فلورسنٽ ڪونچنگ ميڪانيزم جي بنياد تي هڪ ذهين بصري آڪسيجن جي ماپ جو طريقو

Fengmei لي، Yaoguang Wei *، Yingyi Chen، Daoliang Li ۽ Xu Zhang
حاصل ڪيو: 1 آڪٽوبر 2015;قبول ٿيل: 1 ڊسمبر 2015؛شايع ٿيل: ڊسمبر 9، 2015
تعليمي ايڊيٽر: فرانسس ايس ليگلر
ڪاليج آف انفارميشن اينڊ اليڪٽريڪل انجنيئرنگ، چائنا زرعي يونيورسٽي، 17 سنگھوا ايسٽ روڊ،
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

خلاصو:حل ٿيل آڪسيجن (DO) هڪ اهم عنصر آهي جيڪو آبي زراعت ۾ مڇين جي صحتمند واڌ کي متاثر ڪري ٿو.DO مواد آبي ماحول سان تبديل ٿئي ٿو ۽ ان ڪري ان کي آن لائن مانيٽر ڪيو وڃي.جڏهن ته، روايتي ماپ جا طريقا، جهڙوڪ آئوڊوميٽري ۽ ٻيا ڪيميائي تجزياتي طريقا، آن لائن نگراني لاءِ مناسب نه آهن.ڪلارڪ جو طريقو ڊگھي عرصي جي نگراني لاءِ ڪافي مستحڪم نه آھي.انهن مسئلن کي حل ڪرڻ لاءِ، هي پيپر پيش ڪري ٿو هڪ ذهين DO ماپي جو طريقو جنهن جي بنياد تي فلو فلوروسينس quenching ميڪانيزم آهي. ماپي سرشتو فلو فلوروسينٽ quenching معلوم ڪرڻ، سگنل ڪنڊيشن، ذهين پروسيسنگ، ۽ پاور سپلائي ماڊلز تي مشتمل آهي.آپٽيڪل پروب DO مواد کي ڳولڻ ۽ مسئلي کي حل ڪرڻ لاء فلو فلوروسنٽ quenching ميڪانيزم کي اختيار ڪري ٿو، جڏهن ته روايتي ڪيميائي طريقا آساني سان ماحول کان متاثر ٿين ٿا.آپٽيڪل پروب ۾ ٿرمسٽر ۽ ٻٽي اتساهه جا ذريعا شامل آهن ته جيئن نظر ايندڙ پارسياتي روشنيءَ کي الڳ ڪري ۽ معاوضي واري حڪمت عملي تي عمل ڪري.ذھني پروسيسنگ ماڊل IEEE 1451.2 معيار کي اپنائڻ ۽ ذھني معاوضي کي محسوس ڪري ٿو.تجرباتي نتيجن مان ظاهر ٿئي ٿو ته نظريي جي ماپ جو طريقو مستحڪم، صحيح، ۽ آبي زراعت جي ايپليڪيشنن ۾ آن لائن DO مانيٽرنگ لاءِ موزون آهي.

