CN108918476B - 一种溶解氧荧光传感膜的制备方法 - Google Patents

一种溶解氧荧光传感膜的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种溶解氧荧光传感膜的制备方法，包括如下步骤：1)配置0.018mol/L三(2,2’‑联吡啶)二氯化钌[Ru(bpy)3Cl2]的乙醇溶液；2)配制高分子聚合物溶液：3)合成二氧化硅纳米颗粒；4)原材料混合；5)荧光膜涂膜。

Description

一种溶解氧荧光传感膜的制备方法
技术领域
本发明涉及一种溶解氧荧光传感膜的制备方法。
背景技术
氧是维持有机体生存、人类与动物维持生命活动、新陈代谢等赖以生存的重要元素，而且在生物学、化学工艺流程中都需要有氧的参与，因此研发一款能原位、快速、准确测量溶解氧的仪器非常必要。在海洋环境方面，衡量水质状况、研究水体自净能力等也是建立在溶解氧含量的测定的基础上。
溶解氧的测试方法有:碘量法、电极法和荧光猝灭法。碘量法是测量溶解氧的国家标准方法，但存在操作繁琐、耗时长，无法实现在线测量的缺点。电极法是通过氧气在电极上的氧化还原反应产生的电流大小来测定氧浓度的方法，存在需要频繁更换膜片和电解液，测定结果易受硫化物等物质的干扰的缺点；荧光猝灭法检测溶解氧具有准确性高、功耗低，测试性能稳定，安装使用简便的优点，更符合实时在线监测的需求。
荧光猝灭法主要是利用氧对某些荧光物质的荧光有猝灭作用，根据荧光强度或者猝灭时间判定氧气浓度。
荧光分子发光原理：在物质受到光的照射时，物质分子由于获得了光子的能量而从较低的能级跃迁到较高的能级，成为激发态分子。激发态分子是不稳定的，它需要通过活化过程损失多余的能量返回到稳定的基态。去活化过程有两种方式，其中一种过程为非辐射跃迁，多余的能量最终转化成热能释放出来，而另一种过程是激发态分子通过辐射跃迁回基态，多余的能量以发射光子的形式释放，即表现为荧光或磷光。斯托克位移、荧光寿命和量子产率是荧光物质的三个重要的发光参数，其中，荧光寿命是指切断激发光源后，分子的荧光强度衰减到原强度的1/e时所经历的时间。荧光寿命是荧光分子本身所具有的属性，不易受外界因素干扰。
荧光猝灭效应：荧光猝灭效应是指猝灭剂与荧光物质作用使荧光分子的荧光强度下降的现象，现发现的猝灭剂主要有卤素化合物、硝基化合物、重金属离子以及氧分子等，其中氧是非常重要的一类猝灭剂，氧对荧光物质的猝灭过程被证明是动态猝灭过程，其原理是氧在扩散过程中，与处于激发态的荧光物质发生碰撞，激发态的荧光物质将能量转移给氧后回到基态，从而造成荧光强度下降，但是，碰撞后两者立即分开，荧光分子并没有发生化学变化，因此氧对荧光分子的猝灭是可逆的。这种动态猝灭过程可用Stern-Volmer方程表示，荧光物质的猝灭程度与氧分子浓度呈正相关：
F0/F＝τ0/τ＝1+Ksv[O2]
上式中，F0和F分别为无氧和有氧时的荧光强度，τ0和τ为无氧和有氧时的荧光寿命，Ksv为猝灭剂(氧气)的猝灭常熟，[O2]是溶解氧浓度。由上式可知，通过测量荧光强度或者荧光寿命，就可以计算出溶解氧的浓度。
整个溶解氧传感器的检测过程是，探头装有蓝光的LED灯，蓝光LED光源通电后发射的光传导到探头端面的荧光膜上,荧光膜激发出的荧光反射到光谱仪的探测器上。当气态或液态样品中的氧扩散到荧光膜上时，就会使荧光猝灭，荧光的猝灭程度与氧含量相关。测量这部分的荧光强度或荧光寿命即可计算出所要测的氧含量,荧光信号强则对应的氧含量低，反之亦然。
