溶解氧是液體中溶解的氧氣量，其來源包括大氣中的氧氣和水生植物的光合作用，通常用濃度（例如毫克/升、ppm或ppb）來表示。作為呼吸作用的必要物質，缺乏溶氧會導致生物無法進行正常呼吸。
溶氧受溫度、壓力、濕度、生物活動，以及有機和無機物等因素影響。對許多生技製程、工業製程而言，溶氧是關鍵製程參數（Critical Process Parameter, CPP），因為它直接影響著許多生物和化學過程的進行，實時監測溶氧可以隨時調整濃度，避免製程成效大打折扣外，更可以優化製程。
傳統/光學溶氧差異？
傳統溶氧原理
傳統溶氧感測器主要有兩種類型，分別是：
- 極譜式電極（Polarographic Dissolved Oxygen Electrode）：
利用氧氣的還原反應來測量氧氣濃度。從陽極到陰極的電流代表了測量信號，與被測溶液中氧氣的分壓成正比，通過測量氧氣還原的電流來推斷氧氣濃度。
陽極（銀）氧化反應：4 Ag ￫ 4 Ag+ + 4 e–
陰極（白金）還原反應：O₂ + 2 H₂O + 4 e– ￫ 4 OH–
以上的化學反應不會自動開始，使用前需要先通電極化數個小時才能使用。
圖片來源
- 原電池式電極（Galvanic Dissolved Oxygen Electrode）：
利用氧氣在電解質中的擴散過程來測量氧氣濃度。氧氣會以與水中氧氣壓力成比例的速率穿過透氧膜，並在陰極處被還原和消耗。通常是利用氧氣與金屬電極間的電化學反應來產生電流，從而測量氧氣濃度。
陽極（鉛）氧化反應：2 Pb ￫ 2 Pb2+ + 4 e–
陰極（銀）還原反應：O₂ + 2 H₂O + 4 e– ￫ 4 OH–
由於陽極（鋅或鉛）和陰極（銀）的材料特性，原電池式電極會自極化。
傳統溶氧感測器已在市場多年，具有初期投入成本較低的優點。然而，它們存在一些缺點。首先，這些感測器需定期更換極化陰極、膜片、帽蓋、電解液，這增加了維護成本和操作風險。其次，傳統感測器在初次使用時需要長達數小時的極化時間，無法即插即用。此外，由於感測器的校準和維護比較困難，需要有經驗的人員進行程序。
光學溶氧原理
光學溶氧感測器的原理是螢光淬滅（Luminescence Quenching）。當感測器發出LED光，氧氣分子與螢光染料接觸時，會導致螢光淬滅。這種淬滅效應與溶解氧的濃度成正比，因此可以通過光源接受器測量螢光淬滅的程度，進而推導出溶解氧的濃度，這個針對氧分子的測量原理的優點是不會受其他分子干擾影響。
光學溶氧感測器不受流速、突然的壓力變化、攪拌速度、安裝角度、氣泡、呼吸作用產生的二氧化碳或其他酸性氣體造成的數值偏移等因素的影響，在各種工業製程中都能夠可靠地應用。此外，光學溶解感測器通常設計為無需外部電極接觸液體，解決了傳統溶氧電極腐蝕和極化效應的問題。
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光學溶氧 |
傳統溶氧 |
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精確度 |
極佳(大氣時~± 0.2 %) |
佳(大氣時~± 2 %) |
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耗材 |
帽蓋(壽命長) |
陰極、膜片、帽蓋、電解液(更換頻率高) |
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反應速率 |
快 (<30秒) |
中 (<60秒) |
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操作風險 |
低 |
高(帽蓋、陰極刮傷或破裂) |
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初始極化 |
無，即插即用 |
數小時 |
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環境影響 |
低(強酸、強鹼) |
高(流速、CO2、壓力突波、化學成分) |
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安裝角度 |
360度 |
限制 |
常見應用案例
生技業：
在生物反應器（Bioreactor）中，溶解氧的控制是維持微生物與細胞生長的關鍵因素之一。微小的溶氧濃度變化可能會對最終產品效價產生巨大影響，因此需要精準監測。生技製程要求感測器可耐多次Autoclavation與SIP，並且符合GMP與FDA規範——查看我們的產品【VisiFerm RS485-ECS】
啤酒釀造業：
在發酵過程中，溶解氧濃度過高會讓啤酒的風味變質、泡沫量不穩定和釀造效率差。因此在發酵前後的過濾與裝瓶都要嚴加控管溶氧濃度。另外，近年環保意識興起，ESG法規因應而生，釀造製程中大量的二氧化碳如何有效被回收再利用也是企業減碳重點，實時監測溶氧可以確保回收後的氣體不會汙染產品。通常製程的溶氧濃度在5-200ppb之間，需要高精度的感測器才能確保細微的變化也在控制之中
——查看我們的產品【VisiTrace RS485】【CO2NTROL(光學二氧化碳電極)】
廢汙水處理：
在汙水處理過程中，溶解氧的監測可以幫助確保生物處理的通氣過程有效進行，並減少有害氣體的產生——查看我們的產品【VisiWater DO】
發電廠：
發電廠必須確保高溫高壓的環境下，管路不因溶解氧過高導致鏽蝕，進而造成破裂，造成不可收拾的災難。液體的溶氧濃度通常在0-10ppb之間。有時要求ATEX, IECEx防爆認證——查看我們的產品【VisiTrace mA】
藻類培養：
藻類培養池中，控制溶解氧的濃度可以確保藻類的生長過程順利進行，並提高產量和品質。溶解氧濃度過低可能導致藻類缺氧，從而影響其生長和生產效率——查看我們的產品【VisiWater DO】【CO2NTROL(光學二氧化碳電極)】
水族館：
在水族館中，魚類和其他水生生物需要充足的溶解氧來進行呼吸作用。水族館通常會監測水中的溶解氧濃度，並通過通氣、增氧設備等方式來確保動植物的生存環境——查看我們的產品【VisiWater DO】
水產養殖業：
在養殖業，特別是在水產養殖中，溶解氧的濃度對於魚類、蝦類等水生生物的生長和發育至關重要。適當的溶解氧濃度有助於提高養殖品質和生產效率，並減少魚病的發生——查看我們的產品【VisiWater DO】
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