1. تعارف

تحلیل ٿيل آڪسيجن (DO) پاڻي ۾ ڦهليل آڪسيجن جي ماليڪيولز ڏانهن اشارو ڪري ٿو ۽ انساني ۽ جانورن جي زندگي کي برقرار رکڻ لاء ضروري آهي.آڪسيجن هڪ اهم تجزيه نگار آهي ڇاڪاڻ ته حياتياتي سائنس، بايو ٽيڪنالاجي، دوائن ۽ آبي زراعت جي صنعتن ۾ ان جي اهم ڪردار جي ڪري.پاڻي ۾ ڊي او مواد پاڻي جي معيار جو هڪ اشارو آهي، ۽ آڪسيجن جي سطح جو محتاط ڪنٽرول گندي پاڻي جي خود صاف ڪرڻ واري عمل ۾ اهم آهي [1,2].پاڻي جي معيار جو تعلق پاڻي ۾ موجود آلودگي سان آهي، جهڙوڪ H2S، NO2، NH4+، ۽ نامياتي مادو.گندي پاڻي جون خاصيتون، جن ۾ رنگ، ڪيميائي آڪسيجن جي طلب (COD)، ۽ حياتياتي آڪسيجن جي طلب (BOD) شامل آهن، خاص طور تي صنعتي گندي پاڻي ۾ آلودگي جي سطح کي ظاهر ڪن ٿا [3].ساڳئي وقت، DO آبي جاندارن جي صحت ۽ واڌ ۾ تمام اهم ڪردار ادا ڪري ٿو [4,5].ڪجهه ڪلاڪن لاءِ 2 mg/L کان گھٽ ڊي او مواد آبي جاندارن جي دم گھٹڻ ۽ موت جو سبب بڻجي ٿو [6].انسانن لاء، پيئڻ جي پاڻي جو DO مواد 6 mg/L کان گهٽ نه هجڻ گهرجي.انڪري، آبي زراعت جي صنعت ۽ روزاني زندگيءَ ۾ آڪسيجن جي مقدار جو تعين وڏي اهميت رکي ٿو.بهرحال، DO مواد کي ان جي سڀني خارجي اثر انداز ڪندڙ عنصرن، جهڙوڪ درجه حرارت، دٻاء، ۽ لوڻ جي نگراني ڪرڻ ڏکيو آهي.صحيح DO مواد حاصل ڪرڻ لاء، ڳولڻ جو طريقو سمجھدار معاوضي تي عمل ڪرڻ گھرجي.عام طور تي، ٽي طريقا استعمال ڪري سگھجن ٿا DO مواد کي ڳولڻ لاء: iodometric، electrochemical، ۽ optical methods [7,8].

iodometric طريقو [9,10] پاڻي ۾ DO مواد کي ڳولڻ جو هڪ مشهور ۽ درست طريقو آهي.اهو هڪ باضابطه طريقو آهي پر هڪ پيچيده ڳولڻ وارو عمل آهي ۽ پاڻي جي معيار کي آن لائن ڳولڻ لاء استعمال نٿو ڪري سگهجي.اهو طريقو خاص طور تي ليبارٽري ماحول ۾ معيار جي طور تي استعمال ڪيو ويندو آهي (آف لائن).اليڪٽرروڪيميڪل طريقو [11-14] اليڪٽروڊس تي ريڊڪس ردعمل پاران پيدا ٿيندڙ موجوده کي ڳولڻ لاء اليڪٽرروڊ استعمال ڪندو آهي.اهو طريقو درجه بندي ڪري سگهجي ٿو پولاروگرافڪ قسم يا galvanic سيل قسم جي سڃاڻپ جي اصول جي بنياد تي.DO مواد جي ڳولا ۾ electrochemical طريقو هڪ ڊگهي تاريخ آهي؛پهريون نالو ڪلارڪ پولاروگرافڪ طريقو 1956 ۾ YSI ڪمپني جي ڪلارڪ پاران ٺاهيو ويو [12].iodometry جي ابتڙ، اليڪٽررو ڪيميڪل طريقو DO مواد کي آڪسائيڊشن-گهٽائي رد عمل جي ذريعي مانيٽر ڪري ٿو جيڪو اليڪٽرروڊ ۽ DO ماليڪيولز جي وچ ۾ ٿئي ٿو ۽ معلوم ڪرڻ جي عمل ۾ آڪسيجن استعمال ڪري ٿو.ڏنو ويو آهي ته اوزار جي وهڪري ناگزير آهي عنصرن جي وڏي تعداد سان جيڪي ڳولڻ جي نتيجن کي طئي ڪرڻ ۾ ملوث آهن، اليڪٽررو ڪيميڪل سينسر کي باقاعده حساب ڪتاب ۽ متبادل جي ضرورت آهي.آپٽيڪل DO سينسرز [15,16] آئيوڊوميٽري ۽ اليڪٽرڪ ڪيميڪل طريقن کان وڌيڪ پرڪشش آهن ڇو ته انهن وٽ تيز جوابي وقت آهي، آڪسيجن استعمال نه ڪندا آهن، وقت سان گڏ هڪ ننڍڙو وهڪرو هوندو آهي، ٻاهرين خرابين کي منهن ڏيڻ جي صلاحيت رکندا آهن، ۽ حد کان گهٽ حساب ڪتاب جي ضرورت هوندي آهي.آپٽيڪل DO سينسر جو پتو لڳائڻ جو اصول فلو فلورسنٽ quenching تي مبني آهي، جنهن ۾ فلو فلورسنٽ لائف ٽائم ڊڪشنري ۽ فل فلوروسينٽ شدت جي سڃاڻپ شامل آهي.شدت جي سڃاڻپ فوٽوڊيوڊ ذريعي حاصل ڪري سگهجي ٿي، زندگيء جي برعڪس، جيڪو مرحلو شفٽ جي بنياد تي معلوم ڪيو وڃي [17].اهو مطالعو هڪ ذهين نظري ماپ جو طريقو ٺاهي ٿو جيڪو فلو فلوروسنٽ quenching ميڪانيزم جي بنياد تي.