荧光猝灭法的实现要与荧光膜的制备，并与荧光测试电路、光路相结合。想要获得性能优良的溶解氧传感膜，荧光指示剂和膜基体以及整个荧光膜的制作方法至关重要。
目前常用的荧光指示剂有：多环芳烃类、杂环化合物、过渡金属配合物等。多环芳烃常见有芘，芘丁酸等，但此类指示剂在一段时间过后荧光强度会降低，且芘的衍生物一般都具有致癌性和致畸性，受热会放出有毒气体，同时对水极其危害，即使是少量也会对地下水和饮用水造成污染，一旦进入生物体内还会干扰细胞的正常繁殖。杂环化合物在实际检测中，待测试样的溶剂的极性和酸碱性对他们的发光行为影响很大，甚至有可能发生化学反应生成盐类。
常见的膜基体材料一般分为溶胶凝胶和非溶胶凝胶这两类。溶胶凝胶类膜基体最常见的是硅氧烷类膜基体，对氧的渗透性好，膜体柔软，具有独特的网络结构和良好的渗透性，但制备过程中，前驱体的配比和反应温度对膜基体的形成影响很大。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种溶解氧荧光传感膜的制备方法。
本发明解决其技术问题的所采用的技术方案是：
一种溶解氧荧光传感膜的制备方法，它包括如下步骤：
1)配置0.01-0.05mol/L三(2,2’-联吡啶)二氯化钌[Ru(bpy)3Cl2]的乙醇溶液；
2)配制高分子聚合物溶液：其中，高分子聚合物和丙酮的比例为质量体积比1g:4-6ml；
3)合成二氧化硅纳米颗粒；
4)原材料混合：在烧杯中依次加入三(2,2’-联吡啶)二氯化钌的乙醇溶液，的聚氯乙烯聚合物溶液和的二氧化硅，搅拌混匀，直至固体颗粒和荧光指示剂在溶液中均匀分布；其中，三(2,2’-联吡啶)二氯化钌的乙醇溶液：聚氯乙烯聚合物溶液：二氧化硅纳米颗粒的体积质量比为10-15ml：4-7mL：3-5g；
5)荧光膜涂膜：将混合物涂抹于基质上，获得平整、均一的红色荧光膜；
6)黑色避光膜涂膜：涂抹硅橡胶涂料涂于红色荧光膜表面，加热至溶剂挥发完后即为黑色避光透气膜。
在本发明中，步骤2)所述的高分子聚合物包括聚氯乙烯、聚乙烯中的至少一种。
在本发明中，步骤5)所述的基质包括亚克力、石英玻璃中的至少一种。
在本发明中，步骤1)包括，称取三(2,2’-联吡啶)二氯化钌，加入乙醇中，超声溶解。
在本发明中，步骤2)也采用超声溶解。
在本发明中，步骤3)的二氧化硅纳米颗粒合成如下，在20-30mL乙醇中加入1-3mL正硅酸乙酯，加入1-2mL 25％氨水/水溶液，匀速搅拌10-20小时之后，离心，用乙醇洗涤沉淀，得到白色固体即为二氧化硅纳米颗粒。
作为优选，本发明一种溶解氧荧光传感膜的制备方法，包括如下步骤：
1)配置荧光物质的溶液配制：称取11.5mg三(2,2’-联吡啶)二氯化钌，加入100mL乙醇，超声溶解，配制成0.018mol/L三(2,2’-联吡啶)二氯化钌[Ru(bpy)3Cl2]的乙醇溶液；
2)基质溶液配制：称取2g的聚氯乙烯，加入10mL丙酮，超声部分溶解后，在振荡器震荡2小时至完全溶解，作为聚合物溶液；
3)合成二氧化硅纳米颗粒(SiO2):在25mL乙醇中加入2mL正硅酸乙酯(TEOS)，加入1.5mL 25％氨水/水溶液，匀速搅拌16小时之后，离心，用乙醇洗涤沉淀三次，得到白色固体即为二氧化硅纳米颗粒；
