本发明属于资源与环境、海洋领域，具体涉及一种基于时域荧光寿命技术的水体溶解氧浓度测量方法。
背景技术：
水体溶解氧是指溶解于水体中分子态的氧气，是水生生物生存不可缺少的条件，是衡量水生生态系统的重要参数。溶解氧高低能够反映水体污染，特别是有机物污染的程度，因此也是水质重要综合性评价指标。准确快速获取水体溶解氧浓度信息，对掌握水体生态环境状况、保障饮用水安全、发展水产养殖业等至关重要。
目前，常用溶解氧检测方法主要有碘量法、电极法、荧光猝灭法等。碘量法是国标iso5813-1983规定的溶解氧标准化学测定法，测量准确度高，但需要人工操作，常用于实验室测量。电极法又名电流测定法，根据分子氧透过薄膜的扩散速率来测定水中溶解氧的含量，电极法的测量速度快、操作简便、使用成本低，常用于溶解氧的在线监测，但实际应用中存在氧透膜和电极易老化、抗污染和电磁干扰能力差、电极维护量大等问题。荧光猝灭法是基于氧分子对荧光物质的荧光猝灭效应，通过荧光强度或寿命变化测量溶解氧浓度，分为荧光强度法和荧光寿命法。由于荧光寿命是荧光信号的本征参量，不易受到外界因素(包括光源波动、老化以及外界杂散光等)的干扰，因此，荧光寿命法测量溶解氧具有更好的准确性和稳定性，已发展为国际主流溶解氧检测技术。
目前荧光寿命测量溶解氧浓度多数采用频域法，在频域荧光寿命表现为荧光相对激发光的滞后相位，通过检测滞后相位大小从而获得溶解氧浓度。zl201010580318.3公开了一种数字锁相法的荧光寿命检测技术，cn201410340194.x公开了一种同频正弦信号相位差法的荧光寿命检测技术。但频域荧光寿命法水体溶解氧浓度检测方法对激发光源要求苛刻、需要复杂相位检测电路复杂，且存在相位锁定周期长等问题。
技术实现要素：
本发明提出了一种基于时域荧光寿命技术的水体溶解氧浓度测量方法，通过测量荧光猝灭曲线两点强度直接反演氧敏感荧光膜的荧光寿命，获得溶解氧浓度。本发明的检测电路简单易实现，不易受光源波动、老化以及自然光照等外界因素干扰，测量稳定和可靠性强。
本发明采用的技术方案是：
一种基于时域荧光寿命技术的水体溶解氧浓度测量方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)用短脉冲光激发氧敏感荧光膜，氧敏感荧光膜上的荧光物质原子受激发后跃迁到高能态，并以发射荧光的形式返回基态，t0时刻激发光源关闭后，荧光发光强度随时间按指数规律衰减，如(1)式所示：
其中，im为荧光强度初始值；τ为荧光寿命，是发光强度从初始值im到其1/e时所需的时间；
(2)在荧光猝灭曲线上选取t1和t1’两个时刻，测量两个时间点δ时间间隔内的荧光强度a1和a1’，根据(1)式荧光衰减规律，a1和a1’理论上应该满足(2)式：
即
根据(3)式便可以计算出氧敏感荧光膜的荧光寿命；
(3)在某溶解氧浓度[o2]下，氧气分子与荧光物质接触引起荧光猝灭效应，荧光寿命缩短，荧光寿命是当激发光切断后荧光强度衰减至原强度的1/e所经历的时间，氧分子含量越多，荧光寿命越短；荧光寿命与溶解氧浓度的关系满足stern-volmer猝灭方程：
其中，τ0为溶解氧浓度为零时的荧光寿命，τ1为溶解氧浓度[o2]下荧光寿命，k为比例常数；
(4)利用(3)、(4)式便可通过t1和t1’两个时刻荧光强度a1和a1’计算获得溶解氧浓度：
(5)为了避免实际情况下自然光照、探测器暗电流对测量结果的影响，在荧光猝灭后tn时刻测量直流漂移an，校正t1和t1’两个时刻荧光强度(a1-an)和(a1’-an)，获得更为稳定准确的溶解氧浓度：
(6)为提高测量结果的稳定性，在同一荧光猝灭曲线测量多对荧光强度(a1/a1’、a2/a2’、…)，获得荧光寿命序列(τ1、τ2、…)；再连续测量多条荧光猝灭曲线得到多个荧光寿命序列；然后通过统计分析，剔除三倍标准偏差以外的数据，获得更为稳定的荧光寿命测量结果，深度抑制光电探测器件、电路和外界环境带来的随机噪声。
本发明的优点是：
本发明利用荧光猝灭曲线两点荧光强度在时域直接反演得到氧敏感荧光膜的荧光寿命，克服频域测量荧光寿命面临的激发光源要求苛刻、相位检测电路复杂、相位差稳定周期长等问题。
附图说明
图1是荧光寿命的时域测量方法原理图。
具体实施方式
一种基于时域荧光寿命技术的水体溶解氧浓度测量方法，包括以下步骤：
(1)如图1所示，用短脉冲光激发氧敏感荧光膜(荧光物质)，荧光物质原子受激发后跃迁到高能态，并以发射荧光的形式返回基态，t0时刻激发光源关闭后，荧光发光强度随时间按指数规律衰减，如(1)式所示：
其中，im为荧光强度初始值；τ为荧光寿命，是发光强度从初始值im到其1/e时所需的时间；
(2)在荧光猝灭曲线上选取t1和t1’两个时刻，测量两个时间点δ时间间隔内的荧光强度a1和a1’，根据(1)式荧光衰减规律，a1和a1’理论上应该满足(2)式：
即
根据(3)式便可以计算出氧敏感荧光膜的荧光寿命；
(3)在某溶解氧浓度[o2]下，氧气分子与荧光物质接触引起荧光猝灭效应，荧光寿命缩短(荧光寿命是当激发光切断后荧光强度衰减至原强度的1/e所经历的时间)，氧分子含量越多，荧光寿命越短；荧光寿命与溶解氧浓度的关系满足stern-volmer猝灭方程：
其中，τ0为溶解氧浓度为零时的荧光寿命，τ1为溶解氧浓度[o2]下荧光寿命，k为比例常数；
(4)利用(3)、(4)式便可通过t1和t1’两个时刻荧光强度a1和a1’计算获得溶解氧浓度：
(5)为了避免实际情况下自然光照、探测器暗电流对测量结果的影响，在荧光猝灭后tn时刻测量直流漂移an，校正t1和t1’两个时刻荧光强度(a1-an)和(a1’-an)，获得更为稳定准确的溶解氧浓度：
(6)为提高测量结果的稳定性，在同一荧光猝灭曲线测量多对荧光强度(a1/a1’、a2/a2’、…)，获得荧光寿命序列(τ1、τ2、…)，如图1所示；再连续测量多条荧光猝灭曲线得到多个荧光寿命序列；然后通过统计分析，剔除三倍标准偏差以外的数据，获得更为稳定的荧光寿命测量结果，深度抑制光电探测器件、电路和外界环境带来的随机噪声。