Metodu Ottiku Intelliġenti ta' Kejl ta' Ossiġenu Maħlul Ibbażat fuq Mekkaniżmu Fluworexxenti ta' Tkessiħ

Fengmei Li, Yaoguang Wei *, Yingyi Chen, Daoliang Li u Xu Zhang
Riċevuta: 1 ta' Ottubru 2015;Aċċettat: 1 ta' Diċembru 2015;Ippubblikat: 9 ta’ Diċembru 2015
Editur Akkademiku: Frances S. Ligler
Kulleġġ ta 'Informazzjoni u Inġinerija Elettrika, Università Agrikola taċ-Ċina, 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

Astratt:L-ossiġnu maħlul (DO) huwa fattur ewlieni li jinfluwenza t-tkabbir b'saħħtu tal-ħut fl-akkwakultura.Il-kontenut tad-DO jinbidel mal-ambjent akkwatiku u għalhekk għandu jiġi mmonitorjat onlajn.Madankollu, metodi ta 'kejl tradizzjonali, bħall-jodometry u metodi oħra ta' analiżi kimika, mhumiex adattati għall-monitoraġġ onlajn.Il-metodu Clark mhuwiex stabbli biżżejjed għal perjodi estiżi ta 'monitoraġġ.Biex issolvi dawn il-problemi, dan id-dokument jipproponi metodu ta 'kejl DO intelliġenti bbażat fuq il-mekkaniżmu tat-tifi tal-fluworexxenza. Is-sistema ta' kejl hija magħmula minn sejbien ta 'tifi tal-fluworexxenza, kondizzjonament tas-sinjali, proċessar intelliġenti u moduli tal-provvista tal-enerġija.Is-sonda ottika tadotta l-mekkaniżmu ta 'quenching flfluworexxenti biex tiskopri l-kontenut DO u ssolvi l-problema, filwaqt li l-metodi kimiċi tradizzjonali huma faċilment influwenzati mill-ambjent.Is-sonda ottika fiha termistor u sorsi ta 'eċitazzjoni doppja biex tiżola dawl parassitiku viżibbli u tesegwixxi strateġija ta' kumpens.Il-modulu tal-ipproċessar intelliġenti jadotta l-istandard IEEE 1451.2 u jirrealizza kumpens intelliġenti.Riżultati sperimentali juru li l-metodu tal-kejl ottiku huwa stabbli, preċiż u adattat għall-monitoraġġ onlajn tad-DO fl-applikazzjonijiet tal-akkwakultura.

1. Introduzzjoni

L-ossiġnu maħlul (DO) jirreferi għall-molekuli tal-ossiġnu maħlul fl-ilma u huwa essenzjali biex tinżamm il-ħajja tal-bniedem u tal-annimali.L-ossiġnu huwa analit importanti minħabba r-rwol ewlieni tiegħu fix-xjenza tal-ħajja, il-bijoteknoloġija, il-mediċina u l-industriji tal-akkwakultura.Il-kontenut DO fl-ilma huwa indikazzjoni tal-kwalità tal-ilma, u kontroll bir-reqqa tal-livelli tal-ossiġnu huwa importanti fil-proċessi ta 'awto-purifikazzjoni tal-ilma mormi [1,2].Il-kwalità tal-ilma hija relatata mill-qrib mal-kontaminanti preżenti fl-ilma, bħal H2S, NO2, NH4+, u materja organika.Il-karatteristiċi tal-ilma mormi, inkluż il-kulur, id-domanda tal-ossiġnu kimiku (COD), u d-domanda tal-ossiġnu bijoloġiku (BOD), jindikaw b'mod speċifiku l-livell ta' inkwinanti fl-ilma tad-drenaġġ industrijali [3].Fl-istess ħin, DO għandu rwol importanti ħafna fis-saħħa u t-tkabbir ta 'organiżmi akkwatiċi [4,5].Kontenut ta' DO ta' inqas minn 2 mg/L għal ċertu numru ta' sigħat jikkawża l-fga u l-mewt ta' organiżmi akkwatiċi [6].Għall-bnedmin, il-kontenut DO ta 'l-ilma tax-xorb m'għandux ikun inqas minn 6 mg/L.Konsegwentement, id-determinazzjoni tal-konċentrazzjonijiet tal-ossiġnu hija ta 'importanza kbira fl-industrija tal-akkwakultura u fil-ħajja ta' kuljum.Madankollu, il-monitoraġġ tal-kontenut tad-DO bil-fatturi esterni kollha tiegħu, bħat-temperatura, il-pressjoni u s-salinità, huwa diffiċli.Biex tikseb kontenut DO preċiż, il-metodu ta 'skoperta għandu jimplimenta kumpens intelliġenti.B'mod ġenerali, jistgħu jintużaw tliet metodi biex jiskopru kontenut DO: metodi jodometriċi, elettrokimiċi u ottiċi [7,8].