مٿي بيان ڪيل طريقن ۾ ڪجھ فائدا ۽ نقصان آھن جيڪي انھن کي چين ۾ آبي زراعت جي صنعت لاءِ نا مناسب بڻائين ٿا.پهريون، DO مواد جو پتو لڳائڻ مشڪل آهي aquarist لاءِ جنهن کي لازمي طور تي ڪيترن ئي عنصرن سان معاملو ڪرڻ گهرجي جيڪي آبي زراعت جي صنعت کي متاثر ڪن ٿا.ٽن طريقن جو مقابلو ڏيکاري ٿو ته اليڪٽرڪ ڪيميائي طريقو سٺو انتخاب نه آهي ڇاڪاڻ ته ان جي ڪمزور مخالف مداخلت جي ملڪيت جي ڪري.ٻيو، DO مواد مسلسل نه آهي، ۽ قدرتي پاڻي ۾ غير مناسب ڪنسنٽريشن مڇين جي موت جي ڪري ٿي.اهڙيء طرح، حقيقي وقت ۾ DO مواد کي ڳولڻ تمام ضروري آهي.بهرحال، آئوڊميٽري طريقي سان پاڻي جي نمونن کي ليبارٽري ۾ آزمايو وڃي ٿو، اهو طريقو هن سبب جي ڪري حقيقي پيداوار ۾ جاندارن جي نگراني ڪرڻ لاء غير مناسب آهي.

آخرڪار، روايتي بصري سينسر جا ڪيترائي نقصان آهن، جن ۾ خارجي درجه حرارت، دٻاء، ۽ لوڻ ۾ تبديلين جي حساسيت ۽ روشني جي ذريعا ۽ ٻرندڙ جي گھٽتائي جي ڪري رنگ جي خراب ٿيڻ يا ليچنگ شامل آهن.ذھني پروسيسنگ ماڊلز کي شامل ڪندي انھن سڀني عنصرن جو اثر گھٽجي سگھي ٿو.ٻاهرين ملڪ مان متعارف ڪرايل روايتي آپٽيڪل DO سينسر مهانگو آهي ۽ آبي زراعت جي صنعت ۾ استعمال ٿيڻ وقت ان جي اعليٰ درستگي نه آهي.اهڙيءَ طرح، هڪ سستو ۽ ذهين وقف ٿيل آپٽيڪل DO سينسر کي ڊزائين ڪرڻ ۽ تيار ڪرڻ ضروري آهي. هي مطالعو پيش ڪري ٿو ۽ ترقي ڪري ٿو هڪ ذهين DO ماپي جو طريقو فلو فلوروسينٽ quenching ميڪانيزم جي بنياد تي.سينسر ۾ چار ماڊيول شامل آھن: فلو فلوروسنٽ quenching جو پتو لڳائڻ، سگنل ڪنڊيشن، ذھني پروسيسنگ، ۽ پاور سپلائي ماڊل.fluorescent quenching تي ٻڌل سينسر جا ڪيترائي فائدا آھن: گھٽ پاور واپرائڻ، ننڍي سائيز، اعليٰ درستگي، ۽ iodometry يا electrochemical sensors کان وڌيڪ مضبوط مخالف مداخلت جا خاصيتون.

