CN101881732A - 可实时监测血液pH值的荧光光纤传感器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种可实时监测血液pH值的荧光光纤传感器及其制备方法，所述的荧光光纤传感器的探头包括光纤以及设于光纤外侧的感受膜，感受膜中含有萘二甲酸酐衍生物类敏感荧光染料，所述萘二甲酸酐衍生物类敏感荧光染料与光纤表面采用共价键连接。其制备方法中，所述探头的形成方法如下：将甲基丙烯酸羟乙酯或聚乙二醇二丙烯酸酯溶于去离子水中；将萘二甲酸酐衍生物类敏感荧光染料溶于上述溶液中；加入催化剂；再加入γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷得到敏感荧光染料溶液；将敏感荧光染料溶液涂敷于硅烷化的光纤上形成探头。本发明的优点是能有效防止荧光载体的流失，延长传感器的使用寿命。

Description

可实时监测血液pH值的荧光光纤传感器及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种可实时检测血液pH值的荧光光纤传感器及其制备方法，用于持续监测血液pH的实时变化。

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。在临床医学上，危重病人的抢救中血液pH值的快速和连续测定至关重要，血液pH值是判定患者代谢状态的非常关键的指标，许多临床治疗措施往往根据患者血液的pH而定。pH检测仪的研制也因此备受关注。目前医学上使用最广泛的pH检测仪是血气分析仪，它以玻璃电极法为原理，但存在需要采集血样、非连续、检测报告滞后等缺陷。

光纤pH传感器针对玻璃电极检测法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。文献己报道了许多荧光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。但由于多数荧光物质稳定性差或由于荧光检测设备复杂、费用高，在实际应用中受到限制，尤其是在血液pH6.8-7.8的酸碱度范围内有灵敏反应的荧光物质更少。在传感器研发中的另一个突出难题是荧光物质的固定，文献报道中多数是基于物理包埋的方法，利用高分子材料聚合后形成的致密网状结构阻止荧光物质流失，但在实际应用中，由于荧光物质分子较小及大多数为水溶性，稳定性差。少数传感器是利用共价键连接的固定法，固定较牢靠，但此类荧光物质必须有可供键合的双键，这种对pH敏感的荧光染料还很少。

发明内容

本发明的目的是克服上述现有技术的不足，提供一种反应快、选择性及可靠性好、灵敏度高，可持续感受血液pH的荧光光纤传感器及其制备方法。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是提供一种可实时检测血液pH值的荧光光纤传感器，包括计算机，计算机通过USB连线连接光谱仪的输出端，光谱仪的输入端连接Y形的光纤的一个头端，光纤的另一头端连接光源，尾端形成探头，其特征在于，所述探头包括去除有机包层后的光纤以及设于该光纤外侧的感受膜，感受膜中含有萘二甲酸酐衍生物类敏感荧光染料，所述萘二甲酸酐衍生物类敏感荧光染料与光纤表面采用共价键连接。

所述的萘二甲酸酐衍生物类敏感荧光染料为N-烯丙基-4-哌嗪-1，8-萘酰亚胺。

本发明还提供了上述荧光光纤传感器的制备方法，其特征在于，包括在光纤的尾端形成探头，将光纤的二个头端分别与光源和光谱仪的输入端连接，将光谱仪的输出端连接计算机，其特征在于，所述探头的形成方法如下：

第一步：将甲基丙烯酸羟乙酯1重量份或聚乙二醇二丙烯酸酯1重量份溶于去离子水0.1～5重量份中配成溶液；将萘二甲酸酐衍生物类敏感荧光染料1重量份溶于上述溶液10～200重量份中；加入偶氮二异丁腈1×10^-4～2×10^-4重量份，或亚硫酸氢钠5×10^-5～7×10^-5重量份和过硫酸钾0.5×10^-5～1.5×10^-5重量份的混合物；再加入γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷1×10^-4～10×10^-4重量份得到敏感荧光染料溶液；

第二步：将第一步得到的敏感荧光染料溶液涂敷于硅烷化的光纤上，在氮气保护下加热至40～120℃维持3～20小时，然后用双蒸水和甲醇反复冲洗光纤，室温干燥，形成探头。

本发明的原理是：1、利用热聚合法将硅烷化的光纤与敏感荧光染料N-烯丙基-4-哌嗪-1，8-萘酰亚胺以及甲基丙烯酸羟乙酯或聚乙二醇二丙烯酸酯共价连接，一方面，使得敏感荧光染料与光纤表面采用共价键结合，改善了结合的稳定性和牢固性，另一方面，甲基丙烯酸羟乙酯或聚乙二醇二丙烯酸酯可在光纤表面形成一层凝胶膜，敏感荧光染料位于其中，不易脱落。2、N-烯丙基-4-哌嗪-1，8-萘酰亚胺经395nm波长的光源激发后，发出518nm波长的荧光，此荧光的强度受溶液pH的影响，酸性溶液使其荧光增强，碱性溶液减弱其荧光。