Il-metodu jodometriku [9,10] huwa metodu popolari u preċiż ta 'skoperta tal-kontenut DO fl-ilma.Huwa metodu fifiducial iżda għandu proċess ta 'skoperta kumpless u ma jistax jintuża biex jikxef il-kwalità tal-ilma onlajn.Dan il-metodu huwa prinċipalment użat bħala punt ta 'referenza fl-ambjent tal-laboratorju (off-line).Il-metodu elettrokimiku [11–14] juża elettrodi biex jikxef il-kurrent prodott minn reazzjonijiet redox fl-elettrodi.Dan il-metodu jista 'jiġi kklassifikat bħala tip polarografiku jew tip ta' ċellula galvanika abbażi tal-prinċipju ta 'skoperta.Il-metodu elettrokimiku għandu storja twila fl-iskoperta tal-kontenut DO;l-ewwel hekk imsejjaħ metodu polarografiku Clark kien iddisinjat minn Clark tal-Kumpanija YSI fl-1956 [12].B'kuntrast mal-jodometry, il-metodu elettrokimiku jimmonitorja l-kontenut DO bir-reazzjoni ta 'ossidazzjoni-tnaqqis li sseħħ bejn l-elettrodu u l-molekuli DO u jikkonsma l-ossiġnu fil-proċess ta' skoperta.Minħabba li drift strumentali huwa inevitabbli bin-numru kbir ta 'fatturi li huma involuti fid-determinazzjoni tar-riżultat ta' skoperta, sensuri elettrokimiċi jeħtieġu kalibrazzjoni u sostituzzjoni regolari.Sensuri DO ottiċi [15,16] huma aktar attraenti mill-jodometry u l-metodi elettrokimiċi minħabba li għandhom ħin ta 'rispons mgħaġġel, ma jikkunsmawx ossiġnu, għandhom drift żgħir maż-żmien, għandhom il-kapaċità li jifilħu disturbi esterni, u jeħtieġu kalibrazzjoni marġinali.Il-prinċipju tas-sejbien tas-sensuri DO ottiċi huwa bbażat fuq it-tifi flfluworexxenti, inkluż l-iskoperta tal-ħajja flfluworexxenti u l-iskoperta tal-intensità flfluworexxenti.L-iskoperta ta 'l-intensità tista' tinkiseb permezz tal-fotodijodu, b'differenza mill-ħajja, li għandha tiġi skoperta abbażi tal-bidla tal-fażi [17].Dan l-istudju jiżviluppa metodu ta 'kejl ottiku intelliġenti bbażat fuq il-mekkaniżmu ta' tkessiħ flfluworexxenti.

Il-metodi msemmija hawn fuq għandhom xi vantaġġi u żvantaġġi li jagħmluhom mhux adattati għall-industrija tal-akkwakultura fiċ-Ċina.L-ewwel, is-sejbien tal-kontenut tad-DO huwa diffiċli għall-akkwarist li jrid jittratta bosta fatturi li jinfluwenzaw l-industrija tal-akkwakultura.Tqabbil tat-tliet metodi juri li l-metodu elettrokimiku mhuwiex għażla tajba minħabba l-proprjetajiet dgħajfa kontra l-interferenza tiegħu.It-tieni, il-kontenut DO mhuwiex kostanti, u konċentrazzjoni insuffiċjenti fl-ilma naturali twassal għall-mewt ta 'fifishes.Għalhekk, l-iskoperta tal-kontenut DO f'ħin reali hija importanti ħafna.Madankollu, il-kampjuni tal-ilma tal-metodu tal-jodometrija għandhom jiġu ttestjati fil-laboratorju, u dan il-metodu ma jkunx adattat għall-monitoraġġ tal-organiżmi fil-produzzjoni attwali għal din ir-raġuni.

