王婷婷,常建華,2,朱成剛,王志丹

(1.南京信息工程大學(xué) 江蘇省氣象探測與信息處理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210044;2.南京信息工程大學(xué) 江蘇省大氣環(huán)境與裝備技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇 南京 210044)

釕絡(luò)合物合成氧敏感膜的光學(xué)與傳感特性研究*

王婷婷1,常建華1,2,朱成剛1,王志丹1

(1.南京信息工程大學(xué) 江蘇省氣象探測與信息處理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210044;2.南京信息工程大學(xué) 江蘇省大氣環(huán)境與裝備技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇 南京 210044)

摘要:基于釕絡(luò)合物Ru(dpp)3Cl2的發(fā)光特性，制備了一種化學(xué)穩(wěn)定性好、使用壽命長、熒光激發(fā)性能高的氧敏感膜。研究了敏感膜的透光特性，重點(diǎn)分析了熒光試劑濃度、液體溫度、pH值、電路參數(shù)等因素對敏感膜熒光發(fā)射強(qiáng)度的影響，同時探討了不同激發(fā)光源對敏感膜熒光性能及其使用壽命的影響，在此基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了氧敏感膜的特異性和對溶解氧的響應(yīng)度檢測。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:制備的氧敏感膜對水體中的溶解氧響應(yīng)度較好，檢測誤差保持在 1 %左右，在溶解氧/葡萄糖含量測定、微生物傳感檢測等方面有著較好的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：釕絡(luò)合物；敏感膜；熒光特性

0引言

熒光通常是指熒光物質(zhì)吸收了波長較短的可見光或紫外光后，輻射出波長較長的可見光，熒光分析技術(shù)發(fā)展非常迅速，在水體中溶解氧測定、BOD微生物傳感檢測以及葡萄糖、葉綠素含量測定等方面有著較好的應(yīng)用前景[1，2]。

釕絡(luò)合物，如Ru(bpy)3Cl2，Ru(dpp)3Cl2等有著良好的化學(xué)穩(wěn)定性，具有激發(fā)波長較長、光發(fā)射強(qiáng)度較大等優(yōu)良特性，是目前研究與應(yīng)用最多的氧敏感材料，且使用該類熒光材料制備出熒光敏感膜及其光學(xué)特性分析，實(shí)現(xiàn)對待測物的定性與定量分析，已成為熒光檢測技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[3，4]。有鑒于此，研究人員已制備出性能優(yōu)良的熒光敏感膜，測試分析了膜的熒光性能，實(shí)現(xiàn)了水體中溶解氧的測定[5，6]，但仍存在一些不足，熒光試劑泄露嚴(yán)重、膜的穩(wěn)定性和熒光激發(fā)效率有待提高。此外，使用壽命是衡量膜質(zhì)量的重要指標(biāo)，通常采用高亮度的藍(lán)光光源進(jìn)行激發(fā)，導(dǎo)致膜的使用壽命低且藍(lán)光易被表皮吸收而不能穿過體內(nèi)檢測，限制了釕絡(luò)合物等同類材料的實(shí)用化發(fā)展[7，8]。因此，研究穩(wěn)定的、擁有高量子產(chǎn)率、長發(fā)光壽命且對氧有較好響應(yīng)度熒光敏感膜仍然重要。

本文通過改進(jìn)氧敏感膜制備方案并研究膜的光學(xué)特性和對溶解氧的響應(yīng)特性，表明制備的敏感膜具有優(yōu)良的熒光激發(fā)和傳感性能，使用壽命長，對水中溶解氧的響應(yīng)度好。

1熒光檢測及其傳感裝置

本文選擇了一種釕的有機(jī)絡(luò)合物(Ru(dpp)3Cl2)作為熒光物質(zhì)，用其合成具有熒光效應(yīng)的氧敏感膜，為了方便測定和分析敏感膜的熒光特性，設(shè)計了一種獨(dú)特的熒光測定及其傳感裝置，如圖1所示。當(dāng)用于液體環(huán)境下熒光測定與分析時，通過設(shè)計一種45°角斜面的熒光發(fā)射與接收結(jié)構(gòu)，解決了氣泡給熒光檢測帶來的干擾。系統(tǒng)工作過程先由恒流源驅(qū)動電路控制LED使其發(fā)出穩(wěn)定的光，經(jīng)光學(xué)透鏡聚焦后再經(jīng)光學(xué)載玻片入射到氧敏感膜上，激發(fā)熒光物質(zhì)發(fā)射熒光，熒光信號經(jīng)濾光片、光學(xué)透鏡后被光探測器接收，再完成信號的采集與處理，實(shí)現(xiàn)敏感膜光學(xué)特性的定性和定量分析。

圖1　熒光檢測及其傳感裝置結(jié)構(gòu)圖Fig 1　Diagram of fluorescence detection and its sensing device structure

