Fengmei Li, Yaoguang Wei *, Yingyi Chen, Daoliang Li na Xu Zhang
Imepokelewa: 1 Oktoba 2015;Imekubaliwa: 1 Desemba 2015;Iliyochapishwa: 9 Desemba 2015
Mhariri wa Kitaaluma: Frances S. Ligler
Chuo cha Habari na Uhandisi wa Umeme, Chuo Kikuu cha Kilimo cha China, 17 Tsinghua East Road,
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
Muhtasari:Oksijeni iliyoyeyushwa (DO) ni sababu kuu inayoathiri ukuaji mzuri wa samaki wa samaki katika ufugaji wa samaki.Maudhui ya DO hubadilika na mazingira ya majini na kwa hiyo yanapaswa kufuatiliwa mtandaoni.Hata hivyo, mbinu za jadi za kupima, kama vile iodometry na mbinu nyingine za uchanganuzi wa kemikali, hazifai kwa ufuatiliaji mtandaoni.Mbinu ya Clark si dhabiti vya kutosha kwa muda mrefu wa ufuatiliaji.Ili kutatua matatizo haya, karatasi hii inapendekeza mbinu ya akili ya kupima DO kulingana na utaratibu wa kuzima wa flfluorescence. Mfumo wa kipimo unajumuisha ugunduzi wa kuzima kwa fluorescent, uwekaji wa ishara, usindikaji wa akili, na moduli za usambazaji wa nishati.Uchunguzi wa macho hutumia utaratibu wa kuzima kwa fluorescent ili kutambua maudhui ya DO na kutatua tatizo, ambapo mbinu za jadi za kemikali huathiriwa kwa urahisi na mazingira.Kichunguzi cha macho kina kidhibiti joto na vyanzo viwili vya msisimko ili kutenga mwanga wa vimelea unaoonekana na kutekeleza mkakati wa fidia.Moduli ya uchakataji mahiri inachukua kiwango cha IEEE 1451.2 na inatambua fidia ya akili.Matokeo ya majaribio yanaonyesha kuwa mbinu ya kipimo cha macho ni thabiti, sahihi, na inafaa kwa ufuatiliaji wa DO mtandaoni katika programu za ufugaji wa samaki.
1. Utangulizi
Oksijeni iliyoyeyushwa (DO) inarejelea molekuli za oksijeni zinazoyeyushwa ndani ya maji na ni muhimu kudumisha maisha ya binadamu na wanyama.Oksijeni ni uchanganuzi muhimu kwa sababu ya jukumu lake kuu katika sayansi ya maisha, teknolojia ya kibayoteknolojia, dawa na tasnia ya ufugaji wa samaki.Maudhui ya DO katika maji ni dalili ya ubora wa maji, na udhibiti wa makini wa viwango vya oksijeni ni muhimu katika michakato ya utakaso wa maji machafu [1,2].Ubora wa maji unahusiana kwa karibu na uchafu uliopo kwenye maji, kama vile H2S, NO2, NH4+, na vitu vya kikaboni.Sifa za maji machafu, ikiwa ni pamoja na rangi, mahitaji ya oksijeni ya kemikali (COD), na mahitaji ya oksijeni ya kibayolojia (BOD), huonyesha mahususi kiwango cha uchafuzi wa maji taka ya viwandani [3].Wakati huo huo, DO ina jukumu muhimu sana katika afya na ukuaji wa viumbe vya majini [4,5].Maudhui ya DO ya chini ya 2 mg/L kwa idadi fulani ya saa husababisha kukosa hewa na kufa kwa viumbe vya majini [6].Kwa binadamu, maudhui ya DO katika maji ya kunywa haipaswi kuwa chini ya 6 mg/L.Kwa hivyo, uamuzi wa viwango vya oksijeni ni muhimu sana katika tasnia ya ufugaji wa samaki na katika maisha ya kila siku.Hata hivyo, kufuatilia maudhui ya DO pamoja na mambo yake yote ya nje ya ushawishi, kama vile halijoto, shinikizo, na chumvi, ni vigumu.Ili kupata maudhui sahihi ya DO, mbinu ya utambuzi inapaswa kutekeleza fidia ya akili.Kwa ujumla, mbinu tatu zinaweza kutumika kuchunguza maudhui ya DO: iodometric, electrochemical, na njia za macho [7,8].