Fl-aħħarnett, sensuri ottiċi tradizzjonali għandhom diversi żvantaġġi, inkluża s-suxxettibilità għal bidliet fit-temperatura esterna, pressjoni, u salinità u attenwazzjoni tas-sors tad-dawl u drift minħabba d-degradazzjoni jew il-lissija taż-żebgħa.L-influwenza fuq dawn il-fatturi kollha tista 'titnaqqas billi żżid moduli ta' pproċessar intelliġenti.Is-sensor DO ottiku konvenzjonali introdott minn barra huwa għali u m'għandux preċiżjoni għolja meta jintuża fl-industrija tal-akkwakultura.Għalhekk, id-disinn u l-iżvilupp ta 'sensor DO ottiku dedikat rħas u intelliġenti huwa meħtieġ.Dan l-istudju jipproponi u jiżviluppa metodu ta' kejl DO intelliġenti bbażat fuq il-mekkaniżmu ta 'quenching flfluworexxenti.Is-sensor fih erba 'moduli: sejbien ta' tkessiħ flfluworexxenti, kondizzjonament tas-sinjali, ipproċessar intelliġenti, u moduli tal-provvista tal-enerġija.Is-sensorju bbażat fuq it-tifi flfluworexxenti għandu diversi aspetti vantaġġużi: konsum ta 'enerġija aktar baxx, daqs iżgħar, preċiżjoni ogħla, u proprjetajiet anti-interferenza aktar b'saħħithom minn sensers tal-jodometrija jew elettrokimiċi.

2. Materjali u Metodi

2.1.Id-Disinn Ġenerali tas-Sensor Ottiku tal-Ossiġnu Maħlul

Minħabba l-preżenza ta 'fatturi ta' influwenza mhux stabbli, is-sensor jadotta sonda ottika bbażata fuq it-tifi tal-fluworexxenza.Meta mqabbel mas-sensor DO tradizzjonali, is-sensor DO ottiku intelliġenti propost f'dan l-istudju għandu struttura ta 'sonda mtejba u modulu ta' pproċessar intelliġenti addizzjonali.Dawn il-parametri tal-kalibrazzjoni huma maħżuna fil-memorja tal-folja tad-dejta elettronika tat-transducer (TEDS).Il-Figura 1 turi li l-iskoperta tat-tifi flfluworexxenti, il-kondizzjonament tas-sinjali, l-ipproċessar intelliġenti u l-moduli tal-provvista tal-enerġija huma inklużi fis-sensor intelliġenti.Il-modulu ta 'skoperta ta' tkessiħ flfluworexxenti fih sonda tat-temperatura u sonda DO.Is-sonda tat-temperatura hija responsabbli għall-ġbir tas-sinjali tat-temperatura tal-ilma, u s-sonda DO hija responsabbli għall-ġbir tas-sinjali DO.Is-sinjal tad-dħul oriġinali jista 'jiġi kkonvertit f'sinjal ta' vultaġġ 0–2.5 V miċ-ċirkwiti ta 'kondizzjonament tas-sinjal.Il-mikrokontrollur MSP430, li huwa l-qalba tal-modulu tal-ipproċessar intelliġenti, huwa konness maċ-ċirkwiti tal-kondizzjonament tas-sinjali, il-memorja TEDS, u l-interface tas-serje [18].Id-dejta miġbura hija mgħaqqda permezz ta 'teknoloġija ta' fużjoni tad-dejta b'ħafna sondi, u l-valur DO miksub jiġi trasferit permezz ta 'interface RS485 kompatibbli wara li jiġi pproċessat u analizzat mill-mikrokontrollur.L-interface RS485 jippermetti lill-mikrokontrollur jikkomunika mal-PC ta 'fuq.Is-senser huwa mħaddem minn provvista ta 'enerġija mixgħul u mitfi, li hija kkontrollata wkoll mill-mikrokontrollur MSP430.

2.2.Disinn tal-Modulu ta 'Sejbien ta' Tkessiħ Fluworexxenti

L-iskematika tal-modulu ta 'skoperta ta' tkessiħ flfluworexxenti hija murija fil-Figura 2. Is-sonda għandha tul approssimattiv ta '16 ċm u dijametru ta' 4 ċm.Il-konfigurazzjoni tas-sonda kompatta tintuża għall-kompatibilità mar-rekwiżiti tal-industrija tal-akkwakultura.Kif muri fil-Figura 2, is-sonda DO fiha LEDs blu doppju ta 'luminożità għolja, fifilm sol-gel, slide tal-ħġieġ, fifiltru ottiku aħmar, karta fifiltru ottika blu, u fotodiodu tas-silikon.Dan il-modulu jinkludi wkoll reżistenza tal-platinu biex tissorvelja t-temperatura ambjentali waqt il-kejl.L-intensità u t-temperatura fluworexxenti huma pproċessati fis-softwer għall-kalibrazzjoni tat-temperatura.

