CN110987894B - 一种检测沉积物溶解氧二维分布的光学传感膜制备方法 - Google Patents

一种检测沉积物溶解氧二维分布的光学传感膜制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种检测沉积物中溶解氧二维分布的光学传感膜的制备方法，光学传感膜由透明的PET基材，传感层以及保护层组成；传感层是将荧光染料和供体染料均匀混合，通过超声喷涂将两种染料固定在透明的PET基材表面，然后将稀释后的气体渗透型硅橡胶涂覆在传感层之上，作为保护层。将上述制备的溶解氧平面光学传感膜置于沉积物/土壤与容膜壁之间，在紫外光激发光的照射下，通过CCD相机获取光学传感膜的发射图像，通过提取图像的红色（R）和绿色通道（G）荧光比率法获得沉积物中溶解氧的二维空间分布，利用供体染料和参比染料，在提高荧光染料发射的亮度的同时，具有参比作用降低背景干扰，从而获得更高的检测精度。

Description

一种检测沉积物溶解氧二维分布的光学传感膜制备方法
技术领域
本发明属于水体沉积物中溶解氧的检测技术领域，尤其涉及溶解氧平面光学传感膜的制备方法。
背景技术
沉积物在生物地球化学要素循环中起着至关重要的作用。沉积物作为污染物的“汇”和“源”，对水生生态系统的“健康”也起着决定性作用。因此，对沉积物中污染物质，包括重金属、营养盐等的迁移转化研究是非常有必要的。
氧气在光合作用中产生，在有机质降解过程中被直接或间接的消耗，是全球元素循环的核心分子。在评估沉积物的生物学状况以及沉积物中重要元素(例如碳，氮，磷，硫和金属)的迁移转化时，氧气的分布和可用性是关键的指标。此外，水流、波浪等物理性扰动以及生物扰动、水生植物根系等生物活动会导致氧气在沉积物中呈现高度异质性的分布。微电极法和光纤传感器具有高分辨率，高精确度和原位测量的特点常用于检测沉积物中氧气，通过单点测量获取沉积物中氧气的一维分布，但是微电极法和光纤传感器价格昂贵、操作繁琐，并且无法实时获取沉积物pH二维分布信息。
平面光学传感器的发展为沉积物中氧气的检测提供了新的途径，通过荧光传感膜将氧气浓度转化为可测得的光化学信号，可将沉积物中氧气分布进行二维可视化呈现。目前，已有多种方法用于制备氧气平面光学传感膜，主要有刮涂法和旋涂法。然而，这两种方法也存在一些不足。刮涂法是一种简便的方法，但是难以获取均匀的传感膜，导致在测量精度降低；旋涂法在均匀性方面优于刮涂法，但是影响膜性能因素较多，例如溶液的浓度、旋涂速度、溶剂类型、旋涂次数以及外界的温度和湿度都对薄膜的厚度和质量产生影响。因此，一种既简便高效又能保证传感器性能的制膜方法至关重要。
发明内容
发明目的：针对上述现有存在的问题和不足，本发明的目的是提供了一种检测沉积物中溶解氧二维分布的光学传感膜的制备方法，具有高的亮度、高的均匀性、短的反应时间、以及长的稳定性的优点，且能够原位实时获取沉积物中溶解氧的二维动态分布。
技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案：一种检测沉积物中溶解氧二维分布的光学传感膜的制备方法，包括以下步骤：
(1)首先，将聚苯乙烯颗粒溶于甲苯溶液中得到聚合物溶液，然后在聚合物溶液中添加荧光染料和供体染料的混合物，溶解均匀，得到溶解氧光学传感膜的混合溶液，备用；所述荧光染料为PtOEP；所述供体染料为C545T；
(2)然后，利用超声喷涂装置通过超声喷涂方式将步骤(1)得到的混合溶液喷涂在PET基材上，待溶剂蒸发形成10μm以下的传感层；