Njia ya iodometri [9,10] ni njia maarufu na sahihi ya kugundua maudhui ya DO katika maji.Ni mbinu ya kidhahania lakini ina mchakato changamano wa kutambua na haiwezi kutumiwa kutambua ubora wa maji mtandaoni.Njia hii hutumiwa hasa kama kipimo katika mazingira ya maabara (ya nje ya mtandao).Mbinu ya kielektroniki [11-14] hutumia elektrodi kugundua sasa inayozalishwa na athari za redoksi kwenye elektrodi.Njia hii inaweza kuainishwa kama aina ya polarografia au aina ya seli ya galvaniki kulingana na kanuni ya utambuzi.Njia ya electrochemical ina historia ndefu katika kugundua maudhui ya DO;njia ya kwanza inayoitwa Clark polarografia iliundwa na Clark wa Kampuni ya YSI mnamo 1956 [12].Tofauti na iodometry, mbinu ya kielektroniki hufuatilia maudhui ya DO kwa mmenyuko wa kupunguza oksidi unaotokea kati ya elektrodi na molekuli za DO na hutumia oksijeni katika mchakato wa kugundua.Kwa kuzingatia kwamba utelezi wa ala hauepukiki pamoja na idadi kubwa ya mambo ambayo yanahusika katika kubainisha matokeo ya ugunduzi, vihisi vya kielektroniki vinahitaji urekebishaji na uingizwaji mara kwa mara.Sensorer za DO za macho [15,16] zinavutia zaidi kuliko iodometri na mbinu za elektrokemikali kwa sababu zina wakati wa kujibu haraka, hazitumii oksijeni, zina mwendo mdogo kwa wakati, zina uwezo wa kuhimili usumbufu wa nje, na zinahitaji urekebishaji wa kando.Kanuni ya ugunduzi wa vitambuzi vya macho vya DO inategemea kuzima kwa fluorescent, ikiwa ni pamoja na utambuzi wa maisha ya fluorescent na utambuzi wa nguvu ya fluorescent.Ugunduzi wa ukubwa unaweza kupatikana kupitia photodiode, tofauti na maisha, ambayo inapaswa kutambuliwa kulingana na mabadiliko ya awamu [17].Utafiti huu unakuza mbinu ya akili ya kipimo cha macho kulingana na utaratibu wa kuzima wa fluorescent.
Mbinu zilizotajwa hapo juu zina faida na hasara fulani ambazo zinazifanya kuwa zisizofaa kwa tasnia ya ufugaji wa samaki nchini Uchina.Kwanza, ugunduzi wa maudhui ya DO ni mgumu kwa mtaalamu wa aquarist ambaye lazima ashughulikie mambo mengi ambayo yanaathiri tasnia ya ufugaji wa samaki.Ulinganisho wa njia tatu unaonyesha kuwa njia ya electrochemical sio chaguo nzuri kwa sababu ya mali dhaifu ya kupinga kuingiliwa.Pili, maudhui ya DO sio mara kwa mara, na mkusanyiko wa kutosha katika maji ya asili husababisha kifo cha fifishes.Kwa hivyo, kugundua maudhui ya DO kwa wakati halisi ni muhimu sana.Hata hivyo, sampuli za maji za njia ya iodometry lazima zijaribiwe katika maabara, na kufanya njia hii isifae kwa ufuatiliaji wa viumbe katika uzalishaji halisi kwa sababu hii.