本发明的优点是：1、N-烯丙基-4-哌嗪-1，8-萘酰亚胺引入端基双键，使之能共聚在硅烷化处理过的光纤上，实现了共价固定敏感染料的荧光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、固定后的N-烯丙基-4-哌嗪-1，8-萘酰亚胺的荧光强度在酸性溶液中增强，在碱性溶液中荧光猝灭，表现出良好的pH线性关系。传感器的反应时间短，重复性和可逆性良好。因此共价固定敏感染料，用敏感染料的荧光强度的作为测量信号可以准确地反映溶液pH的变化。3、本发明的传感器可用于血液中的pH测定，且血液中易波动的无机离子、有机物及胶体和晶体渗透压在病理生理范围内几乎不干扰测定。因此，该传感器具有对氢离子特异敏感性，可以准确测定血液pH的快速变化。

附图说明

图1为荧光光纤传感器结构示意图；

图2为探头的剖面图；

图3为荧光强度随缓冲溶液pH值变化的曲线图；

图4为本传感器在不同PH缓冲溶液中，其荧光强度随时间变化的曲线图；

图5为荧光强度随动脉血流pH值变化的曲线图；

图6为传统血气分析仪测量的动脉血液pH值与由本发明的光纤荧光传感器测算的动脉血液pH值之间做的Bland-Altman分析图。

具体实施方式

下面结合实施例来具体说明本发明。

实施例1

N-烯丙基-4-哌嗪-1，8-萘酰亚胺的合成：

将1.5g 4-溴-1，8萘二甲酸酐加入0.2ml丙烯胺中，溶于50ml乙醇中回流5小时。反应结束，待溶液冷却后用乙醇冲洗，干燥后得到1.0g淡黄色固体。将该黄色固体溶于15ml乙二醇甲醚中，然后加入1.8g无水磷酸哌嗪，回流3小时。反应结束后，产物冷却，加入20ml双蒸水，过滤，双蒸水冲洗后干燥，得到的黄色固体为N-烯丙基-4-哌嗪-1，8-萘酰亚胺。

光纤的硅烷化：

将普通石英光纤浸入体积百分数为75％的硫酸和体积百分数为25％的过氧化氢混合溶液中浸泡30min，再用双蒸水冲洗干净，将1mlγ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷与1000ml乙醇和1滴37％的盐酸混合，搅拌混匀。将上述光纤浸入此溶液2h，最后用乙醇和双蒸水冲洗干净，120℃干燥得到硅烷化的光纤。

实施例2

如图1所示，为荧光光纤传感器结构示意图，所述的荧光光纤传感器，包括计算机1，计算机1通过USB连线连接光谱仪2的输出端，光谱仪2的输入端连接Y形的光纤3的一个头端，光纤3的尾端形成探头5、另一个头端连接光源4，如图2所示，为探头的剖面图，所述探头5包括去除光纤包层6后的光纤3以及设于光纤3外侧的感受膜7，感受膜7中含有按照实施例1方法合成的N-烯丙基-4-哌嗪-1，8-萘酰亚胺。所述的光纤3为直径为50μm～1cm的石英光纤。所述的感受膜8的厚度为5μm～100μm。探头6直径0.6mm，长1cm。

上述荧光光纤传感器的制备方法，包括在光纤3的尾端形成探头5，将光纤3的头端与光源4和光谱仪2的输入端连接，将光谱仪2的输出端连接计算机1，所述探头5的形成方法如下：

第一步：将甲基丙烯酸羟乙酯1重量份溶于去离子水5重量份中配成溶液；将萘二甲酸酐衍生物类敏感荧光染料1重量份溶于上述溶液10重量份中；加入偶氮二异丁腈1.5×10^-4重量份；再加入γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷1×10^-4重量份得到敏感荧光染料的聚合溶液；

第二步：将第一步得到的敏感荧光染料溶液1ml涂敷于按照实施例1的方法制得的硅烷化的光纤3上，在氮气保护下加热至40℃维持20小时，然后用双蒸水和甲醇反复冲洗光纤，室温干燥，形成探头5。

实施例3

荧光光纤传感器及其制备方法类似于实施例2，区别在于所述探头5的形成方法如下：

第一步：将聚乙二醇二丙烯酸酯1重量份溶于去离子水0.1重量份中配成溶液；将萘二甲酸酐衍生物类敏感荧光染料1重量份溶于上述溶液200重量份中；加入亚硫酸氢钠6×10^-5重量份和过硫酸钾1×10^-5重量份的混合物；再加入γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷10×10^-4重量份得到敏感荧光染料的聚合溶液；

第二步：将第一步得到的敏感荧光染料溶液0.5ml涂敷于按照实施例1的方法制得的硅烷化的硅烷化的光纤3上，在氮气保护下加热至120℃维持3小时，然后用双蒸水和甲醇反复冲洗光纤，室温干燥，形成探头5。

