CN100529740C - 具有内参比的荧光pH传感器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种具有内参比的荧光pH传感器，包括硅烷化处理过的玻片，还包括卟啉衍生物和苯并硫杂蒽衍生物。一种制备所述具有内参比的荧光pH传感器的方法包括以下步骤：将卟啉衍生物和苯并硫杂蒽衍生物溶于N，N-二甲基甲酰胺中，依次加入丙烯酰胺，甲基丙烯酸羟乙酯，三乙二醇二甲基丙烯酸酯，三乙醇胺和2-羟基-甲基苯基丙烷-1-酮，取适量最终所得溶液滴于聚四氟乙烯板上，用硅烷化的玻片盖于其上，紫外光下照射，光聚合后用蒸馏水冲洗玻片，室温干燥，即制得具有内参比的荧光pH传感器。本发明的优点为：实现了同时共价固定敏感染料和参比染料的荧光pH传感器的制备，测量信号可以更准确地反映pH的变化。

Description

具有内参比的荧光pH传感器及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种传感器及其制备方法，具体涉及一种具有内参比的荧光pH传感器及制备方法。

背景技术

pH值的测定在各类科学研究和实际应用中是很重要的，pH传感器的研制也备受关注。目前使用最广泛的pH传感器是玻璃电极pH传感器，但是其存在阻抗高、易破损，在高碱度情况下存在“钠误差”等缺陷。

光纤pH传感器针对玻璃电极pH传感器的不足有了很大的改进，在光纤pH传感器的研究中，由于荧光法固有的灵敏度与选择性，荧光测量信号的丰富及设计的简便，基于荧光原理的传感器研究异常活跃。文献已报道了许多荧光pH传感器，主要是通过测量荧光强度的变化、荧光寿命的长短或两个波长处荧光强度比率的改变来实现溶液中的pH测定。其中，基于荧光强度测量的传感器占多数，但它易受设备本身条件和外界环境的影响，如激发光源的波动、光纤的传输变化、样品的光散射等。基于荧光寿命变化的传感器虽不存在上述问题，但因其设备复杂、费用高，在实际应用中受到限制。随着研究的深入，荧光比率传感器越来越受到重视，一种是利用荧光染料能对底物产生两个荧光强度(不同激发或发射波长处)的变化，从而消除设备本身条件和外界环境变化引起的测量误差。然而目前这种具有双波长的、对pH敏感的荧光染料还很少；另一种是利用两种荧光染料，即对pH变化敏感的敏感染料和对pH变化不敏感的参比染料实现荧光比率测量。尽管已知的pH敏感染料种类丰富，但目前所报道的文献大多局限于以荧光素类衍生物作为敏感染料。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种响应快、选择性好、灵敏度高，用新型荧光染料制备敏感染料和参比染料的具有内参比的荧光pH传感器。

本发明的另一目的还在于提供一种制备具有内参比的荧光pH传感器的方法。

为解决上述问题，本发明采取以下技术方案：

具有内参比的荧光pH传感器，包括硅烷化处理过的玻片、敏感染料卟啉衍生物和参比染料苯并硫杂蒽衍生物；所述卟啉衍生物为带有端基双键的5，10，15，20-四(4-烯丙氧基苯基)卟啉(TAPP)；所述苯并硫杂蒽衍生物为带有端基双键的N-甲基丙烯酰氧乙基-苯并硫杂蒽-3，4-二甲酰亚胺(MBTD)；所述TAPP与MBTD共聚在所述硅烷化处理过的玻片上。

具有内参比的荧光pH传感器制备方法为：

a.将质量比为1～15∶1的敏感染料卟啉衍生物和参比染料苯并硫杂蒽衍生物溶于与参比染料摩尔比为500～1000∶1的N，N-二甲基甲酰胺中；

b.往上述溶液中依次加入与参比染料摩尔比分别为400～700∶1的丙烯酰胺，300～1000∶1的甲基丙烯酸羟乙酯，50～200∶1的交联剂三乙二醇二甲基丙烯酸酯，50～250∶1的三乙醇胺和250～400∶1光敏剂2-羟基-甲基苯基丙烷-1-酮；

c.取0.10～0.20ml步骤b中最终所得溶液滴于聚四氟乙烯板上，用硅烷化的玻片盖于其上，在紫外光下照射10～50min，光聚合后用蒸馏水冲洗玻片，室温干燥，制得含光极膜薄层的玻片，即制得具有内参比的荧光pH传感器。