2. مواد ۽ طريقا

2.1.آپٽيڪل حل ٿيل آڪسيجن سينسر جي مجموعي ڊيزائن

غير مستحڪم اثر انداز ڪندڙ عنصر جي موجودگي کي نظر ۾ رکندي، سينسر فلو فلوروسينس کي ختم ڪرڻ جي بنياد تي هڪ نظرياتي تحقيق کي اختيار ڪري ٿو.روايتي DO سينسر جي مقابلي ۾، هن مطالعي ۾ تجويز ڪيل ذهانت آپٽيڪل DO سينسر ۾ هڪ بهتر تحقيق جي جوڙجڪ ۽ هڪ اضافي ذهين پروسيسنگ ماڊل آهي.اهي calibration parameters transducer اليڪٽرانڪ ڊيٽا شيٽ (TEDS) ياداشت ۾ محفوظ ٿيل آهن.شڪل 1 ڏيکاري ٿو ته فلو فلورسنٽ quenching معلوم ڪرڻ، سگنل ڪنڊيشن، ذھني پروسيسنگ، ۽ پاور سپلائي ماڊلز ذھني سينسر ۾ شامل آھن.فلو فلوروسنٽ quenching ڳولڻ جي ماڊل ۾ هڪ درجه حرارت جي جاچ ۽ هڪ DO جاچ شامل آهي.گرمي پد جي جاچ پاڻي جي درجه حرارت جي سگنلن کي گڏ ڪرڻ جو ذميوار آهي، ۽ DO جاچ DO سگنل گڏ ڪرڻ جو ذميوار آهي.اصل ان پٽ سگنل کي 0-2.5 V وولٽيج سگنل ۾ سگنل ڪنڊيشننگ سرڪٽس ذريعي تبديل ڪري سگھجي ٿو.MSP430 مائڪرو ڪنٽرولر، جيڪو ذھني پروسيسنگ ماڊل جو بنيادي آھي، سگنل ڪنڊيشن سرڪٽ، TEDS ياداشت، ۽ سيريل انٽرفيس سان ڳنڍيل آھي [18].گڏ ڪيل ڊيٽا ملٽي پروب ڊيٽا فيوزن ٽيڪنالاجي جي ذريعي فيوز ڪئي وئي آهي، ۽ حاصل ڪيل ڊي او ويليو کي مائڪرو ڪنٽرولر پاران پروسيس ۽ تجزيو ڪرڻ کان پوءِ مطابقت رکندڙ RS485 انٽرفيس ذريعي منتقل ڪيو ويندو آهي.RS485 انٽرفيس مائڪرو ڪنٽرولر کي اپر پي سي سان رابطو ڪرڻ جي اجازت ڏئي ٿو.سينسر هڪ آن آف پاور سپلائي طرفان طاقتور آهي، جيڪو پڻ MSP430 مائڪرو ڪنٽرولر طرفان ڪنٽرول ڪيو ويندو آهي.

2.2.فلورسنٽ ڪونچنگ ڊيٽيڪشن ماڊل جي ڊيزائن

فلو فلورسنٽ quenching معلوم ڪرڻ واري ماڊل جي اسڪيميٽ شڪل 2 ۾ ڏيکاريل آهي. تحقيق جي ڊيگهه تقريبن 16 سينٽي ميٽر ۽ قطر 4 سينٽي ميٽر آهي.ڪمپيڪٽ پروب جي جوڙجڪ آبي زراعت جي صنعت جي ضرورتن سان مطابقت لاءِ استعمال ٿئي ٿي.جيئن تصوير 2 ۾ بيان ڪيو ويو آهي، ڊي او پروب ۾ ڊبل هاءِ برائيٽنيس نيري LEDs، سول-جيل فيفلم، گلاس سلائيڊ، ريڊ آپٽيڪل فائيفلٽر، بليو آپٽيڪل فلٽر پيپر، ۽ سلڪون فوٽوڊيوڊ شامل آهن.ھن ماڊل ۾ پلاٽينم مزاحمت پڻ شامل آھي ماپ دوران محيطي جي درجه حرارت جي نگراني ڪرڻ لاءِ.فلورسنٽ جي شدت ۽ درجه حرارت کي پروسيس ڪيو ويو آهي سافٽ ويئر ۾ گرمي پد جي حساب سان.

