Un método de medición óptico intelixente de osíxeno disolto baseado nun mecanismo de extinción fluorescente

Fengmei Li, Yaoguang Wei *, Yingyi Chen, Daoliang Li e Xu Zhang
Recibido: 1 de outubro de 2015;Aceptado: 1 de decembro de 2015;Publicado: 9 de decembro de 2015
Editora Académica: Frances S. Ligler
Facultade de Información e Enxeñaría Eléctrica, China Agricultural University, 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

Resumo:O osíxeno disolto (OD) é un factor clave que infllúe no crecemento saudable dos peixes na acuicultura.O contido de DO cambia co medio acuático e, polo tanto, debe ser supervisado en liña.Non obstante, os métodos de medición tradicionais, como a iodometría e outros métodos de análise química, non son axeitados para o seguimento en liña.O método Clark non é o suficientemente estable para períodos prolongados de seguimento.Para resolver estes problemas, este artigo propón un método intelixente de medición do DO baseado no mecanismo de extinción da fluorescencia. O sistema de medida está composto por módulos de detección de extinción fluorescente, acondicionamento de sinal, procesamento intelixente e fonte de alimentación.A sonda óptica adopta o mecanismo de extinción fluorescente para detectar o contido de OD e resolve o problema, mentres que os métodos químicos tradicionais son facilmente influenciados polo medio ambiente.A sonda óptica contén un termistor e fontes de dobre excitación para illar a luz parasitaria visible e executar unha estratexia de compensación.O módulo de procesamento intelixente adopta o estándar IEEE 1451.2 e realiza unha compensación intelixente.Os resultados experimentais mostran que o método de medición óptica é estable, preciso e axeitado para o seguimento en liña do DO en aplicacións de acuicultura.

1. Introdución

O osíxeno disolto (DO) refírese ás moléculas de osíxeno disoltas na auga e é esencial para manter a vida humana e animal.O osíxeno é un analito importante polo seu papel clave nas industrias das ciencias da vida, a biotecnoloxía, a medicina e a acuicultura.O contido de DO na auga é unha indicación da calidade da auga, e un control coidadoso dos niveis de osíxeno é importante nos procesos de autodepuración das augas residuais [1,2].A calidade da auga está moi relacionada cos contaminantes presentes na auga, como H2S, NO2, NH4+ e materia orgánica.As características das augas residuais, incluíndo a cor, a demanda química de osíxeno (DQO) e a demanda biolóxica de osíxeno (DBO), indican especificamente o nivel de contaminantes nas augas residuais industriais [3].Ao mesmo tempo, o DO xoga un papel moi importante na saúde e no crecemento dos organismos acuáticos [4,5].Un contido de DO inferior a 2 mg/L durante un determinado número de horas provoca a asfixia e a morte dos organismos acuáticos [6].Para os humanos, o contido en OD da auga potable non debe ser inferior a 6 mg/L.En consecuencia, a determinación das concentracións de osíxeno é de gran importancia na industria acuícola e na vida cotiá.Non obstante, é difícil controlar o contido de OD con todos os seus factores externos que inflúen, como a temperatura, a presión e a salinidade.Para obter un contido de DO preciso, o método de detección debe implementar unha compensación intelixente.En xeral, pódense utilizar tres métodos para detectar o contido de OD: métodos iodométricos, electroquímicos e ópticos [7,8].

