Inteligentna optička metoda mjerenja rastvorenog kiseonika zasnovana na fluorescentnom mehanizmu gašenja

Fengmei Li, Yaoguang Wei *, Yingyi Chen, Daoliang Li i Xu Zhang
Primljeno: 1. oktobra 2015.;Prihvaćeno: 1. decembra 2015.;Objavljeno: 9. decembra 2015
Akademski urednik: Frances S. Ligler
Fakultet za informacije i elektrotehniku, Kineski poljoprivredni univerzitet, 17 Tsinghua East Road,
Beijing 100083, China; lifm@cau.edu.cn (F.L.); chyingyi@126.com (Y.C.); dliangl@cau.edu.cn (D.L.);
zhangxu_zx888@sina.com (X.Z.)
*Correspondence: weiyaoguang@gmail.com; Tel.: +86-10-6273-6764; Fax: +86-10-6273-7741

sažetak:Otopljeni kisik (DO) je ključni faktor koji utječe na zdrav rast riba u akvakulturi.Sadržaj DO mijenja se s vodenim okolišem i stoga ga treba pratiti na mreži.Međutim, tradicionalne metode mjerenja, kao što su jodometrija i druge metode hemijske analize, nisu prikladne za praćenje na mreži.Clark metoda nije dovoljno stabilna za duže periode praćenja.Za rješavanje ovih problema, ovaj rad predlaže inteligentnu metodu mjerenja DO zasnovanu na mehanizmu gašenja fluorescencije. Mjerni sistem se sastoji od detekcije fluorescentnog gašenja, kondicioniranja signala, inteligentne obrade i modula za napajanje.Optička sonda usvaja mehanizam fluorescentnog gašenja za detekciju sadržaja DO i rješava problem, dok na tradicionalne hemijske metode lako utiče okolina.Optička sonda sadrži termistor i dvostruke izvore pobude za izolaciju vidljive parazitske svjetlosti i izvršavanje strategije kompenzacije.Modul inteligentne obrade usvaja standard IEEE 1451.2 i ostvaruje inteligentnu kompenzaciju.Eksperimentalni rezultati pokazuju da je metoda optičkog mjerenja stabilna, precizna i pogodna za online praćenje DO u primjenama u akvakulturi.

1. Uvod

Otopljeni kisik (DO) odnosi se na molekule kisika otopljene u vodi i neophodan je za održavanje života ljudi i životinja.Kiseonik je važan analit zbog svoje ključne uloge u nauci o životu, biotehnologiji, medicini i industriji akvakulture.Sadržaj DO u vodi je pokazatelj kvaliteta vode, a pažljiva kontrola nivoa kiseonika je važna u procesima samopročišćavanja otpadnih voda [1,2].Kvalitet vode je usko povezan sa zagađivačima prisutnim u vodi, kao što su H2S, NO2, NH4+ i organske materije.Karakteristike otpadnih voda, uključujući boju, hemijsku potrebu za kiseonikom (COD) i biološku potrebu za kiseonikom (BOD), specifično ukazuju na nivo zagađivača u industrijskim otpadnim vodama [3].Istovremeno, DO igra vrlo važnu ulogu u zdravlju i rastu vodenih organizama [4,5].Sadržaj DO manji od 2 mg/L tokom određenog broja sati uzrokuje gušenje i smrt vodenih organizama [6].Za ljude, sadržaj DO u vodi za piće ne bi trebao biti manji od 6 mg/L.Zbog toga je određivanje koncentracije kisika od velike važnosti u industriji akvakulture iu svakodnevnom životu.Međutim, teško je pratiti sadržaj DO sa svim njegovim vanjskim utjecajnim faktorima, kao što su temperatura, pritisak i salinitet.Da bi se dobio tačan sadržaj DO, metoda detekcije bi trebala implementirati inteligentnu kompenzaciju.Generalno, tri metode se mogu koristiti za detekciju sadržaja DO: jodometrijska, elektrohemijska i optička metoda [7,8].

