溶解氧分析儀的測量原理是什么？一文詳解核心工作機(jī)制

在水質(zhì)檢測領(lǐng)域，溶解氧（DO）是一個(gè)至關(guān)重要的參數(shù)，它直接關(guān)系到水體的健康程度、生態(tài)平衡以及眾多工業(yè)生產(chǎn)過程的效率。而溶解氧分析儀，正是精準(zhǔn)獲取這一數(shù)據(jù)的核心工具。那么，溶解氧分析儀究竟是如何工作的？其背后的測量原理是什么？本文將為您深入淺出地科普解析。

目前，主流的溶解氧分析儀主要采用兩大測量原理：電化學(xué)原理（膜電極法）和光學(xué)原理（熒光猝滅法）。

一、 電化學(xué)原理：經(jīng)典的膜電極法

這是應(yīng)用歷史最長、技術(shù)非常成熟的方法。其核心部件是一個(gè)由陰極、陽極和特制透氣膜組成的電極。

1. 核心結(jié)構(gòu)：透氣膜通常由聚四氟乙烯等材料制成，它只允許氣體分子（如氧氣）透過，而阻止水和溶解性離子通過。膜內(nèi)充滿電解質(zhì)溶液，貴金屬陰極（如鉑或金）和陽極（如銀或鉛）浸于其中。

2. 工作過程：當(dāng)電極置于待測水樣中，水中的溶解氧在濃度差驅(qū)動(dòng)下透過透氣膜擴(kuò)散進(jìn)入電極內(nèi)部。在陰極上，氧氣發(fā)生還原反應(yīng)：O? + 2H?O + 4e? → 4OH?。同時(shí)，陽極發(fā)生氧化反應(yīng)（例如銀被氧化）。這一過程產(chǎn)生了與氧分子擴(kuò)散速率成正比的擴(kuò)散電流。

3. 信號(hào)轉(zhuǎn)換：儀器測量這個(gè)微弱的電流信號(hào)，根據(jù)克拉克電池原理，該電流大小與水中氧分壓（即溶解氧濃度）成正比。通過溫度補(bǔ)償（因?yàn)檠醯臐B透速率受溫度影響顯著）和校準(zhǔn)，儀器即可準(zhǔn)確計(jì)算出溶解氧的濃度值，通常以mg/L（毫克/升）或飽和度百分比表示。

優(yōu)點(diǎn)：技術(shù)成熟、成本相對較低、測量范圍寬。
注意點(diǎn)：需要定期更換電解液和透氣膜；測量前需要一定時(shí)間穩(wěn)定；可能會(huì)受水中某些化學(xué)物質(zhì)（如H?S）的干擾。

二、 光學(xué)原理：現(xiàn)代的熒光猝滅法

這是一種無需消耗氧氣、免維護(hù)的新型傳感技術(shù)，近年來應(yīng)用越來越廣泛。

1. 核心傳感元件：其關(guān)鍵是一個(gè)覆蓋有特殊熒光染料的敏感膜（帽）。這種染料在特定波長（通常為藍(lán)光）的激發(fā)光照射下，會(huì)發(fā)出紅光。

2. 猝滅效應(yīng)：當(dāng)熒光物質(zhì)與氧分子接觸時(shí)，會(huì)發(fā)生“熒光猝滅”現(xiàn)象——即氧分子會(huì)“搶奪”激發(fā)態(tài)染料的能量，導(dǎo)致其發(fā)射的熒光強(qiáng)度和壽命減少。水中的溶解氧濃度越高，熒光猝滅效應(yīng)就越強(qiáng)，發(fā)出的紅光就越弱、持續(xù)時(shí)間越短。

3. 信號(hào)檢測：分析儀內(nèi)部的檢測器不測量電流，而是檢測熒光信號(hào)的強(qiáng)度或相位（壽命）。通過測定熒光強(qiáng)度降低的比例或熒光壽命的變化，就可以精確反推出溶解氧的濃度。由于熒光壽命測量方式不受光源強(qiáng)度、染料層老化等因素影響，因此基于壽命測量的傳感器更穩(wěn)定、更精準(zhǔn)。

優(yōu)點(diǎn)：無需電解液、基本無需校準(zhǔn)、響應(yīng)速度快、不受水流速度影響、幾乎無干擾、維護(hù)量極小。
注意點(diǎn)：初期成本通常高于傳統(tǒng)電化學(xué)傳感器；敏感膜有一定使用壽命。

三、 應(yīng)用場景與選型參考

了解原理后，有助于我們根據(jù)實(shí)際應(yīng)用場景選擇合適的儀器：

• 長期在線監(jiān)測（如污水處理廠、河流斷面站）：熒光法因其低維護(hù)、高穩(wěn)定性成為首選。

• 實(shí)驗(yàn)室精密檢測或便攜式現(xiàn)場測量：兩種原理均有廣泛應(yīng)用，可根據(jù)預(yù)算和對維護(hù)的要求選擇。高端便攜設(shè)備也越來越多采用熒光法。

• 特殊水質(zhì)（如含硫化物等干擾物）：熒光法抗干擾能力更強(qiáng)。

無論是基于電化學(xué)擴(kuò)散電流的經(jīng)典膜電極法，還是基于光學(xué)熒光猝滅效應(yīng)的現(xiàn)代熒光法，溶解氧分析儀的核心目的都是將水中不可見的氧氣含量轉(zhuǎn)化為可精確測量的電信號(hào)或光信號(hào)。理解其測量原理，不僅能幫助我們更科學(xué)地使用和維護(hù)儀器，確保數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠，也能在面對不同水質(zhì)檢測需求時(shí)，做出最合適的技術(shù)選型，從而為環(huán)境保護(hù)、水產(chǎn)養(yǎng)殖、工業(yè)生產(chǎn)及科學(xué)研究提供堅(jiān)實(shí)的數(shù)據(jù)支撐。

對于企業(yè)用戶而言，在選擇水質(zhì)檢測儀器時(shí)，結(jié)合監(jiān)測需求、預(yù)算與長期運(yùn)維成本，深入理解設(shè)備的工作原理，是實(shí)現(xiàn)高效、精準(zhǔn)水質(zhì)管理的關(guān)鍵一步。