张云燕,袁达,吴丙伟,程岩

(齐鲁工业大学(山东省科学院)山东省科学院海洋仪器仪表研究所，山东省海洋监测仪器装备技术重点实验室，国家海洋监测设备工程技术研究中心，山东 青岛 266100)

溶解氧是海洋生态环境监测的重要参数之一，是维持海洋生物生存的必要物质，与多种海洋生物地球化学过程密切相关[1]。水体中溶解氧的微小变化会对海洋环境，尤其是对海洋氮循环和各类氧化还原过程[2]产生重要影响。因此，在海洋监测中对溶解氧的准确测定是十分必要的。

溶解氧的测定方法较多，其中广泛应用的主要有碘量法(Winkler法)、电化学法和光学法等。Winkler法是国际公认的测定水中溶解氧的基准方法[3]，该方法通过化学反应进行检测，测定准确度高，但测样过程较为繁琐、无法实现连续测定。电化学法是基于发生在电极上的氧化还原反应产生的电流来测定，是一种成熟的溶解氧测定方法，测量效率高，能够实现连续和在线实时监测，但仍存在限制条件，例如电极老化、测定过程中存在O2消耗、透气膜需定期更换等[4]。近些年来，基于荧光猝灭原理的光学溶解氧传感器发展迅速，是海洋溶解氧测定的研究热点。该类传感器克服了传统方法的不足，比电化学类传感器有着更好的数据稳定性，可长期用于原位监测、浮标和岸基站等[5-6]。

基于荧光猝灭原理的溶解氧原位监测技术已比较成熟，目前国际上已有多个厂家实现了商品化，并开始广泛应用于海洋调查监测中。由于海水环境较为复杂，该类传感器在监测过程中仍存在一些不足，传感器膜易受光分解及生物附着[7]的影响，产生数据漂移，从而影响测定结果的准确度。随着该类传感器应用越来越广泛，系统的准确度和可靠性测试显得尤为重要，目前国内相关的报道较少。本研究依托实验室搭建的溶解氧对比装置，以Winkler法为基准，对比了目前海洋调查领域常用的光学溶解氧传感器Aanderaa 4531和In-Situ RDO PRO，系统探究了不同温度和溶解氧浓度下光学溶解氧传感器和Winkler法的差别，旨在提供一种通用的溶解氧比对测试方法，用以验证光学溶解氧传感器的测量准确度与精度，同时可为溶解氧的现场监测及数据校正提供参考依据。

1 实验部分

1.1 测定原理

Winkler法是国家标准中溶解氧测定的仲裁方法，其测定原理[8]为：溶解氧同MnCl2和NaOH反应，生成四价锰沉淀。酸性条件下，四价锰与游离的I-反应生成与溶解氧含量相当的I2，通过硫代硫酸钠滴定I2,可换算得出溶解氧含量。反应方程式如下：

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-。

光学溶解氧传感器测定的基本原理是基于氧原子对多环芳烃络合物的荧光猝灭理论，氧气是很多荧光敏感物质的良性猝灭剂，其浓度与荧光指示剂的本征参数(如强度、相位等)满足Stern-Volmer方程[9]。当氧传感膜上的荧光物质被照射时，光敏物质被激发到激发态后会以发射荧光的形式返回基态，氧气的存在会干扰荧光的发射，且氧气浓度越高，荧光强度越小，寿命越短，荧光猝灭越快。光学溶解氧传感器依据此原理来测定溶解氧含量，由于荧光强度在水体中容易受杂散光干扰，因而大多仪器采用荧光寿命来检测[10]，本实验中使用的两种光学传感器均依据荧光寿命原理通过检测相位变化来确定氧气含量。

1.2 实验方法

1.2.1 实验装置

本研究搭建的实验装置如图1所示，温度是光学溶解氧传感器的重要影响因素，因而整个实验在恒温水浴中进行，恒温水浴通过低温恒温槽进行控温。密闭有机玻璃桶根据低温恒温槽大小进行定制，其内径为130 mm，高为400 mm，体积约为5 L。通过氧气瓶和氮气瓶的不同混入比例来控制溶解氧的含量，为了保证溶解氧可以在水体中快速混合均匀，在下方加入循环泵。两个传感器放置测试桶中，并与桶壁保持合适距离；在传感器测试的同时，采用乳胶管采集水样，使用Winkler法进行滴定；为保证取样的一致性，两个传感器窗口和取样点位于同一高度。

1 恒温水浴；2 密闭有机玻璃桶；3 Aanderaa 4531；4 In-Situ RDO PRO；5 气体出口；6 循环泵；7 取样瓶；8 气瓶图1 实验装置图Fig.1 Experimental device

1.2.2 精密度测试

在对比实验开始之前，首先对Winkler法和光学溶解氧传感器测定溶解氧进行精密度测试，即25 ℃条件下，采用青岛近岸海水作为实验水体，稳定后采用光学溶解氧传感器测定5次，并取5个平行样进行Winkler法滴定。

1.2.3 Winkler法和光学溶解氧传感器测定溶解氧对比实验

选取青岛近岸海水作为实验水体(盐度为30.5)，设定温度为15 ℃，25 ℃和35 ℃，调节溶解氧的浓度范围为0～110%，浓度每变化10%左右取一次样，每个温度条件下取至少10组溶解氧样品，稳定后分别记录仪器测量值和Winkler法滴定值，同一溶解氧水样分别采用光学溶解氧传感器和Winkler法进行3次测定。光学溶解氧传感器均带有温度探头，其精度可达0.01 ℃，因而温度值直接由仪器给出。Winkler法的取样和测定流程参照GB 17378.4—2007《海洋监测规范》第4部分[11]。

