

Большая часть схемы, показанной на рис. 3 устанавливается отдельно от головки датчика. Это устройство включает в себя датчик давления для контроля давления окружающей среды во время измерения. На начальном этапе усилитель установлен в головке датчика (рис. 2) с целью минимизации шума в системе. Сбор данных и анализ осуществляется с помощью ПК и A/D интерфейс карты. Фазовый сдвиг, (j_сиг-j_раз) записывается вместе с температурой и давлением окружающей среды и обрабатывается программным обеспечением, чтобы рассчитать температуру и скорректированные давлением калибровочные кривые, как описано в следующем разделе.

6.       Эффективность работы датчиков и протокол калибровки.

6.1 Кислородная реакция.

Как уже говорилось в разделе 3, частота модуляции 20 кГц была выбрана в качестве компромисса между чувствительностью кислорода и ОСП в фазовой флюорометрической системе. Типичная кривая реакции датчика, j, в зависимости от парциального давления кислорода, показана на рис. 4. Эта реакция была измерена при концентрациях  кислорода в диапазоне 0-100% при фиксированной температуре 20°C. По отображенным данным видно, что ОСП и отклик достаточно приемлемы . Повторяемость отклика для отдельной пленки датчика показано на рис. 5. Здесь реакция пленки за период  3 месяцев выражается участком уравнения Штерна-Фольмера (2). Перекрывающиеся данные показывают степень стабильности отклика. Как и на рис. 4, эти данные были получены при 20°C.

6.2.  Коррекция температуры.

Есть целый ряд факторов, влияющих на температурную зависимость реакции отклика датчика кислорода. Как уже говорилось в разделе 5, любая зависимость электроники для измерения фазы была по возможности исключена  двойной светодиодной системой, вытекающей в  чрезвычайно низкий исходный уровень температурного коэффициента:  0,00087 градусов фазы на градус Цельсия. Остальное факторы температурной зависимости – флуоресцентность  рутения и коэффициент диффузии кислорода в пленке [11].

Рис. 4. Типичные фазы отклика кислородного датчика.

Рис. 5. Наложение кривых Стерна-Фольмера на данные измерения параметров пленки за 3хмесячный период.

 Эти температурные эффекты характеризуются величиной изменения отклика датчика в зависимости от температуры. Отклик был в диапазоне 5- 30°C с шагом 2°. Данные представлены как 3-D участок на рис. 6. Эти данные обрабатываться, как описано в следующем разделе, в целях стимулирования температуры с коррекцией функции калибровки.

6.3.  Протокол калибровки

Кривые отклика, как на рис. 4, анализируются для получения среднего значения фазы для каждой концентрации кислорода. Процедура кубических сплайнов  используется, чтобы подогнать угол сдвига фаз по отношению к парциальному давлению кислорода для каждой температуры. Это используется для создания численного квази-непрерывного множества j данных для непрерывного диапазона концентрации кислорода и температуры, которые хранятся в программном обеспечении.

Неизвестная концентрация кислорода измеряется в поле путем ввода измеренных значений фазы, что приводит к генерации соответствующей температуры. Это установлено так же как и ранее, и в результате получили концентрации кислорода соответствующие измерениям температуры. Программное обеспечение также позволяет регулировать калибровочную кривую для корректировки давления окружающей среды на момент измерения (если оно отличается от давления в момент калибровки).

6.4.  Предел обнаружения и продолжительность стабильности.

ОСП  ≈750 было измерено экспериментально. Это приводит к очень низкому уровню детализации. Детализация и разрешение датчика проводились условиях троекратного отклонения уровня шума, в то время как отклонение составляло 30 раз. Из-за нелинейности фазово-кислородного отклика, видимой на нелинейном участке функции Стерна-Фольмера (рис. 5), разрешение зависит от концентрации кислорода. Степень детализации должна была быть 6,6 ‰ или 0,15 гПа, а разрешение на 9 ‰ концентрации кислорода была измерена в 15‰ или 0,34 гПа. Эта степень детализации хорошо сочетается с требованиями очистки сточных вод (<10‰).

Долгосрочные исследования устойчивости были проведены на ряде чувствительных пленок, одна из которых работала в непрерывном режиме в течение 12 месяцев. Реакция пленок выглядит стабильной в пределах погрешности системы испытательной лаборатории. По крайней мере, датчик отвечает указанным требованиям устойчивости (0,1 ‰ в неделю). Сама пленка является прочной и выдерживает экстремальные условия очистки сточных вод заводов.

Рис. 6. ФЧХ в диапазоне 0 -100% кислорода, измеренная в диапазоне температур 5-30°C.

7.       Заключение

Литература