Jodometrijska metoda [9,10] je popularna i precizna metoda detekcije sadržaja DO u vodi.To je pouzdana metoda, ali ima složen proces detekcije i ne može se koristiti za otkrivanje kvaliteta vode na mreži.Ova metoda se uglavnom koristi kao mjerilo u laboratorijskom okruženju (off-line).Elektrohemijska metoda [11–14] koristi elektrode za detekciju struje proizvedene redoks reakcijama na elektrodama.Ova metoda se može klasificirati kao polarografski tip ili tip galvanske ćelije na osnovu principa detekcije.Elektrohemijska metoda ima dugu istoriju u detekciji sadržaja DO;prvu takozvanu Clarkovu polarografsku metodu dizajnirao je Clark iz kompanije YSI 1956. [12].Za razliku od jodometrije, elektrohemijska metoda prati sadržaj DO oksidaciono-redukcionom reakcijom koja se javlja između elektrode i molekula DO i troši kiseonik u procesu detekcije.S obzirom na to da je instrumentalni drift neizbježan uz veliki broj faktora koji su uključeni u određivanje rezultata detekcije, elektrohemijski senzori zahtijevaju redovnu kalibraciju i zamjenu.Optički DO senzori [15,16] su privlačniji od jodometrijskih i elektrohemijskih metoda jer imaju brzo vrijeme odziva, ne troše kisik, imaju mali pomak tokom vremena, imaju sposobnost da izdrže vanjske smetnje i zahtijevaju marginalnu kalibraciju.Princip detekcije optičkih DO senzora zasniva se na fluorescentnom gašenju, uključujući detekciju fluorescentnog vijeka trajanja i detekciju intenziteta fluorescentnog fluora.Detekcija intenziteta se može postići preko fotodiode, za razliku od životnog vijeka, koji bi trebao biti detektovan na osnovu faznog pomaka [17].Ova studija razvija inteligentnu optičku mjernu metodu zasnovanu na mehanizmu gašenja fluorescentnog fluora.

Gore navedene metode imaju neke prednosti i nedostatke zbog kojih su neprikladne za industriju akvakulture u Kini.Prvo, detekcija sadržaja DO je teška za akvariste koji se mora suočiti s brojnim faktorima koji utječu na industriju akvakulture.Poređenje ove tri metode pokazuje da elektrohemijska metoda nije dobar izbor zbog svojih slabih svojstava protiv interferencije.Drugo, sadržaj DO nije konstantan, a nedovoljna koncentracija u prirodnoj vodi dovodi do uginuća riba.Stoga je otkrivanje sadržaja DO u realnom vremenu vrlo važno.Međutim, uzorci vode metodom jodometrije moraju se testirati u laboratoriji, zbog čega ova metoda nije pogodna za praćenje organizama u stvarnoj proizvodnji.

Konačno, tradicionalni optički senzori imaju nekoliko nedostataka, uključujući osjetljivost na promjene vanjske temperature, tlaka i saliniteta i slabljenje izvora svjetlosti i drift zbog degradacije ili ispiranja boje.Utjecaj svih ovih faktora može se smanjiti dodavanjem inteligentnih modula za obradu.Konvencionalni optički DO senzor uveden iz inostranstva je skup i nema visoku tačnost kada se koristi u industriji akvakulture.Stoga je neophodan dizajn i razvoj jeftinog i inteligentnog namenskog optičkog senzora DO. Ova studija predlaže i razvija inteligentnu metodu merenja DO zasnovanu na mehanizmu za gašenje fluorescentnog zračenja.Senzor sadrži četiri modula: detekciju fluorescentnog gašenja, kondicioniranje signala, inteligentnu obradu i module napajanja.Senzor baziran na fluorescentnom gašenju ima nekoliko prednosti: manju potrošnju energije, manju veličinu, veću preciznost i jača svojstva protiv interferencije od jodometrijskih ili elektrohemijskih senzora.

2. Materijali i metode

2.1.Cjelokupni dizajn optičkog senzora otopljenog kisika

S obzirom na prisustvo nestabilnih faktora uticaja, senzor usvaja optičku sondu zasnovanu na gašenju fluorescencije.U poređenju sa tradicionalnim DO senzorom, inteligentni optički DO senzor predložen u ovoj studiji ima poboljšanu strukturu sonde i dodatni modul inteligentne obrade.Ovi parametri kalibracije pohranjeni su u memoriji elektronskog lista podataka sonde (TEDS).Slika 1 pokazuje da su moduli za detekciju fluorescentnog gašenja, kondicioniranje signala, inteligentnu obradu i napajanje uključeni u inteligentni senzor.Modul za detekciju fluorescentnog gašenja sadrži temperaturnu sondu i DO sondu.Temperaturna sonda je odgovorna za prikupljanje signala temperature vode, a DO sonda je odgovorna za prikupljanje DO signala.Originalni ulazni signal može se konvertovati u naponski signal od 0–2,5 V pomoću kola za kondicioniranje signala.Mikrokontroler MSP430, koji je jezgro modula za inteligentnu obradu, povezan je na kola za kondicioniranje signala, TEDS memoriju i serijski interfejs [18].Prikupljeni podaci se spajaju kroz tehnologiju fuzije podataka sa više sondi, a dobijena DO vrijednost se prenosi preko kompatibilnog RS485 interfejsa nakon obrade i analize od strane mikrokontrolera.RS485 interfejs omogućava mikrokontroleru da komunicira sa gornjim računarom.Senzor se napaja putem on-off napajanja, koje također kontrolira mikrokontroler MSP430.

