光学溶解氧分析仪核心专业术语：从原理到单位的全面解析

在水质监测、污水处理、水产养殖以及环境科学研究中，溶解氧（DO）是最关键的参数之一。由于具有不消耗氧气、抗干扰能力强、维护周期长等优势，光学荧光法已成为主流的溶解氧测量技术，并逐步取代传统电化学方法。

然而，在实际应用中，许多专业人员常常会对一些关键概念产生困惑：mg/L 与 % 饱和度的本质区别是什么？仪表究竟直接测量的是什么量？荧光猝灭是如何发生的？氧分压和亨利定律在其中起到什么作用？

本文将系统梳理这些专业术语，并结合 Nexisense 光学溶解氧传感器的技术特点，帮助读者建立清晰、准确的认知框架。

荧光猝灭原理 —— 光学溶解氧测量的物理基础

光学溶解氧测量的核心在于动态荧光猝灭现象。

传感器探头表面覆盖有对氧敏感的荧光材料，通常为钌配合物，如 Ru(dpp)₃²⁺。当其受到特定波长的激发光（通常为约 450–470 nm 的蓝光或绿光）照射时，荧光分子由基态跃迁至激发态，随后在返回基态的过程中发射红光（约 600–650 nm）。

当水中存在溶解氧时，氧分子会与处于激发态的荧光分子发生碰撞并进行能量转移，使部分能量通过非辐射方式释放，导致荧光寿命缩短、荧光强度降低。这一现象被称为氧猝灭。

该过程符合 Stern–Volmer 方程：

F₀ / F = 1 + K_sv × [O₂]

其中：

• F₀：无氧条件下的荧光强度或荧光寿命

• F：存在氧气时的荧光强度或荧光寿命

• K_sv：Stern–Volmer 猝灭常数（与温度及荧光材料类型有关）

• [O₂]：氧浓度（本质上是氧分压的函数）

现代光学溶解氧分析仪通常采用相位调制或荧光寿命测量技术。通过检测激发光与发射光之间的相位差，或测量荧光衰减时间（通常为微秒级），即可计算出氧浓度。由于该方法对氧分压高度敏感，仪表的原始输出量通常为氧分压或% 饱和度。

两大测量单位：mg/L 与 % 饱和度的物理含义及应用

mg/L —— 绝对浓度单位

mg/L 表示每升水中实际溶解的氧气质量（即每升 H₂O 中所含的 O₂ 毫克数），在数值上等同于 ppm（质量分数）。这是环境标准、水质报告和生态评估中最常用的溶解氧单位。

该单位直接反映水体中氧的绝对可利用量，便于与生化需氧量（BOD）、化学需氧量（COD）以及水生生物的耗氧需求进行对比。

% 饱和度 —— 相对饱和程度

% 饱和度的定义为：

实际溶解氧浓度 / 给定条件下的理论饱和溶解氧浓度 × 100%

这里的“给定条件”主要包括温度、大气压力（或海拔高度）以及盐度（或电导率）。该参数用于表征水体与大气氧之间是否处于平衡状态，以及偏离平衡的程度。

当为 100% 饱和度时，水体处于平衡状态；高于 100% 表示过饱和（常见于白天藻类强烈光合作用时）；低于 100% 表示欠饱和（多出现在有机污染严重、耗氧量大的水体中）。

Nexisense 光学溶解氧传感器通过荧光猝灭直接响应氧分压（pO₂），因此其优先测量量通常为 % 饱和度（基于标准大气压、当前温度和零盐度条件）。随后，仪表通过内置算法（如 USGS 溶解度表或 Benson–Krause 方程）实时换算为 mg/L。

关键影响因素与补偿机制：亨利定律与环境修正

溶解氧的平衡浓度遵循亨利定律：

[O₂] = k_H × pO₂

其中：

• [O₂]：水中的氧浓度

• k_H：亨利常数（强烈依赖温度，温度升高时减小）

• pO₂：气相中的氧分压（大气压 × 氧体积分数 ≈ 0.2095）

这一定律解释了三大主要影响因素：

• 温度：温度升高 → k_H 减小 → 饱和溶解氧浓度降低

• 大气压力 / 海拔：气压降低 → pO₂ 减小 → 饱和溶解氧浓度降低

• 盐度：盐度升高会降低氧溶解度；海水中的饱和溶解氧约比淡水低 20%

Nexisense 传感器集成高精度温度测量，并支持大气压力输入或自动补偿（部分型号内置压力传感器），确保在高海拔、海水及温度变化剧烈环境下仍能输出准确的 mg/L 数据。

Nexisense 光学溶解氧传感器的技术亮点

Nexisense 光学 DO 传感器融合成熟的荧光猝灭技术、钌基荧光涂层以及相位检测算法，实现：

• 响应时间 ≤ 30 秒

• 不消耗氧气，无需更换膜片或电解液

• 对硫化物、氯等化学干扰物具有强抗干扰能力

• IP68 防护等级，适合长期浸没运行

• 支持 RS485 MODBUS 协议，便于远程数据集成

这些特性使其特别适用于地表水连续监测、曝气池精准溶氧控制以及水产养殖中的氧管理。

常见问题（FAQ）

为什么光学溶解氧仪表常直接显示 % 饱和度？
因为荧光猝灭直接响应氧分压，而 % 饱和度是对氧分压的归一化表达，便于在不同环境条件下进行对比。

mg/L 与 % 饱和度如何换算？
DO（mg/L） = % 饱和度 × 饱和溶解氧浓度（mg/L）。饱和溶解氧值需根据温度、气压和盐度，通过表格或算法获得。

高海拔地区是否需要修正水质标准？
建议在生态评估中优先采用 % 饱和度（如 ≥80% 表示良好状态），或根据当地大气压力对 mg/L 限值进行修正。

荧光猝灭法与膜电极法的主要区别是什么？
光学方法不消耗氧气、无膜老化问题、抗干扰能力更强，且维护需求更低（荧光帽通常可使用 2–3 年）。

结论：掌握术语，才能准确解读溶解氧数据

从荧光猝灭与 Stern–Volmer 方程，到氧分压与亨利定律，再到 mg/L 与 % 饱和度的双重表征，这些专业概念共同构成了现代溶解氧监测的理论基础。只有充分理解它们，才能在复杂水环境中做出准确、科学的判断。

Nexisense 光学溶解氧传感器通过稳健的光学技术和智能补偿算法，将这些原理转化为高精度、可靠的数据，为水生态保护和工业过程优化提供有力支撑。希望本文能帮助你更加专业地解读每一组溶解氧数据，共同推动水资源的可持续管理。