(3)按质量体积比为1：(1.5～5)的范围将硅橡胶与稀释液进行混合得到硅橡胶溶液；待步骤(2)的传感层完全干燥后，将硅橡胶溶液涂覆在传感层表面，并干燥24h以上；
所述稀释液为由石油醚和二甲苯按体积比为1：(1.5～3)进行混合制得。
进一步的，步骤(1)中所述荧光染料和供体染料的混合物添加入聚合物溶液中，采用超声溶解方式。
进一步的，步骤(1)中所述聚合物溶液中聚苯乙烯的浓度为5-100g/L。
进一步的，还包括校准步骤：
(4)在盛有去离子水的透明容器中，通过调整N2和O2的充入流量得到不同溶解氧浓度，然后用溶解氧光纤传感器检测得到溶解氧浓度；待溶解氧浓度稳定后，将步骤(3)制备得到的溶解氧传感膜贴附在透明容器的内壁，并用395nm的紫外激发光源照射传感膜，并使用CCD相机获取不同氧气浓度下的荧光图像；
(5)提取不同氧气浓度下荧光图像的红色通道R和绿色通道G，计算两个通道的荧光强度比值r，r＝R/G，并进行曲线拟合，得到传感膜对溶解氧的响应曲线Stern-Volmer方程(1)：
Figure GDA0002464492150000021
式中，r和r0分别是传感膜在氧气存在与无氧情况下的荧光强度比值，a是传感膜未猝灭的部分，Ksv是Stern-Volmer猝灭常数，C是溶解氧的浓度并通过式(2)拟合得到，
Figure GDA0002464492150000022
有益效果：与现有技术相比，本发明制备的溶解氧光学传感膜由三部分组成：透明的PET基材，传感层以及保护层；传感层是将荧光染料和供体染料均匀混合，通过超声喷涂将两种染料固定在透明的PET基材表面，然后将稀释后的气体渗透型硅橡胶涂覆在传感层之上，作为保护层。将上述制备的溶解氧平面光学传感膜置于沉积物/土壤与容膜壁之间，在紫外光(395nm)激发光的照射下，通过CCD相机获取光学传感膜的发射图像，通过提取图像的红色(R)和绿色通道(G)荧光比率法获得沉积物中溶解氧的二维空间分布。本发明利用荧光共振能量转移的原理，利用供体染料和参比染料，在提高PtOEP发射的亮度的同时，具有参比作用降低背景干扰，从而获得更高的检测精度。
附图说明
图1a为本发明所述传感膜在不同溶解氧浓度下的荧光光谱；
图1b为本发明所述传感膜在不同溶解氧浓度下对溶解氧的响应曲线；
图2为本发明实施例中传感膜在不同溶解氧浓度下的荧光图像提取的
图3为本发明实施例中传感膜在不同溶解氧浓度下荧光比率随时间的变化图像；
图4为本发明实施例中传感膜的荧光比率的时间稳定性对比图；
图5为本发明实施例中传感膜的光学稳定性比较图；
图6为本发明实施例中传感膜检测沉积物溶解氧的结构原理示意图；
图7为本发明实施例通过传感膜得到沉积物-水界面的溶解氧二维动态分布图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
实施例1
本发明检测沉积物中溶解氧二维分布的光学传感膜的制备方法，包括以下步骤：
(1)称取600mg聚苯乙烯(Polystyrene,PS)颗粒添加到30g的甲苯溶液中溶解，制备得到聚合物溶液；然后再添加30mg PtOEP和50mg C545T于聚合物溶液中，超声溶解，获得溶解氧光学传感膜的混合溶液；
(2)在制膜前，将混合溶液混匀，使用超声喷涂装置将混合溶液喷涂在聚对苯二甲酸乙二醇酯基材上(Polyethylene terephthalate,PET)，溶剂蒸发后，形成厚度为～10μm的传感层；