2實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

2.1熒光試劑濃度對敏感膜透光率與熒光強(qiáng)度的影響

圖2(a)，(b)分別反映了不同熒光試劑濃度對敏感膜透光率和熒光發(fā)射強(qiáng)度的影響，可以看出透光率與熒光強(qiáng)度隨著熒光試劑濃度的增加而升高。當(dāng)濃度為7 mg/mL時，透過率最高，光探測器收集到的熒光也相對較多，當(dāng)濃度超過7 mg/mL時，透光率逐漸下降，這是因?yàn)闊晒庠噭舛绕弋a(chǎn)生了熒光自猝滅現(xiàn)象，導(dǎo)致熒光強(qiáng)度降低，因此，最佳熒光試劑濃度為7 mg/mL。

圖2　氧敏感膜的透光特性和熒光特性Fig 2　Light transmission performance and fluorescence characteristic of oxygen sensitive membrane

2.2可見光波長對敏感膜透光率的影響

圖3反映了不同波長的可見光對氧敏感膜透光率的影響，可以看出在可見光范圍內(nèi)，隨著光波長的增加，敏感膜透光率先是上升再下降且在波長為620 nm處出現(xiàn)了峰值，同時,該峰值波長附近氧敏感膜的透光率較高，表明敏感膜對紅光吸收最少，與本文所研究的釕絡(luò)合物作為熒光物質(zhì)激發(fā)產(chǎn)生紅色熒光且中心波長約為615 nm的預(yù)期效果較為符合，可有效提高熒光激發(fā)性能。

圖3　敏感膜透光率與可見光波長的關(guān)系Fig 3　Relationship between light transmittance of sensitive membrane and visible light wavelength

2.3溫度和pH值對敏感膜熒光特性的影響

圖4(a)表明了平均每當(dāng)溫度變化1 ℃，敏感膜熒光發(fā)射強(qiáng)度變化0.79 %，因而,在熒光檢測分析時需根據(jù)實(shí)時溫度對檢測結(jié)果加以修正，具體調(diào)整公式為[9]

Ft=Fs[1-k(t0-t)]

(1)

式中Ft,Fs分別為修正、實(shí)測的熒光強(qiáng)度值，t0,t分別為定標(biāo)、實(shí)測溫度，k為溫度影響系數(shù)，本實(shí)驗(yàn)中為0.007 9，實(shí)測熒光值Fs經(jīng)式(1)調(diào)整后再用于熒光的測定分析，以降低溫度波動對熒光發(fā)射強(qiáng)度的影響。

溶液pH值會影響基態(tài)或激發(fā)態(tài)分子的酸堿性質(zhì)，使得分子的基態(tài)與激發(fā)態(tài)之間的能力間隔發(fā)生改變，導(dǎo)致熒光強(qiáng)度變化。圖4(b)反映了常溫25 ℃條件下，不同pH值對熒光強(qiáng)度的影響，可以看出熒光強(qiáng)度從酸性到堿性整體上是由強(qiáng)變?nèi)酰?dāng)pH值在6～9范圍內(nèi)，熒光強(qiáng)度變化很小，隨著堿性增強(qiáng)熒光強(qiáng)度逐漸下降，因而,敏感膜適合于溶液pH值在6～9的液體環(huán)境下的熒光測定分析。

圖4　氧敏感膜熒光特性Fig.4 Fluorescence characteristic of oxygen sensitive membrane

2.4藍(lán)光和綠光對光學(xué)薄膜的熒光敏感性

圖5(a)顯示了藍(lán)光和綠光分別作為激發(fā)光源在相同實(shí)驗(yàn)條件下激發(fā)敏感膜所獲得的熒光強(qiáng)度，圖5(b)反映了兩種激發(fā)光源照射敏感膜數(shù)10次后熒光強(qiáng)度的變化情況，可以看出,盡管綠光相比藍(lán)光而言仍能有效激發(fā)敏感膜,且隨著實(shí)驗(yàn)次數(shù)的增加，綠光激發(fā)敏感膜發(fā)射的熒光強(qiáng)度衰減比藍(lán)光慢，因此,采用綠光作為激發(fā)光源可有效避免熒光染料的褪色效應(yīng)，從而可延長敏感膜的使用壽命。

圖5　激發(fā)光源對敏感膜熒光特性的影響Fig 5　Influence of excitation light source on fluorescence characteristic of sensitive membrane

