1.5沉積物-海水界面附近模擬觀(guān)測實(shí)驗

采用石英玻璃制作了長(cháng)15 cm寬15 cm高15 cm的觀(guān)測實(shí)驗水槽，將所制備的平面傳感膜用透明膠粘到石英觀(guān)測窗口上。

實(shí)驗所用的海水與沉積物均取自青島石老人海水浴場(chǎng)潮間帶區域。利用柱狀管采集沉積物以保持原有的沉積物層序，把采集的沉積物從柱狀管置入觀(guān)測槽內，沉積物深度約為5 cm，然后將同一區域采集的海水緩慢加入，深度為約為8 cm，靜置24 h，在這期間一直利用加氧泵向海水中供氧，以保證水體中維持充足的氧。24 h后，將青島市鄰近海域捕撈的海蜇用海水洗凈表面沙粒，切割成1 kg(濕重)的塊體(均包含傘部和觸手部分，兩者比約為4∶1)，把切割的海蜇置入觀(guān)測槽中。在模擬實(shí)驗過(guò)程中，為模擬自然界的海洋環(huán)境，采用一個(gè)蠕動(dòng)泵抽取海水，用另一個(gè)蠕動(dòng)泵將新鮮海水灌入觀(guān)測池中。在整個(gè)式樣過(guò)程中，除觀(guān)測面外，其余4個(gè)面均用黑紙包住，降低外界光的干擾影像。

放進(jìn)海蜇的第一天每隔2 h采集1次，共計8次；第2天每隔12 h采集1次，共計2次；第3天，每隔12 h采集1次，共計2次；在余下日子里，每隔24 h采集1次，共計15次。在實(shí)驗過(guò)程中，室內溫度一直控制在25℃。

每次觀(guān)測，均采集6幀圖像并存入計算機硬盤(pán)中，用于圖像的后續處理?；贛atlab工具開(kāi)發(fā)了觀(guān)測圖像處理程序，首先對每次采集的6幀記錄圖像進(jìn)行平均；然后進(jìn)行3×3中值濾波，以去除椒鹽噪聲及其他干擾；最后利用每個(gè)像素的Stern-Volmer校準曲線(xiàn)進(jìn)行單個(gè)像素溶解氧含量的計算。為便于直觀(guān)的顯現兩維空間溶解氧的分布變化，將每個(gè)像素溶解氧濃度采用色彩映射到兩維空間，如圖5(a)所示。

為消除粘結膠區域對測量的影響，圖像處理過(guò)程中只選取只中心區域47 mm×68 mm作為傳感膜的有效測量范圍，所對應的單個(gè)像素點(diǎn)空間分辨率為0.52 mm×0.52 mm。圖5(a)為用色彩表示的觀(guān)測區內的兩維溶解氧濃度分布圖像，圖5(b)是提取的3.2 cm處的一維溶解氧垂直梯度變化。

(圖(a)為剖面溶解氧濃度的兩維分布，0為沉積物-水界面分界點(diǎn)；圖(b)為從圖(a)中所抽取的黑線(xiàn)A的溶解氧垂直梯度變化。

圖5沉積物-海水界面附近溶解氧分布的剖面圖像

2實(shí)驗結果與分析

2.1平面光極性能

雖然水體中的一氧化氮和SO2氣體對PtEOP熒光指示劑有干擾，但是在近岸海水中這些氣體含量非常少，可以忽略不計，因此可以認為氧分子是水體中主要的淬滅提供者，其他因素對溶解氧所引起的交叉靈敏性影響可以忽略不計。在校準試驗中，分別對低氧、飽和氧及中間的3個(gè)點(diǎn)進(jìn)行傳感膜精度的評估，與傳統的溶解氧測量?jì)xYSI-DO200進(jìn)行了對比。表1給出了與YSI-DO200同步測量的傳感膜對應的像素平均測量值，可以看出基于傳感膜測量的像素平均值與YSI-DO200具有很好的線(xiàn)性關(guān)系。

由表1可以看出，基于PtOEP熒光指示劑的比率法平面光極在低濃度范圍內具有較好的測量精度，在接近飽和氧的測量中會(huì )產(chǎn)生較大的測量誤差，證明基于PtOEP的平面光極在低氧區具有較好的靈敏度和精度。鑒于沉積物-海水界面是一高耗氧區域，溶解氧的濃度較低，因此采用PtOEP的平面光極進(jìn)行沉積物-海水界面溶解氧的測量是可行的。在本試驗中，所采用的相機像素精度為8-bit，如采用高精度像素相機可以進(jìn)一步提高測量精度，譬如12-bit、16-bit。但是高像素精度相機會(huì )帶來(lái)采集時(shí)間及圖像處理時(shí)間延長(cháng)的問(wèn)題，因此要針對應用需求來(lái)綜合平衡像素精度和測量精度之間的選取。與傳統的原位溶解氧探頭相比，平面光極受圖像像素的傳輸速率及像素精度等因素制約，平面光極尚存在著(zhù)響應速度較慢、靈敏度低等不足。

表1傳統溶解氧測量方法YSI-DO200與平面光極對比

平面光極在應用過(guò)程中不消耗試劑，與傳統的微電極相比具有較長(cháng)的使用壽命。采用同步測量發(fā)射熒光和參考光進(jìn)行光強的比值計算，外界干擾引起的光強變化同時(shí)對熒光和參考光都產(chǎn)生影響，通過(guò)比率計算可以有效的抑制外界的干擾，同時(shí)在圖像處理中采用了多幀圖像平均的方法，提高了圖像像素的信噪比。由于氧分子是PtOEP的主要的淬滅參與者，其他溶解氣體對溶解氧所引起的交叉靈敏性影響非常弱，因此溶解氧熒光指示劑比測量離子濃度的熒光指示劑具有更高的化學(xué)常穩定性。Kazumasa等對基于PtEOP熒光指示劑的平面傳感膜在海水中利用激勵光源連續照射19 h，發(fā)現對照射前和照射后的校準系數ksv、和A幾乎沒(méi)有改變，證明包埋PtEOP熒光指示劑的傳感膜可以忽略光降解的影響因素。對平面光極測量穩定性的起主要影響的是所包埋在基體中的熒光指示劑在水體中會(huì )產(chǎn)生泄露，熒光指示劑的泄露會(huì )導致光強比值產(chǎn)生漂移。因此在連續使用過(guò)程中，需要進(jìn)行定期的標定，以保證測量結果的準確性。