Hatimaye, vitambuzi vya jadi vya macho vina hasara kadhaa, ikiwa ni pamoja na kukabiliwa na mabadiliko ya halijoto ya nje, shinikizo, na chumvi na kupunguza chanzo cha mwanga na kuteleza kwa sababu ya kuharibika au kuvuja kwa rangi.Ushawishi wa mambo haya yote unaweza kupunguzwa kwa kuongeza moduli za usindikaji za akili.Sensor ya kawaida ya macho ya DO iliyoletwa kutoka nje ya nchi ni ghali na haina usahihi wa juu inapotumiwa katika sekta ya ufugaji wa samaki.Kwa hivyo, kubuni na kutengeneza kihisi cha DO cha macho cha bei ghali na cha akili ni muhimu. Utafiti huu unapendekeza na kukuza mbinu ya akili ya kupima DO kulingana na utaratibu wa kuzima kwa fluorescent.Sensor ina moduli nne: utambuzi wa kuzima kwa fluorescent, hali ya mawimbi, usindikaji wa akili na moduli za usambazaji wa nishati.Kihisi kinachozingatia uzimaji wa fluorescent kina vipengele kadhaa vya manufaa: matumizi ya chini ya nishati, saizi ndogo, usahihi wa juu, na sifa dhabiti za kuzuia mwingiliano kuliko vitambuzi vya iodometry au electrochemical.
2. Nyenzo na Mbinu
2.1.Muundo wa Jumla wa Sensor ya Oksijeni Iliyoyeyushwa
Kwa kuzingatia uwepo wa sababu zisizo thabiti za ushawishi, sensor inachukua uchunguzi wa macho kulingana na kuzima kwa fluorescence.Ikilinganishwa na kihisi cha kawaida cha DO, kihisi cha DO chenye akili kilichopendekezwa katika utafiti huu kina muundo wa uchunguzi ulioimarishwa na moduli ya ziada ya uchakataji mahiri.Vigezo hivi vya urekebishaji huhifadhiwa kwenye kumbukumbu ya karatasi ya data ya kielektroniki ya transducer(TEDS).Kielelezo cha 1 kinaonyesha kuwa ugunduzi wa kuzima kwa mwanga wa fluorescent, hali ya mawimbi, uchakataji mahiri, na moduli za usambazaji wa nishati zimejumuishwa kwenye kihisia mahiri.Moduli ya utambuzi wa kuzima kwa fluorescent ina uchunguzi wa halijoto na uchunguzi wa DO.Kichunguzi cha halijoto kinawajibika kukusanya mawimbi ya halijoto ya maji, na uchunguzi wa DO unawajibika kukusanya mawimbi ya DO.Ishara ya awali ya pembejeo inaweza kubadilishwa kuwa ishara ya voltage ya 0-2.5 V na nyaya za hali ya ishara.Kidhibiti kidogo cha MSP430, ambacho ndicho kiini cha moduli ya uchakataji wa akili, imeunganishwa kwenye saketi za uwekaji mawimbi, kumbukumbu ya TEDS, na kiolesura cha serial [18].Data iliyokusanywa huunganishwa kupitia teknolojia ya muunganisho wa data wa uchunguzi mbalimbali, na thamani ya DO inayopatikana huhamishwa kupitia kiolesura kinachooana cha RS485 baada ya kuchakatwa na kuchambuliwa na kidhibiti kidogo.Kiolesura cha RS485 kinaruhusu kidhibiti kidogo kuwasiliana na Kompyuta ya juu.Sensor inaendeshwa na umeme wa kuzima, ambao pia unadhibitiwa na microcontroller ya MSP430.
2.2.Muundo wa Moduli ya Utambuzi wa Uzima wa Fluorescent
Mchoro wa moduli ya utambuzi wa kuzima kwa fluorescent umeonyeshwa kwenye Mchoro 2. Uchunguzi una urefu wa takriban sm 16 na kipenyo cha sm 4.Usanidi wa uchunguzi wa kompakt hutumiwa kwa utangamano na mahitaji ya tasnia ya ufugaji wa samaki.Kama inavyoonyeshwa kwenye Mchoro wa 2, uchunguzi wa DO una taa mbili za samawati zenye mwangaza mwingi, filamu ya sol-gel, slaidi ya glasi, kichujio chekundu cha macho, karatasi ya kichujio cha macho ya samawati, na picha ya silicon.Moduli hii pia inajumuisha upinzani wa platinamu kufuatilia hali ya joto iliyoko wakati wa vipimo.Nguvu ya umeme na halijoto huchakatwa katika programu kwa ajili ya kurekebisha halijoto.
