利用声致发光原理检测水质装置的设计

　　超声波通过液体时，液体中存在空化核的地方会形成负压，产生大量的气泡。当超声波能量足够高时，会产生“超声空化”现象，即存在于液体中的微小气泡(空化核)在超声场的作用下振动、生长并不断聚集声场能量，当能量达到某个阈值时，空化气泡产生急剧崩溃闭合。这些空化泡在足够高的声压作用下，在声场的负压相得到充分的膨胀，而在声场的正压相被急剧地压缩，并发生爆炸性的塌缩而导致发光，这就是声致发光(sonoluminescence，SL)[1-2]。

　　声致发光的光发射机理至今仍是物理学研究的重点方向[3]。1983 年日本学者首先应用声致发光分析有机物溶液中的有机物浓度，结果显示，声致发光对有机物的不同浓度有区分性，分析结果良好[4-5]。年，俄罗斯声学家研究了血浆中的声致发光，发现声致发光可以用于检测癌症[6-7]。也有人尝试将声致发光用于水体的化学耗氧量(COD)的测定[8-9]，有关工作正在开展中。声致发光技术在医学与环境监测中的应用虽然刚起步，但相信随着研究的深入，其应用前景会更加广阔。但是，这项技术在环境监测方面还停留在实验室阶段，尚不完善，没有应用到实际环境监测中，不能实时监测和检测环境中的水体质量。

　　本文提出了一种利用声致发光原理检测水质的装置，可以快速获取水体样品中声致发光强度的大小，以及随着声功率的不同产生的发光强度的变化规律，进而能够实时检测水体质量。

　　1 总体设计

　　1.1 设计原理

　　应用声致发光原理检测水质中污染物的研究，是集成超声波技术、光学技术、微弱光探测和化学分析等技术形成的新的研究方法。超声作用在水和水溶液中产生大量气泡形成空化区域(空化雾)，在此进行声化学反应就产生了声致发光。声致发光是一种微弱的发光现象，当溶液被超声波激励产生空化效应时会伴随发光现象，发光频率比可见光或红外线的频率更高。影响声致发光的因素很多，除声学参数(如:声强、声源频率、声辐照面积等)外，溶液自身参数对声致发光也有影响。自然界中的生物和人造有机物、无机碘化物、溶解气体、胶体分子、声致发光和化学发光的催化剂和抑制剂，以及在紫外和可见光谱范围内具有生色团的物质等等，都可以通过声致发光激励谱特征来区分。这样就可以利用声致发光的原理寻找化学异常，评估水质的污染程度。

　　1.2 系统组成

　　本文设计的利用声致发光原理检测水质的装置，由抽水部分、反应室、超声波驱动部分、光电转换部分、废液收集部分和控制部分6个主要部分组成。抽水部分包括由抽水管路连接的抽水泵和样品容器，通过管路与反应室的进样口连接。反应室包括进样口、溢水口和探测窗口。超声波驱动部分包括驱动电源、换能器，超声波驱动部分有可以调节超声波功率的结构，其换能器与反应室通过机械结构连接。光电转换部分包括光电倍增管和电脑，光电倍增管通过反应室的探测窗口探测声致发光的光信号。废液收集部分包括废液收集容器，通过溢水口的水管与反应室相连。控制部分控制内部各环节的工作顺序，并通过USB接口与电脑连接，电脑通过声致发光控制软件进行控制。装置的组成部分如图1所示。