2.2.Dizajn modula za detekciju fluorescentnog gašenja

Šema modula za detekciju fluorescentnog gašenja prikazana je na slici 2. Sonda ima približnu dužinu od 16 cm i prečnik od 4 cm.Kompaktna konfiguracija sonde koristi se za kompatibilnost sa zahtjevima industrije akvakulture.Kao što je ilustrovano na slici 2, DO sonda sadrži dvostruke plave LED diode visoke svjetline, sol-gel fim, staklenu pločicu, crveni optički filter, plavi optički fifilter papir i silicijumsku fotodiodu.Ovaj modul takođe uključuje otpornost od platine za praćenje temperature okoline tokom merenja.Intenzitet fluorescencije i temperatura se obrađuju u softveru za kalibraciju temperature.

Dvostruke plave LED diode visoke svjetline (LA470-02) su modulirane na istoj frekvenciji, tako da se referentna LED dioda može koristiti za kompenzaciju pobudne LED diode jer je gubitak intenziteta svjetlosti plavih LED dioda potpuno isti.Na istoj frekvenciji, fotodioda može smanjiti pozadinsko zračenje zbog ambijentalnog svjetla u mjernom okruženju i izbjeći pobudu bilo kojeg fluorescentnog materijala.Osim toga, intenzitet LED dioda je smanjen na nisku razinu na kojoj je mala vjerovatnoća da će se pojaviti fenomen fotoizbjeljivanja boje [19].Centralna talasna dužina plave ekscitacione LED diode je oko 465 nm, koja je fifiltrirana plavim propusnim fifilter papirom kako bi se zaklonila svetlost drugih talasnih dužina.Eksperimentalni rezultati pokazuju da plavo svjetlo može inducirati osjetljivu membranu da emituje fluorescenciju na 650 nm.Kako bi se smanjio utjecaj parazitske svjetlosti, sonda je opremljena plavim propusnim fifilter papirima (OF1 i OF2) ispred LED dioda i crvenim visokopropusnim fifilterom (OF3) ispred silicijumske fotodiode.Silicijumska fotodioda (OPT 301) se koristi za primanje fluorescencije koja se emituje iz sol-gel filma i plave svetlosti iz referentne LED diode.Plava pobudna LED i plava referentna LED dioda su odvojene na različitim stranama crvenog visokopropusnog fifiltra, što je korisno u odsijecanju parazitske svjetlosti i jamči tačnost detekcije optičkog signala. Fluorescentni senzorski film je najvažniji dio DO senzor i njegove performanse značajno utiču na tačnost, efikasnost i stabilnost senzora.Istraživači su proveli nekoliko studija o indikatorima fluorescencije [20–22] i otkrili da najčešći fluorescentni indikatori sadrže komplekse metalnih porfirina, organske policiklične aromatične ugljovodonike i komplekse prelaznih metala [23].Ru(bpy)3Cl2 je odabran kao indikator fluorescencije u ovoj studiji zbog svog visoko emitivnog stanja prijenosa naboja metala na ligand, dugog vijeka trajanja i jake apsorpcije u plavo-zelenoj regiji spektra, što je kompatibilno sa plava LED dioda velike svjetline [20].Boja je zarobljena u poroznom i hidrofobnom sol-gel filmu koji je približno 0,04 mm.Sol-gel film se postavlja na površinu staklenog tobogana, koja treba da bude providna da bi ekscitacija i luminiscencija prodrli.Film također treba biti u obliku luka i održavati stabilnu veličinu;površina luka je dizajnirana da poveća površinu kontakta i izbjegne površinske mjehuriće.Princip rada senzora je zasnovan na mehanizmu za gašenje fluorescentnog fluora.Proces fluorescentnog gašenja opisan je Stern-Volmerovom jednačinom [24–26].

12 13
1314
15161718192021

Vrijeme objave: Mar-26-2022