O método iodométrico [9,10] é un método popular e preciso para detectar o contido de DO na auga.É un método fifiducial pero ten un proceso de detección complexo e non se pode usar para detectar a calidade da auga en liña.Este método utilízase principalmente como punto de referencia no entorno do laboratorio (off-line).O método electroquímico [11-14] usa electrodos para detectar a corrente producida polas reaccións redox nos electrodos.Este método pódese clasificar como tipo polarográfico ou tipo de célula galvánica segundo o principio de detección.O método electroquímico ten unha longa historia na detección do contido de DO;o primeiro método polarográfico de Clark foi deseñado por Clark da compañía YSI en 1956 [12].En contraste coa iodometría, o método electroquímico controla o contido de DO mediante a reacción de oxidación-redución que se produce entre o electrodo e as moléculas de DO e consume osíxeno no proceso de detección.Dado que a deriva instrumental é inevitable coa gran cantidade de factores que interveñen na determinación do resultado da detección, os sensores electroquímicos requiren calibración e substitución regulares.Os sensores ópticos de DO [15,16] son ​​máis atractivos que os métodos de iodometría e electroquímicos porque teñen un tempo de resposta rápido, non consumen osíxeno, teñen unha pequena deriva no tempo, teñen a capacidade de soportar perturbacións externas e requiren unha calibración marxinal.O principio de detección dos sensores ópticos de DO está baseado na extinción fluorescente, incluíndo a detección de vida fluorescente e a detección de intensidade fluorescente.A detección de intensidade pódese conseguir a través do fotodiodo, a diferenza do tempo de vida, que debería detectarse en función do cambio de fase [17].Este estudo desenvolve un método de medición óptica intelixente baseado no mecanismo de extinción fluorescente.

Os métodos mencionados anteriormente teñen algunhas vantaxes e desvantaxes que os fan inadecuados para a industria acuícola en China.En primeiro lugar, a detección do contido de DO é difícil para o acuarista que debe tratar con numerosos factores que infllúen na industria acuícola.Unha comparación dos tres métodos mostra que o método electroquímico non é unha boa opción debido ás súas débiles propiedades antiinterferencias.En segundo lugar, o contido de DO non é constante e unha concentración insuficiente na auga natural leva á morte dos peixes.Así, detectar contido DO en tempo real é moi importante.Non obstante, as mostras de auga do método de iodometría deben ser probadas no laboratorio, polo que este método é inadecuado para controlar organismos en produción real por este motivo.

Finalmente, os sensores ópticos tradicionais teñen varias desvantaxes, incluíndo a susceptibilidade aos cambios de temperatura externa, presión e salinidade e a atenuación da fonte de luz e deriva debido á degradación ou lixiviación do colorante.A influencia de todos estes factores pódese diminuír engadindo módulos de procesamento intelixente.O sensor óptico convencional de DO introducido dende o estranxeiro é caro e non ten gran precisión cando se usa na industria acuícola.Así, é necesario deseñar e desenvolver un sensor de DO óptico dedicado barato e intelixente. Este estudo propón e desenvolve un método intelixente de medición de DO baseado no mecanismo de extinción fluorescente.O sensor contén catro módulos: detección de extinción fluorescente, acondicionamento de sinal, procesamento intelixente e módulos de alimentación.O sensor baseado no enfriamento fluorescente ten varios aspectos vantaxosos: menor consumo de enerxía, menor tamaño, maior precisión e propiedades antiinterferencias máis fortes que os sensores de iodometría ou electroquímicos.

2. Materiais e Métodos

2.1.O deseño xeral do sensor óptico de osíxeno disolto

Dada a presenza de factores de influencia inestables, o sensor adopta unha sonda óptica baseada na extinción da fluorescencia.En comparación co sensor de DO tradicional, o sensor de DO óptico intelixente proposto neste estudo ten unha estrutura de sonda mellorada e un módulo de procesamento intelixente adicional.Estes parámetros de calibración almacénanse na memoria da folla de datos electrónica do transductor (TEDS).A figura 1 mostra que os módulos de detección de extinción fluorescente, acondicionamento de sinal, procesamento intelixente e fonte de alimentación están incluídos no sensor intelixente.O módulo de detección de extinción fluorescente contén unha sonda de temperatura e unha sonda de DO.A sonda de temperatura encárgase de recoller os sinais de temperatura da auga e a sonda de DO encárgase de recoller os sinais de DO.O sinal de entrada orixinal pódese converter nun sinal de tensión de 0–2,5 V polos circuítos de acondicionamento do sinal.O microcontrolador MSP430, que é o núcleo do módulo de procesamento intelixente, está conectado aos circuítos de acondicionamento do sinal, á memoria TEDS e á interface serie [18].Os datos recollidos fúndense a través da tecnoloxía de fusión de datos de varias sondas e o valor DO obtido transfírese a través da interface RS485 compatible despois de ser procesado e analizado polo microcontrolador.A interface RS485 permite que o microcontrolador se comunique co PC superior.O sensor está alimentado por unha fonte de alimentación on-off, que tamén está controlada polo microcontrolador MSP430.