4)原材料混合：在烧杯中依次加入12mL三(2,2’-联吡啶)二氯化钌，5.4mL的聚合物溶液、4.2g的二氧化硅和2.5g的三氧化二铝以及2mL的聚乙二醇作为助剂，搅拌混匀，直至固体颗粒和荧光指示剂在溶液中均匀分布；
5)荧光膜涂膜：移取70μL混合物均匀平铺于直径1.5cm圆形石英玻璃片上，等待约5min后溶剂挥发完全，即获得平整、均一的红色荧光膜；
本技术方案与背景技术相比，它具有如下优点：
1、本发明采用了三(2,2’-联吡啶)二氯化钌[Ru(bpy)3Cl2]作为荧光指示剂。过渡金属配合物具有长的激发寿命和高的量子产率、优异的稳定性，对氧很敏感同时又不消耗氧，耐酸耐碱耐高温等优点。
2、本发明采用了聚氯乙烯作为膜基体，用于分散负载荧光指示剂。高分子化合物聚氯乙烯是非溶胶凝胶类基体，它的优点是简单易得且实验步骤简单，在丙酮的溶解后再挥发制得的膜体柔韧光滑，透光性好。
3、传感膜的制备方法常见有物理法和化学法，物理法主要指机械固定，分为吸附法和包埋法；吸附法通常是将离子交换树脂作为膜材料，氧敏剂以静电方式进行吸附。但由于静电作用较弱故实际操作上会造成荧光指示剂的流失和分散不均。
化学法可分为共价键法和化学镀层法，共价键合法是让荧光指示剂以共价键合的方式与膜基体材料结合以此提高稳定性，减少荧光指示剂的流失或损耗，但实际应用中改法对膜基体材料和荧光指示剂都具有比较严格的要求，灵敏度也较低。化学镀层法是将荧光指示剂先吸附于选定介质上后用化学镀层法在导电玻璃上固定荧光指示剂的载体从而得到复合敏感镀层。但是三联吡啶钌用该法在检测中出现了发射波长随着氧浓度升高而逐渐蓝移的现象，且氮氧猝灭比的线性关系有待提高。
本发明传感膜采用了物理包埋法制备。将聚氯乙烯直接溶解于丙酮成为均相溶液后与三(2,2’-联吡啶)二氯化钌[Ru(bpy)3Cl2]的溶液进行混合，加入SiO2和Al2O3作为添加材料，搅拌均匀涂布于亚克力上简单直接，且操作步骤简单易行，实际制成的膜片均匀透明，通透性也较好。且本发明可以达到较低的检测限和较灵敏的荧光响应。
4、本发明采用纳米的SiO2材料作为添加剂同时提高了膜片的灵敏性和稳定性。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图1为实施例制备的溶解氧荧光传感膜的荧光信号(纵坐标)与氧浓度(横坐标)的关系图。
图2为实施例的稳定性实验结果图。
具体实施方式
1.荧光物质的溶液配制：称取11.5mg三(2,2’-联吡啶)二氯化钌，加入100mL乙醇，超声溶解，配制成0.018mol/L三(2,2’-联吡啶)二氯化钌[Ru(bpy)3Cl2]的乙醇溶液；
2.基质溶液配制：称取2g的聚氯乙烯，加入10mL丙酮，超声部分溶解后，在振荡器震荡2小时至完全溶解，作为聚合物溶液；
3.合成二氧化硅纳米颗粒(SiO2):在25mL乙醇中加入2mL正硅酸乙酯(TEOS)，加入1.5mL 25％氨水/水溶液，匀速搅拌16小时之后，离心，用乙醇洗涤沉淀三次，得到白色固体即为二氧化硅纳米颗粒；
4.原材料混合：在烧杯中依次加入12mL三(2,2’-联吡啶)二氯化钌，5.4mL的聚合物溶液、4.2g的二氧化硅和2.5g的三氧化二铝以及2mL聚乙二醇作为助剂，搅拌混匀，直至固体颗粒和荧光指示剂在溶液中均匀分布；
5.荧光膜涂膜：移取70μL混合物均匀平铺于直径1.5cm圆形石英玻璃片上，等待约5min后溶剂挥发完全，即获得平整、均一的红色荧光膜；
该荧光传感膜的荧光信号与氧浓度的关系如图1，可以通过数据拟合，从荧光信号算出相应的溶解氧浓度。