所述步骤a中敏感染料卟啉衍生物为带有端基双键的5，10，15，20-四(4-烯丙氧基苯基)卟啉(TAPP)；所述参比染料苯并硫杂蒽衍生物为带有端基双键的N-甲基丙烯酰氧乙基-苯并硫杂蒽-3，4-二甲酰亚胺(MBTD)。

本发明所涉及的荧光pH传感器与现有的pH传感器相比，具有如下优点：

1.敏感染料TAPP和参比染料MBTD均引入端基双键，使两种染料能共聚在硅烷化处理过的玻片上，实现了同时共价固定敏感染料和参比染料的荧光pH传感器的制备；有效防止荧光载体的流失，延长传感器的使用寿命。

2.敏感染料TAPP无论在酸性或碱性溶液中均发生荧光猝灭，表现出良好的pH响应，而参比染料MBTD对pH变化不敏感，荧光强度基本保持不变(图1)。因此同时共价固定敏感染料和参比染料，用敏感染料和参比染料的荧光强度的比值作为测量信号可以更准确地反映pH的变化，避免激发光源的波动、光纤的传输变化、样品的光散射等造成的测量误差，提高测量的可靠性。

3.本发明的传感器可用于溶液中的pH测定，且常见的无机离子和有机物不干扰测定。传感器的响应时间短，重现性和可逆性良好(图2)。

附图说明

图1：具有内参比的荧光pH传感器1在通入不同pH值的Britton-Robinson(B-R)缓冲溶液时，光极膜中敏感染料TAPP与参比染料MBTD的荧光响应情况。其中纵坐标为荧光强度，横坐标为pH。

●为光极膜中敏感染料TAPP的pH响应曲线；○为光极模中参比染料MBTD的pH响应曲线。

pH值在2.0～11.0范围内的B-R缓冲溶液用0.40mol l^-1的磷酸、醋酸和硼酸来制备，并用0.20mol l^-1的NaOH调至确定的pH；此范围以外的，均加入2mol l^-1HCl或2mol l^-1NaOH调节至所需pH。

图2：具有内参比的荧光pH传感器1在循环通入不同pH值B-R缓冲液时，光极膜中敏感染料TAPP的荧光强度随时间的变化情况。其中纵坐标为荧光强度，横坐标为时间；溶液的pH值分别为：(a)6.50；(b)4.70；(c)3.50；(d)2.20。

图3：具有内参比的荧光pH传感器1对pH响应的标准曲线。pH为横坐标，敏感染料TAPP与参比染料MBTD的荧光强度比值F_TAPP/F_MBTD为纵坐标。

图4：具有内参比的荧光pH传感器2对pH响应的标准曲线。pH为横坐标，敏感染料TAPP与参比染料MBTD的荧光强度比值F’_TAPP/F’_MBTD为纵坐标。

具体实施方式

实施例一

1、制备具有内参比的荧光pH传感器1：

a.敏感染料卟啉衍生物TAPP的合成：将1.0g 5，10，15，20-四(4-羟基苯基)卟啉(合成方法参照文献：中国科学B辑1997年6月第27卷第3期)溶于20ml N，N-二甲基甲酰胺(12.98mol l^-1)中，加入2g碳酸钾，2ml溴丙烯(11.56mol l^-1)，100℃反应4h，冷却，反应物倒入30ml蒸馏水中，析出晶体，粗品经中性氧化铝柱(100～200目)层析，氯仿为淋洗液，得到产物TAPP为紫色固体。

