『光学溶氧专题』光学技术原理解密

荧光是一种自然性的物理现象，用于溶解氧(DO)测量的光学传感器就采用荧光猝灭的原理。 此项技术首先发表于1931年，却用了近80年的时间才真正运用到过程分析传感器。

通过采用荧光，可测量氧气与另一种物质的相互作用。 有些能够吸收特定波长光线的分子， 可以在短暂延时之后释放所吸收的能量，这种机制被称为荧光现象。

图：荧光淬灭

荧光是发光的一种特别形式，其中光的寿命具有不同特性。许多情况下均存在发光现象，如手表发光与验钞机是日常生活中的一些示例。

从光到氧气测量

为了能用荧光测量液体中的溶解氧，必须确保氧气与荧光物质接触，并对荧光释放产生影响。

在光学氧传感器中，氧气能够渗入可渗透层，然后扩散至荧光分子(染料)所在的基质。当不存在氧气时，大部分的吸收能量会作为荧光释放。当存在氧气时，氧气会与染料接触，这样它就能够吸收能量，因此不会发出荧光。

由于存在氧气，因此不仅会使荧光的光线强度减弱，而且会缩短荧光的发光时间。这是因为染料处于激发状态的时间越长，则与氧气接触的可能性就越大。因此，激发状态的时间越长，则分子猝灭的可能性越大。

只采用激发与荧光释放的时间间隔测量氧气，荧光强度变化的测量结果较不准确。要想在这个时候测量准确，必须调节激发光的强度。这样，荧光强度同样被调节。

检测器此时测量的是描述强度变化的正弦波形曲线。激发光最大强度与荧光最大强度的时间间隔目前成为用于计算氧气值的初始测量值。在电化学系统中，测量电流与氧气值线性相关。在光学系统中，相位随着氧气浓度的升高而呈指数规律下降。这种下降在Stern Volmer方程中有描述。在现代光学溶解氧系统中，Sternolmer图是不可或缺。

智能控制的光学技术

当今的光学传感器包含传感器校准所需的所有程序，使用一台变送器可轻松获得传感器的所有数据信息；这对于发酵细胞培养等连续生产工艺尤为适用，因为在这些过程中必须拥有在线校准程序，我们提供一种可在生产进行的同时进行过程校准的程序。

减少维护需求

光学技术的主要优点是操作更为简便，这是因为只需定期更换一种备件耗材-光学帽OptoCap；与电化学系统不同，没有电解液、易碎的膜体或内传感器等需要维护的部件。

图：低维护、卫生型光学帽

OptoCap只需20秒即可完成更换，且无需进行极化处理；结构如此简单，因此错误操作的风险得到了最大限度控制。OptoCap在标准发酵(37˚C, 100%空气饱和率)过程中的使用寿命是电化学传感器膜体的至少三倍。

智能传感器知道下一步该做什么

氧气测量错误有可能导致发酵过程产量大幅下降；测量系统越复杂，越有必要寻找用于实时监控传感器状态的智能解决方案。

由于原始数据与氧气值之间的相关性不像电化学传感器的相关性那样简单，应当监测传感元件与性能情况。同时，为确保测量可靠性，智能程序对监控工艺条件、计算传感器负载或测量传感元件的实时变化必不可少。首先，用户需要了解传感器的状况，在了解这一信息之后，即可决定何时进行后续校准或更换光学膜备件。

免费智能传感器软件ISM可以为最终用户提供更多收益。用一根USB电缆将InPro6860i光学氧传感器连到电脑上，ISM智能软件可以读取电极的各项产品信息、诊断电极状态、 校准电极、读取历史数据等。

图：智能传感器管理软件

在炎炎夏日，我们可以做到，在维修间对电极进行维护保养并保存操作数据。

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