2 结果与讨论

2.1 Winkler法和光学溶解氧传感器测定溶解氧稳定性分析

采用Winkler法和光学溶解氧传感器对青岛近岸海水进行测试，结果见表1。通过Winkler法测定的平均值为6.74±0.05 mg·L-1，通过Aanderaa和In-Situ传感器测定结果的平均值分别为6.71±0.02 mg·L-1和6.69±0.01 mg·L-1。结果表明，两种方法测定结果比较接近，差别小于0.10 mg·L-1。与Winkler法相比，光学溶解氧传感器测定结果更加稳定，重复性较好，这主要是由于避免了采样和测定过程中的误差引入[12]。

表1 Winkler法和光学溶解氧传感器测定溶解氧精密度结果

2.2 Winkler法和光学溶解氧传感器对比结果及分析

在15 ℃、25 ℃和35 ℃条件下，Winkler法和光学溶解氧传感器的海水测定结果如表2所示，溶解氧的浓度范围为0.00～9.00 mg·L-1，饱和度范围为0～110%，Aanderaa和In-Situ传感器测定值为样品稳定后连续取三次(间隔时间为10 s)的平均值，Winkler测定值为三次平行样测定均值。15 ℃时，不同溶解氧浓度下Winkler法和 Aanderaa传感器测定差值为-0.42～0.38 mg·L-1，平均差值为0.01 mg·L-1，标准偏差为0.24 mg·L-1；Winkler法和 In-Situ传感器测定差值为-0.44～0.29 mg·L-1，平均差值为0.05 mg·L-1，标准偏差为0.25 mg·L-1。25 ℃时，不同溶解氧浓度下Winkler法与Aanderaa和In-Situ传感器测定差值分别为-0.08～0.25 mg·L-1和-0.11～0.27 mg·L-1，平均差值分别为0.10和0.06 mg·L-1，标准偏差分别为0.13和0.12 mg·L-1。35 ℃时，Winkler法与 Aanderaa和In-Situ传感器测定差值分别为-0.11～0.34 mg·L-1和-0.12～0.34 mg·L-1，平均差值分别为0.15和0.13 mg·L-1，标准偏差分都是0.16 mg·L-1。在25 ℃差值及波动均较小，35 ℃次之，15 ℃差别最大。

表2 Winkler法和光学溶解氧传感器测定溶解氧结果

图2为Aanderaa和In-Situ传感器与Winkler测定值的关系图。实验结果表明，光学溶解氧传感器测定结果与Winkler法的相关性较好，在15 ℃、25 ℃和35 ℃温度条件下，相关系数R均大于0.998。传感器测定值与Winkler测定值的差值见图3，横坐标为Winkler的测定值，纵坐标为传感器和Winkler法差值(Winkler测定值-传感器测定值)，Winkler法与传感器测定差值为-0.44～0.38 mg·L-1，平均差值为0.07 mg·L-1，标准偏差为0.19 mg·L-1。两种光学传感器测定值比较接近，差值变化为-0.19～0.12 mg·L-1，平均差值为-0.05 mg·L-1，标准偏差为0.08 mg·L-1。从图中可以发现，在溶解氧浓度较低时(<4.00 mg·L-1)，光学溶解氧传感器测定结果整体略低于Winkler法，这主要是由于低浓度条件下取样和测定过程中极易发生气体交换引入氧气，从而造成测定结果的误差。在溶解氧浓度大于4 mg·L-1时，光学溶解氧传感器与Winkler测定差值大多集中在-0.25～0.25 mg·L-1。根据本次研究及以往的文献报道，我们推测Winkler和光学溶解氧传感器测定存在区别可能是有多种原因造成的，包括采样测样过程中的引入、试剂空白、其他干扰离子[13-14]等，此外实验过程中发现搅拌也会对测定值产生影响，需在搅拌停止一段时间后取样测定。

图2 Winkler法和光学传感器测定值相关性分析Fig.2 Correlation analysis ofclassical Winkler titration and optical sensors measurements

图3 Winkler法和光学传感器测定溶解氧差值Fig.3 The differenceof dissolved oxygen measured by classical Winkler titration and optical sensors

3 结论

通过对比不同温度、不同溶解氧浓度下光学溶解氧传感器和Winkler法的测定值，我们发现：(1)光学溶解氧传感器和Winkler法溶解氧测定值的相关性较好，在15 ℃、25 ℃和35 ℃温度条件下，相关系数R均大于0.998。(2)光学传感器测定溶解氧比较稳定，不同传感器之间数值接近，差值小于0.10 mg/L。(3)低溶解氧(<4.00 mg·L-1)条件下，取样和测定过程中易引入氧气干扰，因而光学溶解氧传感器测定结果整体略低于Winkler法；在溶解氧浓度大于4 mg·L-1时，光学溶解氧传感器与Winkler测定差值大多集中在±0.25 mg·L-1，差别较小。溶解氧在自然水体中的浓度范围集中在4～10 mg·L-1 [4]，当其浓度低于4 mg·L-1时，鱼类将难以生存，实验结果表明，在该浓度范围内，光学溶解氧传感器测定是一种可靠的方法，与Winkler法相比，其测定速度快、稳定性好，可实现在线监测，适用于海洋调查和海水养殖区的常规检测，值得推广。