b.参比染料苯并硫杂蒽衍生物MBTD的合成：将N-羟乙基-苯并硫杂蒽-3，4-二甲酰亚胺(合成方法参照文献：J.Heterocyclic Chem.1974，11，33)0.60g溶于70ml干燥过的N，N-二甲基甲酰胺中(干燥方法为用氢化钙回流干燥4h，再减压蒸馏，收集76℃/36mmHg馏分)，加入0.70ml三乙胺(7.20mol l^-1)，在剧烈搅拌下滴加0.60ml甲基丙烯酰氯(10.50mol l^-1)，室温下继续搅拌反应5h。反应结束后，过滤除去生成的沉淀，旋转蒸发除去溶剂N，N-二甲基甲酰胺，然后倒入150ml蒸馏水中，过滤，120℃干燥3h，得产物MBTD。

c.玻片的硅烷化：普通玻片(直径13mm)浸入铬酸洗液中浸泡30min，然后依次放入体积百分数为3％的氢氟酸和体积百分数为10％的过氧化氢溶液中各浸泡20min，再用蒸馏水冲洗干净，将0.2ml 3-(三甲氧基硅烷基)甲基丙烯酸丙酯(4.21mol l^-1)、2ml pH为3.6的醋酸-醋酸纳缓冲液(0.2mol l^-1)和8ml蒸馏水混合，搅拌5min，将上述玻片浸入此溶液2h，最后用蒸馏水冲洗干净，室温干燥。

d.TAPP10mg和MBTD 2mg溶于0.30ml N，N-二甲基甲酰胺中(12.98mol l^-1)，依次加入200mg丙烯酰胺，0.60ml甲基丙烯酸羟乙酯(8.24mol l^-1)，0.12ml交联剂三乙氧基三甲基丙烯酸酯(3.78mol l^-1)，0.10ml三乙醇胺(7.54mol l^-1)，0.20ml光敏剂2-羟基-甲基苯基丙烷-1-酮(6.58mol l^-1)。

e.取0.15ml上述最终所得溶液滴于干净的聚四氟乙烯板上，用硅烷化的玻片盖于其上，再用紫外灯(254nm)照射20min，最后用蒸馏水冲洗，室温干燥，制得含光极膜薄层的玻片，即制得具有内参比的荧光pH传感器1。

2.具有内参比的荧光pH传感器1用于溶液pH测定：

荧光测量是在带计算机数据处理系统的PerkingElmer LS55荧光仪上进行，光源为150W氙灯，检测器为R928F红外敏感光电倍增管。将上述所制得的荧光pH传感器1装入通池顶端，附有光极模薄层的一面朝下，使光极膜与样品溶液接触。一支双臂光纤(直径8mm，长度1m)一端接在荧光仪上另一端插入流通池并紧贴玻片表面。激发光源发出的辐射通过双臂光纤的一端传输到流通池中照射玻片表面，并激发光极膜中的荧光物质，发射的荧光再由另一端传输返回到检测器，进行测定。蠕动泵以3.0ml min^-1的速度将样品输入流通池，样品溶液为pH值不同的B-R缓冲液。固定激发波长422nm，发射波长656nm，测量光极膜中敏感染料TAPP的荧光强度；固定激发波长481nm，发射波长528nm，测量光极膜中参比染料MBTD的荧光强度。激发发射狭缝均为5nm。记录不同pH值下敏感染料的荧光强度F_TAPP与参比染料的荧光强度F_MBTD，计算两者的比值F_TAPP/F_MBTD。以pH为横坐标，F_TAPP/F_MBTD为纵坐标，用SigmaPlot软件绘图，可得到传感器1对pH响应的标准曲线，如图3所示，在pH1.5～5.0范围内，F_TAPP/F_MBTD与pH呈现良好的线性关系：

F_TAPP/F_MBTD＝-0.1151+0.1901pH(R＝0.9972，pH1.5～5.0)

3.具有内参比的荧光pH传感器1用于人工合成水样的pH测定：

人工水样为含有Pb²⁺，Hg²⁺，Cd²⁺，Cu²⁺，Cl^-，SO₄ ^2-，NO₃ ^-等干扰物的溶液。将人工合成水样通入流通池，按上述步骤2中的过程进行荧光强度测量，用标准曲线法(图3)测定其pH值。其结果与用pH玻璃电极所测结果一致，表1显示了两种方法的测定结果。