为了表征该溶解氧荧光传感膜的稳定性，我们将溶解氧荧光膜固定在溶解氧传感器配套的光学组件上进行了老化实验，测试时温度保持为25℃，溶解氧为空气饱和的100％，传感器的信号值随时间变化如图2所示。
从图2可证实该溶解氧的荧光膜结构稳定，在350天的测试中无明显的荧光信号下降，最大的荧光信号偏差不超过1.90％，没有发现荧光指示剂泄漏的现象，传感膜的稳定性良好。
以上所述，仅为本发明较佳实施例而已，故不能依此限定本发明实施的范围，即依本发明专利范围及说明书内容所作的等效变化与修饰，皆应仍属本发明涵盖的范围内。

Claims (7)

1.一种溶解氧荧光传感膜的制备方法，包括如下步骤：
1)配置0.01-0.05mol/L三(2,2’-联吡啶)二氯化钌的乙醇溶液；
2)配制高分子聚合物溶液：其中，高分子聚合物和丙酮的比例为质量体积比1g:4-6ml；
3)合成二氧化硅纳米颗粒：在20-30mL乙醇中加入1-3mL正硅酸乙酯，加入1-2mL 25％氨水/水溶液，匀速搅拌10-20小时之后，离心，用乙醇洗涤沉淀，得到白色固体即为二氧化硅纳米颗粒；
4)原材料混合：在烧杯中依次加入三(2,2’-联吡啶)二氯化钌的乙醇溶液，聚氯乙烯聚合物溶液和二氧化硅，搅拌混匀，直至固体颗粒和荧光指示剂在溶液中均匀分布；其中，三(2,2’-联吡啶)二氯化钌的乙醇溶液：聚氯乙烯聚合物溶液：二氧化硅纳米颗粒的体积质量比为10-15ml：4-7mL：3-5g；
5)荧光膜涂膜：将混合物涂抹于基质上，不加热等溶剂挥发完全，获得平整、均一的红色荧光膜。
2.根据权利要求1所述的一种溶解氧荧光传感膜的制备方法，其特征在于：步骤2)所述的高分子聚合物包括聚氯乙烯、聚乙烯中的至少一种。
3.根据权利要求1所述的一种溶解氧荧光传感膜的制备方法，其特征在于：步骤5)所述的基质包括亚克力、石英玻璃中的至少一种。
4.根据权利要求1所述的一种溶解氧荧光传感膜的制备方法，其特征在于：步骤1)包括，称取三(2,2’-联吡啶)二氯化钌，加入乙醇中，超声溶解。
5.根据权利要求1所述的一种溶解氧荧光传感膜的制备方法，其特征在于：步骤2)采用超声溶解。
6.一种溶解氧荧光传感膜的制备方法，包括如下步骤：
1)配置荧光物质的溶液配制：称取11.5mg三(2,2’-联吡啶)二氯化钌，加入100mL乙醇，超声溶解，配制成0.018mol/L三(2,2’-联吡啶)二氯化钌的乙醇溶液；
2)基质溶液配制：称取2g的聚氯乙烯，加入10mL丙酮，超声部分溶解后，在振荡器震荡2小时至完全溶解，作为聚合物溶液；
3)合成二氧化硅纳米颗粒:在25mL乙醇中加入2mL正硅酸乙酯，加入1.5mL 25％氨水/水溶液，匀速搅拌16小时之后，离心，用乙醇洗涤沉淀三次，得到白色固体即为二氧化硅纳米颗粒；
4)原材料混合：在烧杯中依次加入12mL三(2,2’-联吡啶)二氯化钌，5.4mL的聚合物溶液和4.2g的二氧化硅、2.5g的三氧化二铝以及2mL聚乙二醇作为助剂，搅拌混匀，直至固体颗粒和荧光指示剂在溶液中均匀分布；
5)荧光膜涂膜：移取70μL混合物均匀平铺于直径1.5cm圆形石英玻璃上，等溶剂挥发完全，即获得平整、均一的红色荧光膜。
7.根据权利要求6所述的一种溶解氧荧光传感膜的制备方法，其特征在于：步骤5)的溶剂挥发时间为5min。
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