LED za bluu zenye mwanga mwingi (LA470-02) zimerekebishwa kwa masafa sawa, ili LED ya marejeleo itumike kufidia LED ya msisimko kwa sababu upotezaji wa mwangaza wa taa za bluu ni sawa kabisa.Kwa masafa sawa, photodiode inaweza kupunguza mionzi ya nyuma kutokana na mwanga iliyoko katika mazingira ya kipimo na kuepuka msisimko wa nyenzo yoyote ya fluorescent.Kwa kuongeza, ukubwa wa LEDs hupunguzwa hadi kiwango cha chini ambapo jambo la kupiga picha la rangi lina uwezekano mdogo wa kutokea [19].Urefu wa kati wa LED ya msisimko wa bluu ni takriban nm 465, ambayo huchujwa kwa karatasi ya kichujio cha bendi ya bluu ili kuchuja mwanga wa urefu mwingine wa mawimbi.Matokeo ya majaribio yanaonyesha kuwa mwanga wa bluu unaweza kushawishi utando nyeti kutoa fluorescence katika 650 nm.Ili kupunguza athari ya mwanga wa vimelea, uchunguzi una karatasi za kichujio cha bendi ya bluu (OF1 na OF2) mbele ya taa za LED na kichujio chekundu cha pasi ya juu (OF3) mbele ya fotodiode ya silicon.Silicon photodiode (OPT 301) hutumika kupokea fluorescence inayotolewa kutoka kwa filamu ya sol-gel na mwanga wa bluu kutoka kwa LED ya marejeleo.LED ya msisimko wa bluu na LED ya rejeleo la bluu hutenganishwa kwa pande tofauti za kichujio chekundu cha kupitisha, ambayo ni ya manufaa katika kukata mwanga wa vimelea na kuhakikisha usahihi wa kutambua ishara ya macho. Filamu ya kuhisi ya fluorescent ni sehemu muhimu zaidi ya filamu Kihisi cha DO na utendakazi wake huathiri kwa kiasi kikubwa usahihi, ufaafu na uthabiti wa kitambuzi.Watafiti wamefanya tafiti kadhaa juu ya viashirio vya fluorescence [20-22] na kugundua kwamba viashirio vya kawaida vya fluorescent vina mchanganyiko wa chuma wa porphyrin, haidrokaboni ya polycyclic yenye kunukia, na mchanganyiko wa metali ya mpito [23].Ru(bpy)3Cl2 imechaguliwa kama kiashirio cha fluorescence katika utafiti huu kwa sababu ya hali yake ya kutotoa moshi ya uhawilishaji wa chuma-to-ligand, maisha marefu, na ufyonzaji wake mkubwa katika eneo la bluu-kijani la wigo, ambalo linatangamana na LED ya bluu yenye mwangaza wa juu [20].Rangi imenaswa kwenye filamu ya sol-gel yenye vinyweleo na haidrofobi ambayo ni takriban 0.04 mm.Filamu ya sol-gel imewekwa kwenye uso wa slide ya kioo, ambayo inapaswa kuwa wazi kwa msisimko na luminescence kupenya.Filamu inapaswa pia kuwa katika sura ya arc na kudumisha ukubwa thabiti;uso wa arc umeundwa ili kuongeza eneo la kuwasiliana na kuepuka Bubble ya uso.Kanuni ya uendeshaji wa sensor inategemea utaratibu wa kuzima wa fluorescent.Mchakato wa kuzima wa fluorescent unaelezewa na usawa wa Stern-Volmer [24-26].
Muda wa posta: Mar-26-2022