2.5電路參數(shù)對敏感膜熒光特性的影響

圖6(a)表明敏感膜熒光發(fā)射強(qiáng)度隨著激發(fā)信號頻率的增加而升高，當(dāng)頻率增加至60 kHz時，熒光強(qiáng)度增加速度變慢，主要是因?yàn)轭l率過高導(dǎo)致了光探測器的動態(tài)特性變差，因而,最佳激發(fā)信號頻率為60 kHz。圖6(b)表明熒光強(qiáng)度隨著信號占空比的增加而下降，這是因?yàn)闊晒獍l(fā)射過程中有余暉現(xiàn)象，激發(fā)信號占空比影響了熒光信號的接收，占空比的增大使得激發(fā)信號前一周期高電平激發(fā)的熒光會與下一周期的激發(fā)熒光混雜，因而,最佳激發(fā)信號占空比為10 %。

圖6　電路參數(shù)對敏感膜熒光特性的影響Fig 6　Influence of circuit parameters on fluorescence characteristic of sensitive membrane

2.6氧敏感膜的特異性與對溶解氧的響應(yīng)度

實(shí)驗(yàn)首先測定了無氧水條件下的熒光發(fā)射強(qiáng)度，再向水中通入CO2，結(jié)果顯示，該過程中熒光強(qiáng)度數(shù)值保持穩(wěn)定。采用相同方案，測定熒光強(qiáng)度在氮?dú)饧捌渌麣怏w環(huán)境下依然保持穩(wěn)定，表明敏感膜對CO2，N2等常見氣體不敏感，而對氧具有選擇特異性。圖7(a)反映了無氧水中的熒光強(qiáng)度約為氧飽和水的3倍，因而，敏感膜適合于溶解氧的測定。在此基礎(chǔ)上，研究發(fā)現(xiàn)在0～20 mg/L氧濃度范圍內(nèi)熒光強(qiáng)度與氧濃度呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系，如圖7(b)所示，其中，F(xiàn)t,F0分別為溫度修正后的實(shí)測、無氧水條件下的熒光強(qiáng)度值，針對測量的多組數(shù)據(jù)作回歸分析，得到方程Y=0.28X+0.987，經(jīng)計算相關(guān)系數(shù)R為0.973，檢測誤差為±1 %。

圖7　氧敏感膜對不同水樣的熒光響應(yīng)程度Fig 7　Degree of fluorescence response of oxygen sensitive membrane to different water sample

3結(jié)論

本文基于釕絡(luò)合物的發(fā)光特性制備出一種穩(wěn)定性好、使用壽命長、熒光激發(fā)性能高的氧敏感膜。通過深入研究敏感膜的透光和熒光特性來優(yōu)選出性能優(yōu)良的敏感膜，進(jìn)而提高熒光激發(fā)性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：7 mg/mL的熒光試劑濃度是敏感膜制備的最佳配比，同時溫度、pH值、電路參數(shù)等因素對熒光強(qiáng)度的影響得到了有效解決，而綠光光源相比藍(lán)光在有效激發(fā)敏感膜的同時也能提高膜的使用壽命。本文所研究的氧敏感膜對水體中的溶解氧響應(yīng)度較好，能為水中溶解氧的測定、微生物傳感檢測等方面提供良好的研究基礎(chǔ)。

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Study on optical and sensing property of oxygen sensitive membrane with ruthenium complex*

WANG Ting-ting1,CHANG Jian-hua1,2,ZHU Cheng-gang1,WANG Zhi-dan1

(1.Jiangsu Key Laboratory of Meteorological observation and Information Processing, Nanjing University of Information Science &Technology,Nanjing 210044,China;2.Collaborative Innovation Center of Atmospheric Environment and Equipment Technology, Nanjing University of Information Science &Technology,Nanjing 210044,China)

Abstract:An oxygen sensitive membrane which has good chemical stability,long life and high fluorescence excitation performance is prepared based on photoluminescence of Ru(dpp)3Cl2 as a ruthenium complex.Light transmission features of sensitive membrane is studied,and influences of fluorescence indicator concentration,liquid temperature,pH value and circuit parameters,etc,on intensity of fluorescence emission from sensitive membrane is investigated.At the same time,effect of different excitation light source on fluorescence characteristic and working life of sensitive membrane is discussed.Based on it,specificity detection on oxyen sensitive membrane and responsivity detections on dissolved oxygen is achieved.Experimental results show that the prepared oxygen sensitive membrane has high responsivity to dissolved oxygen,detection error maintains around 1 %,which has good application prospect in many areas,such as dissolved oxygen and glucose content measurement,microbial sensing detection,etc.

Key words:ruthenium complex;sensitive membrane;fluorescence characteristic

DOI:10.13873/J.1000—9787(2016)05—0039—04

收稿日期：2015—09—14

*基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61405094);江蘇省信息與通信工程優(yōu)勢學(xué)科資助項(xiàng)目

中圖分類號：TP 212

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1000—9787(2016)05—0039—04

作者簡介:

王婷婷(1979-)，女，江蘇南京人，博士，主要從事光電傳感技術(shù)研究。