表1

a三次测量的平均值；b标准偏差

实施例二

1.制备具有内参比的荧光pH传感器2：

a.按照实施例一步骤1中所述方法合成敏感染料TAPP和参比染料MBTD。

b.按照实施例一步骤1中所述方法对玻片表面进行硅烷化处理。

c.TAPP15mg和MBTD1.5mg溶于0.40ml N，N-二甲基甲酰胺中(12.98mol l^-1)，依次加入250mg丙烯酰胺，0.40ml甲基丙烯酸羟乙酯(8.24mol l^-1)，0.15ml交联剂三乙氧基三甲基丙烯酸酯(3.78mol l^-1)，0.20ml三乙醇胺(7.54mol l^-1)，0.25ml光敏剂2-羟基-甲基苯基丙烷-1-酮(6.58mol l^-1)。

d.取0.20ml上述所得溶液滴于干净的聚四氟乙烯板上，用硅烷化的玻片盖于其上，再用紫外灯(254nm)照射25min，最后用蒸馏水冲洗，室温干燥，制得含光极膜薄层的玻片，即制得具有内参比的荧光pH传感器2。

2.绘制具有内参比的荧光pH传感器2对pH响应的标准曲线：

将上述所制得的荧光pH传感器2装入通池顶端，按实施例一步骤2中的过程进行荧光强度测量，记录不同pH值下光极模中敏感染料的荧光强度F’_TAPP与参比染料的荧光强度F’_MBTD，计算两者的比值F’_TAPP/F’_MBTD。以pH为横坐标，F’_TAPP/F’_MBTD为纵坐标，用SigmaPlot软件绘图，可得到传感器2对pH响应的标准曲线，如图4所示，在pH1.5～5.0范围内，F’_TAPP/F’_MBTD与pH呈现良好的线性关系：

F’_TAPP/F’_MBTD＝0.02390+0.2062pH(R＝0.9964，pH1.5-5.0)

3.具有内参比的荧光pH传感器2用于废水样的pH测定：

废水样为pH值不同的酸性废水。将废水样通入流通池，按实施例一步骤2中的过程进行荧光强度测量，用标准曲线法(图4)测定其pH值。其结果与用pH玻璃电极所测结果一致，表2显示了两种方法的测定结果。

表2

a三次测量的平均值；b标准偏差

Claims (2)

1、一种具有内参比的荧光pH传感器，包括硅烷化处理过的玻片，其特征在于：带有端基双键的5，10，15，20-四(4-烯丙氧基苯基)卟啉的敏感染料和带有端基双键的N-甲基丙烯酰氧乙基-苯并硫杂蒽-3，4-二甲酰亚胺的参比染料共聚在所述硅烷化处理过的玻片上。

2、一种制备权利要求1所述具有内参比的荧光pH传感器的方法，其特征在于包括以下步骤：

a.将质量比为1～15∶1的敏感染料卟啉衍生物和参比染料苯并硫杂蒽衍生物溶于N，N-二甲基甲酰胺中；所述敏感染料卟啉衍生物为带有端基双键的5，10，15，20-四(4-烯丙氧基苯基)卟啉，所述参比染料苯并硫杂蒽衍生物为带有端基双键的N-甲基丙烯酰氧乙基-苯并硫杂蒽-3，4-二甲酰亚胺；所述N，N-二甲基甲酰胺与参比染料苯并硫杂蒽衍生物的摩尔比为500～1000∶1；

b.往上述溶液中依次加入与参比染料苯并硫杂蒽衍生物摩尔比分别为400～700∶1的丙烯酰胺、300～1000∶1的甲基丙烯酸羟乙酯、50～200∶1的三乙二醇二甲基丙烯酸酯，50～250∶1的三乙醇胺和250～400∶1的2-羟基-甲基苯基丙烷-1-酮；

c.取0.10～0.20ml步骤b中最终所得溶液滴于聚四氟乙烯板上，用硅烷化的玻片盖于其上，在紫外光下照射10～50min，光聚合后用蒸馏水冲洗玻片，室温干燥，制得含光极膜薄层的玻片，即制得具有内参比的荧光pH传感器。

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