(3)按m(硅橡胶)：V(稀释液)＝1：2.5的比例制备硅橡胶溶液，其中稀释液由石油醚和二甲苯按2：5的体积比混合制得；待传感层完全干燥后，用自动刮膜机将硅橡胶溶液均匀涂覆在传感层之上，并干燥24h；存放在黑暗的条件下备用。
(4)平面光学传感膜校准：
将溶解氧传感膜放置于石英杯中，用荧光分光光度计测定传感膜在不同溶解氧溶度溶液中的荧光光谱(图1a)。将传感膜贴于自制的玻璃容器中，然后加入去离子水，调整N2和O2的充入流量，获取不同浓度的浓度，同时用溶解氧光纤传感器检测氧气浓度；当氧气浓度稳定后，采用395nm的紫外激发光源照射传感膜，并使用CCD相机获取不同氧气浓度下的荧光图像。
用Matlab提取荧光图像的红色(R)通道和绿色(G)通道，计算两个通道荧光强度比值r，r＝R/G，并进行曲线拟合，得到传感膜对溶解氧的响应曲线(图1b)，曲线复合改进的Stern-Volmer方程(1)：
Figure GDA0002464492150000041
式中，r和r0分别是传感膜在氧气存在与无氧情况下的荧光强度比值，a是传感膜未猝灭的部分，Ksv是Stern-Volmer猝灭常数，C是溶解氧的浓度并通过式(2)拟合得到，
Figure GDA0002464492150000042
实施例2
本发明检测沉积物中溶解氧二维分布的光学传感膜的制备方法，包括以下步骤：
(1)称取600mg聚苯乙烯(Polystyrene,PS)颗粒添加到30g的甲苯溶液中溶解，制备得到聚合物溶液；然后再添加30mg PtOEP和50mg C545T于聚合物溶液中，超声溶解，获得溶解氧光学传感膜的混合溶液；
(2)在制膜前，将混合溶液混匀，使用超声喷涂装置将混合溶液喷涂在聚对苯二甲酸乙二醇酯基材上(Polyethylene terephthalate,PET)，溶剂蒸发后，形成厚度为～10μm的传感层；
(3)按m(硅橡胶)：V(稀释液)＝1：2.5的比例制备硅橡胶溶液，其中稀释液由石油醚和二甲苯按2：5的体积比混合制得；待传感层完全干燥后，用自动刮膜机将硅橡胶溶液均匀涂覆在传感层之上，并干燥24h；存放在黑暗的条件下备用。
以下具体测试本实施例的氧气平面光学传感膜的性能评估：
(1)均匀性：将5cm*5cm的传感膜贴于自制的玻璃容器中，然后加入去离子水并曝气至饱和状态，带稳定后，在激发光源的照射下，获取荧光图像，并用Matlab提取图片的红色通道和绿色通道，并计算其比值，并用Origin作图，计算得到传感膜在5cm×5cm的RSD为0.70％(图2)。
(2)反应时间：将传感膜贴在含有无氧的去离子水中的玻璃容器中，每隔1秒钟获取一张图片，至20秒时，立即把传感膜取出放入饱和氧的去离子水中，每隔1秒获取一张图片，如此反复3次。用Matlab处理图片，并用origin做出荧光比率随时间变化图像，反应时间<5s(图3)。
(3)时间稳定性：将传感膜分别放置在沉积物与湖水中，每隔一天取出传感膜，并贴于含有无氧去离子水的溶液中，获取图片，长期监测一个月。用Matlab提取图片的红色通道和绿色通道，并计算其比值，并用Origin作图，得出传感膜在水中于沉积物中的稳定性。在湖水中放置一个月后，荧光比率的RSD为8.78％，有较大的波动，并且传感膜在湖水中放置10天后，荧光比率出现明显的下降；(图4A)；传感膜在沉积物中放置一个月后，荧光比率的RSD为4.15％，荧光比率稳定(图4B)。
(4)光学稳定性：将传感膜贴在含有无氧的去离子水中的玻璃容器中，保持紫外灯一直照射传感膜，并每隔5min中获取一张图像，连续监测105min，获取的图片用Matlab处理并用Origin作图；结果发现在105min照射下，荧光比率的RSD为1.03％，几乎不发生变化，考虑到每次获取图像的时间仅为1～2s中，因此，该传感膜具有很好的光学稳定性(图5)。本实施例氧气平面光学传感膜在沉积物中的应用