ٻٽي تيز روشني واري نيري LEDs (LA470-02) ساڳئي تعدد تي ماڊل ٿيل آهن، انهي ڪري جو حوالو LED استعمال ڪري سگهجي ٿو جوش LED کي معاوضو ڏيڻ لاءِ ڇاڪاڻ ته نيري LEDs جي روشني جي شدت جو نقصان بلڪل ساڳيو آهي.ساڳئي تعدد تي، فوٽوڊيوڊ پس منظر جي تابڪاري کي گھٽائي سگھي ٿو ماپ جي ماحول ۾ محيطي روشني جي ڪري ۽ ڪنهن به فلوروسنٽ مواد جي جوش کان بچڻ.ان کان علاوه، LEDs جي شدت گھٽ سطح تي گھٽجي ويندي آھي جنھن تي رنگ جي ڦوٽو بليچنگ رجحان واقع ٿيڻ جو ھڪڙو ننڍڙو امڪان آھي [19].نيري excitation LED جي مرڪزي ويڪرائي ڦاڪ اٽڪل 465 nm آهي، جنهن کي هڪ نيري بينڊ پاس فلٽر پيپر ذريعي فلٽر ڪيو ويو آهي ته جيئن ٻين موج جي روشنيءَ کي اسڪرين ڪڍي سگهجي.تجرباتي نتيجن مان ظاهر ٿئي ٿو ته نيري روشني حساس جھلي کي 650 nm تي فلو فلوروسنس خارج ڪرڻ لاءِ آمادو ڪري سگهي ٿي.پراسياتي روشنيءَ جي اثر کي گھٽائڻ لاءِ، پروب LEDs جي سامهون نيري بينڊ پاس فلٽر پيپرز (OF1 ۽ OF2) سان ليس آهي ۽ سلکان فوٽوڊيوڊ جي سامهون ڳاڙهي هاءِ-پاس فلٽر (OF3) سان.سلڪون فوٽوڊيوڊ (OPT 301) استعمال ڪيو ويندو آهي فلو فلوروسينس حاصل ڪرڻ لاءِ جيڪو سول-جيل فيفلم مان خارج ٿئي ٿو ۽ ريفرنس LED مان نيري روشني.نيري excitation LED ۽ نيري ريفرنس LED کي ڳاڙهي هاءِ پاس فيفلٽر جي مختلف پاسن تي الڳ ڪيو ويو آهي، جيڪو پاراسائيٽ لائيٽ کي ختم ڪرڻ ۽ آپٽيڪل سگنل جي چڪاس جي درستگي جي ضمانت ڏيڻ ۾ فائديمند آهي. DO سينسر ۽ ان جي ڪارڪردگي خاص طور تي سينسر جي درستگي، ڪارڪردگي ۽ استحڪام کي متاثر ڪري ٿو.محقق ڪيترن ئي مطالعي تي فلو فلوروسينس اشارن تي ڪيا آهن [20-22] ۽ ڏٺائين ته سڀ کان وڌيڪ عام فلوروسنٽ اشارن ۾ ڌاتو پورفيرين ڪمپليڪس، نامياتي پولي سائڪلڪ آروميڪٽ هائڊرو ڪاربن، ۽ منتقلي دھاتي ڪمپليڪس شامل آهن [23].Ru(bpy)3Cl2 هن مطالعي ۾ فلو فلوروسينس اشاري جي طور تي چونڊيو ويو آهي ڇاڪاڻ ته ان جي انتهائي خارجي ڌاتو-کان-لگينڊ چارج-منتقلي حالت، ڊگهي زندگي، ۽ اسپيڪٽرم جي نيري-سائي علائقي ۾ مضبوط جذب، جنهن سان مطابقت رکي ٿي. تيز روشني نيري LED [20].رنگ هڪ سوراخ ۽ هائيڊروفوبڪ سول-جيل فيفلم ۾ ڀريل آهي جيڪو تقريبا 0.04 ملي ميٽر آهي.سول-جيل فيفلم شيشي جي سلائڊ جي مٿاڇري تي نصب ٿيل آهي، جيڪا حوصلا افزائي ۽ روشنيء ۾ داخل ٿيڻ لاء شفاف هجڻ گهرجي.فلم کي پڻ آرڪ جي شڪل ۾ هجڻ گهرجي ۽ هڪ مستحڪم سائيز برقرار رکڻ گهرجي؛آرڪ مٿاڇري کي رابطي جي علائقي کي وڌائڻ ۽ سطح جي بلبل کان بچڻ لاء ٺهيل آهي.sensor جي آپريٽنگ اصول fluorescent quenching ميڪانيزم تي ٻڌل آهي.fluorescent quenching عمل Stern-Volmer مساوات [24-26] جي ذريعي بيان ڪيو ويو آهي.

12 13
1314
15161718192021

پوسٽ ٽائيم: مارچ-26-2022