L-LEDs blu doppju ta 'luminożità għolja (LA470-02) huma modulati bl-istess frekwenza, sabiex l-LED ta' referenza jista 'jintuża biex jikkumpensa l-LED ta' eċċitazzjoni minħabba li t-telf tal-intensità tad-dawl tal-LEDs blu huma eżattament l-istess.Fl-istess frekwenza, il-fotodijodu jista 'jnaqqas ir-radjazzjoni fl-isfond minħabba d-dawl ambjentali fl-ambjent tal-kejl u jevita l-eċitazzjoni ta' kwalunkwe materjal flfluworexxenti.Barra minn hekk, l-intensità tal-LEDs titnaqqas għal livell baxx li fih il-fenomenu ta 'photobleaching taż-żebgħa għandu probabbiltà żgħira li jseħħ [19].Il-wavelength ċentrali ta 'l-LED ta' eċċitazzjoni blu huwa ta 'madwar 465 nm, li huwa fifiltrat minn karta fifilter bandpass blu biex tgħarbel id-dawl ta' wavelengths oħra.Ir-riżultati sperimentali juru li d-dawl blu jista 'jikkaġuna l-membrana sensittiva biex temetti flfluworexxenza f'650 nm.Biex titnaqqas l-influwenza tad-dawl parassitiku, is-sonda hija mgħammra b'karti tal-fifilter bandpass blu (OF1 u OF2) quddiem l-LEDs u fifilter aħmar high-pass (OF3) quddiem il-fotodijodu tas-silikon.Photodiode tas-silikon (OPT 301) jintuża biex jirċievi l-fluworexxenza emessa mill-fifilm sol-gel u dawl blu mill-LED ta 'referenza.L-LED ta 'eċitazzjoni blu u l-LED ta' referenza blu huma separati fuq naħat differenti tal-fifilter aħmar high-pass, li huwa ta 'benefiċċju fil-qtugħ tad-dawl parassitiku u jiggarantixxi l-eżattezza tas-sinjal ottiku detection.The flfluorescent sensing fifilm huwa l-aktar parti importanti tal- Sensor DO u l-prestazzjoni tiegħu jinfluwenzaw b'mod sinifikanti l-eżattezza, l-effiċjenza, u l-istabbiltà tas-sensor.Ir-riċerkaturi wettqu diversi studji dwar l-indikaturi tal-fluworexxenza [20-22] u sabu li l-indikaturi fluworexxenti l-aktar komuni fihom kumplessi tal-porphyrin tal-metall, idrokarburi aromatiċi poliċikliċi organiċi, u kumplessi tal-metalli ta’ transizzjoni [23].Ru (bpy) 3Cl2 intgħażel bħala l-indikatur ta 'fluworexxenza f'dan l-istudju minħabba l-istat ta' trasferiment ta 'ċarġ ta' metall għal ligand emissiv ħafna, ħajja twila, u assorbiment qawwi fir-reġjun blu-aħdar ta 'l-ispettru, li huwa kompatibbli ma' l-LED blu ta 'luminożità għolja [20].Iż-żebgħa tinqabad f'fifilm sol-ġell poruż u idrofobiku li huwa bejn wieħed u ieħor 0.04 mm.Il-fifilm sol-gel huwa mmuntat fuq il-wiċċ tal-pjastra tal-ħġieġ, li għandu jkun trasparenti biex l-eċitazzjoni u l-luminexxenza jippenetraw.Il-fifilm għandu jkun ukoll fil-forma ta 'ark u jżomm daqs stabbli;il-wiċċ tal-ark huwa ddisinjat biex iżid iż-żona ta 'kuntatt u tevita l-bużżieqa tal-wiċċ.Il-prinċipju tat-tħaddim tas-sensor huwa bbażat fuq il-mekkaniżmu ta 'quenching flfluworexxenti.Il-proċess tat-tifi flfluworexxenti huwa deskritt mill-ekwazzjoni Stern-Volmer [24-26].

12 13
1314
15161718192021

Ħin tal-post: Mar-26-2022