实施例4

荧光光纤传感器及其制备方法类似于实施例2，区别在于所述探头5的形成方法如下：

第一步：将甲基丙烯酸羟乙酯1重量份溶于去离子水1重量份中配成溶液；将萘二甲酸酐衍生物类敏感荧光染料1重量份溶于上述溶液100重量份中；加入偶氮二异丁腈1.5×10^-4重量份；再加入γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷5×10^-4重量份得到敏感荧光染料的聚合溶液；

第二步：将第一步得到的敏感荧光染料溶液0.5ml涂敷于按照实施例1的方法制得的硅烷化的硅烷化的光纤3上，在氮气保护下加热至80℃维持10小时，然后用双蒸水和甲醇反复冲洗光纤，室温干燥，形成探头5。

应用例1

使用实施例4中的荧光光纤传感器，在暗环境中进行荧光测量，光源4为395nm LED，光谱仪2为USB2000型。将探头5固定于装有缓冲溶液的检测装置中。光源4发出的辐射通过光纤3传输到探头5上，并激发探头5中的敏感荧光染料，发射的荧光返回到光谱仪2，进行测定。

在检测装置中置入不同pH值的HEPES缓冲溶液，pH值在6.0-8.0范围内的HEPES缓冲溶液用0.1M的NaOH溶液滴定10M的HEPES溶液来制备，探头5固定于检测装置的同一位置，固定激发波长395nm，发射波长518nm。记录不同pH值下敏感染料的荧光强度。以pH为横坐标，荧光强度为纵坐标，用Excell软件绘图，可得到图3所示的荧光强度随缓冲溶液pH值变化的曲线图，在pH6-8范围内，荧光强度与pH呈现良好的线性关系，以及较好的可逆性。以时间为横坐标，荧光强度为纵坐标，得到图4所示的本传感器在不同PH缓冲溶液中，其荧光强度随时间变化的曲线图，传感器具有很快的反应速度和很好的可重复性。本传感器可检测最低0.075单位的pH值的变化。在缓冲溶液中加入多种临床上重要的离子并且造成不同的渗透压，荧光强度被影响程度较低，对本传感器检测的最大影响为0.05个pH单位。

实时监测实验动物血液的酸碱度：将探头6插入并固定于家兔颈动脉的侧支循环中，人为造成家兔代谢性酸中毒或碱中毒，以传统的血气分析仪所测得的动脉血pH值作为横坐标，以传感器的荧光强度作为纵坐标，可得到图5所示的N-烯丙基-4-哌嗪-1，8-萘酰亚胺的荧光强度随动脉血流pH值变化的曲线图，在pH7.1-7.6范围内，荧光强度与pH呈现良好的线性关系。如图6所示，为传统血气分析仪测量的动脉血液pH值与由本发明的光纤荧光传感器测算的动脉血液pH值之间做的Bland-Altman分析图，本发明的荧光光纤传感器在体持续测量血液pH具有很高的准确性。

Claims (3)

1.一种可实时检测血液pH值的荧光光纤传感器，包括计算机(1)，计算机(1)通过USB连线连接光谱仪(2)的输出端，光谱仪(2)的输入端连接Y形的光纤(3)的一个头端，光纤(3)的另一头端连接光源(4)，尾端形成探头(5)，其特征在于，所述探头(5)包括去除有机包层后的光纤(3)以及设于该光纤(3)外侧的感受膜(7)，感受膜(7)中含有萘二甲酸酐衍生物类敏感荧光染料，所述萘二甲酸酐衍生物类敏感荧光染料与光纤(3)表面采用共价键连接。

2.如权利要求1所述的荧光光纤传感器，其特征在于，所述的萘二甲酸酐衍生物类敏感荧光染料为N-烯丙基-4-哌嗪-1，8-萘酰亚胺。

3.权利要求1所述的荧光光纤传感器的制备方法，其特征在于，包括在光纤(3)的尾端形成探头(5)，将光纤(3)的二个头端分别与光源(4)和光谱仪(2)的输入端连接，将光谱仪(2)的输出端连接计算机(1)，其特征在于，所述探头(5)的形成方法如下：

第一步：将甲基丙烯酸羟乙酯1重量份或聚乙二醇二丙烯酸酯1重量份溶于去离子水0.1～5重量份中配成溶液；将萘二甲酸酐衍生物类敏感荧光染料1重量份溶于上述溶液10～200重量份中；加入偶氮二异丁腈1×10^-4～2×10^-4重量份，或亚硫酸氢钠5×10^-5～7×10^-5重量份和过硫酸钾0.5×10^-5～1.5×10^-5重量份的混合物；再加入γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷1×10^-4～10×10^-4重量份得到敏感荧光染料溶液；

第二步：将第一步得到的敏感荧光染料溶液涂敷于硅烷化的光纤(3)上，在氮气保护下加热至40～120℃维持3～20小时，然后用双蒸水和甲醇反复冲洗光纤，室温干燥，形成探头(5)。

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