采集太湖的沉积物柱状样和水样，将沉积物柱状样分层切割并混匀过筛，去除底栖生物及大颗粒物等，然后将分层的沉积物样品加入一侧可拆卸的长方体有机玻璃盒中，并加入湖水培养，待沉积物稳定2周之后，抽离上覆水，并将有机玻璃盒的开拆卸的一侧拆开，将制备的溶解氧传感膜贴在可拆卸的有机玻璃板上，然后将这块有机玻璃板再重新安装起来，稳定一段时间后，将有机玻璃盒移至暗室中获取荧光图像；示意图如图6所示。
根据前述方法，计算并绘图后可以得到沉积物-水界面的溶解氧二维动态分布。结果表明，该传感膜可以获取溶解氧在沉积物-水界面的梯度分布(图7a、b)，以及摇蚊幼虫扰动对沉积物中溶解氧分布的影响(图7c、d)，摇蚊幼虫挖掘的洞穴会将含氧上覆水引灌到沉积物中，提高沉积物中氧气的浓度；除此之外，还可以同时获取沉积物-水界面以及虫洞的结构，能够满足沉积物/土壤微界面环境中溶解氧的动态检测。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种检测沉积物中溶解氧二维分布的光学传感膜的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)首先，将聚苯乙烯颗粒溶于甲苯溶液中得到聚合物溶液，然后在聚合物溶液中添加荧光染料和供体染料的混合物，溶解均匀，得到溶解氧光学传感膜的混合溶液，备用；所述荧光染料为PtOEP；所述供体染料为C545T；
(2)然后，利用超声喷涂装置通过超声喷涂方式将步骤(1)得到的混合溶液喷涂在PET基材上，待溶剂蒸发形成10μm以下的传感层；
(3)按质量体积比为1：(1.5～5)的范围将硅橡胶与稀释液进行混合得到硅橡胶溶液；待步骤(2)的传感层完全干燥后，将硅橡胶溶液涂覆在传感层表面，并干燥24h以上；
所述稀释液为由石油醚和二甲苯按体积比为1：(1.5～3)进行混合制得。
2.根据权利要求1所述检测沉积物中溶解氧二维分布的光学传感膜的制备方法，其特征在于：步骤(1)中所述荧光染料和供体染料的混合物添加入聚合物溶液中，采用超声溶解方式。
3.根据权利要求1所述检测沉积物中溶解氧二维分布的光学传感膜的制备方法，其特征在于：步骤(1)中所述聚合物溶液中聚苯乙烯的浓度为5-100g/L。
4.根据权利要求1所述检测沉积物中溶解氧二维分布的光学传感膜的制备方法，其特征在于：还包括校准步骤：
(4)在盛有去离子水的透明容器中，通过调整N2和O2的充入流量得到不同溶解氧浓度，然后用溶解氧光纤传感器检测得到溶解氧浓度；待溶解氧浓度稳定后，将步骤(3)制备得到的溶解氧传感膜贴附在透明容器的内壁，并用395nm的紫外激发光源照射传感膜，并使用CCD相机获取不同氧气浓度下的荧光图像；
(5)提取不同氧气浓度下荧光图像的红色通道R和绿色通道G，计算两个通道的荧光强度比值r，r＝R/G，并进行曲线拟合，得到传感膜对溶解氧的响应曲线Stern-Volmer方程(1)：
Figure FDA0002464492140000011
式中，r和r0分别是传感膜在氧气存在与无氧情况下的荧光强度比值，a是传感膜未猝灭的部分，Ksv是Stern-Volmer猝灭常数，C是溶解氧的浓度并通过式(2)拟合得到，
Figure FDA0002464492140000012
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