2.2.Deseño do módulo de detección de extinción fluorescente

O esquema do módulo de detección de extinción fluorescente móstrase na figura 2. A sonda ten unha lonxitude aproximada de 16 cm e un diámetro de 4 cm.A configuración de sonda compacta utilízase para a compatibilidade cos requisitos da industria acuícola.Como se ilustra na Figura 2, a sonda DO contén LEDs azuis de alto brillo dobre, fifilm sol-gel, portaobjetos de vidro, fifiltro óptico vermello, papel de filtro óptico azul e fotodiodo de silicio.Este módulo tamén inclúe unha resistencia de platino para controlar a temperatura ambiente durante as medicións.A intensidade fluorescente e a temperatura son procesadas no software para a calibración da temperatura.

Os LEDs azuis dobres de alto brillo (LA470-02) están modulados á mesma frecuencia, polo que o LED de referencia pode usarse para compensar o LED de excitación porque a perda de intensidade da luz dos LED azuis é exactamente a mesma.Á mesma frecuencia, o fotodiodo pode reducir a radiación de fondo debido á luz ambiental no ambiente de medición e evitar a excitación de calquera material fluorescente.Ademais, a intensidade dos LED redúcese a un nivel baixo no que o fenómeno de fotoblanqueamento do colorante ten unha pequena probabilidade de ocorrer [19].A lonxitude de onda central do LED de excitación azul é duns 465 nm, que é filtrada por un papel de filtro de paso de banda azul para eliminar a luz doutras lonxitudes de onda.Os resultados experimentais mostran que a luz azul pode inducir á membrana sensible a emitir fluorescencia a 650 nm.Para reducir a influencia da luz parasitaria, a sonda está equipada con papeis de filtro de paso de banda azuis (OF1 e OF2) diante dos LED e un filtro de paso alto vermello (OF3) diante do fotodiodo de silicio.Utilízase un fotodiodo de silicio (OPT 301) para recibir a fluorescencia emitida polo fifilm sol-xel e a luz azul do LED de referencia.O LED de excitación azul e o LED de referencia azul están separados en diferentes lados do filtro de paso alto vermello, o que é beneficioso para cortar a luz parasitaria e garantir a precisión da detección do sinal óptico. O fifilm de detección fluorescente é a parte máis importante do O sensor de OD e o seu rendemento infllúe significativamente na precisión, a eficiencia e a estabilidade do sensor.Os investigadores realizaron varios estudos sobre indicadores de fluorescencia [20-22] e descubriron que os indicadores fluorescentes máis comúns conteñen complexos de porfirina metálica, hidrocarburos aromáticos policíclicos orgánicos e complexos de metais de transición [23].O Ru(bpy)3Cl2 foi elixido como indicador de fluorescencia neste estudo debido ao seu estado de transferencia de carga de metal a ligando altamente emisivo, a súa longa vida útil e a forte absorción na rexión azul-verde do espectro, que é compatible con o LED azul de alto brillo [20].O colorante está atrapado nun fifilm sol-xel poroso e hidrófobo de aproximadamente 0,04 mm.O fifilm sol-xel está montado na superficie da lámina de vidro, que debe ser transparente para que a excitación e a luminiscencia penetren.O fifilm tamén debe ter forma de arco e manter un tamaño estable;a superficie do arco está deseñada para aumentar a área de contacto e evitar a burbulla superficial.O principio de funcionamento do sensor baséase no mecanismo de extinción fluorescente.O proceso de extinción fluorescente descríbese mediante a ecuación de Stern-Volmer [24-26].

12 13
1314
15161718192021

Hora de publicación: 26-mar-2022