钌络合物合成氧敏感膜的光学与传感特性研究*

王婷婷,常建华,2,朱成刚,王志丹

(1.南京信息工程大学 江苏省气象探测与信息处理重点实验室，江苏 南京 210044;2.南京信息工程大学 江苏省大气环境与装备技术协同创新中心，江苏 南京 210044)

钌络合物合成氧敏感膜的光学与传感特性研究*

王婷婷1,常建华1,2,朱成刚1,王志丹1

(1.南京信息工程大学 江苏省气象探测与信息处理重点实验室，江苏 南京 210044;2.南京信息工程大学 江苏省大气环境与装备技术协同创新中心，江苏 南京 210044)

摘要:基于钌络合物Ru(dpp)3Cl2的发光特性，制备了一种化学稳定性好、使用寿命长、荧光激发性能高的氧敏感膜。研究了敏感膜的透光特性，重点分析了荧光试剂浓度、液体温度、pH值、电路参数等因素对敏感膜荧光发射强度的影响，同时探讨了不同激发光源对敏感膜荧光性能及其使用寿命的影响，在此基础上，实现了氧敏感膜的特异性和对溶解氧的响应度检测。实验结果表明:制备的氧敏感膜对水体中的溶解氧响应度较好，检测误差保持在 1 %左右，在溶解氧/葡萄糖含量测定、微生物传感检测等方面有着较好的应用前景。

关键词：钌络合物；敏感膜；荧光特性

0引言

荧光通常是指荧光物质吸收了波长较短的可见光或紫外光后，辐射出波长较长的可见光，荧光分析技术发展非常迅速，在水体中溶解氧测定、BOD微生物传感检测以及葡萄糖、叶绿素含量测定等方面有着较好的应用前景[1，2]。

钌络合物，如Ru(bpy)3Cl2，Ru(dpp)3Cl2等有着良好的化学稳定性，具有激发波长较长、光发射强度较大等优良特性，是目前研究与应用最多的氧敏感材料，且使用该类荧光材料制备出荧光敏感膜及其光学特性分析，实现对待测物的定性与定量分析，已成为荧光检测技术领域的研究热点[3，4]。有鉴于此，研究人员已制备出性能优良的荧光敏感膜，测试分析了膜的荧光性能，实现了水体中溶解氧的测定[5，6]，但仍存在一些不足，荧光试剂泄露严重、膜的稳定性和荧光激发效率有待提高。此外，使用寿命是衡量膜质量的重要指标，通常采用高亮度的蓝光光源进行激发，导致膜的使用寿命低且蓝光易被表皮吸收而不能穿过体内检测，限制了钌络合物等同类材料的实用化发展[7，8]。因此，研究稳定的、拥有高量子产率、长发光寿命且对氧有较好响应度荧光敏感膜仍然重要。

本文通过改进氧敏感膜制备方案并研究膜的光学特性和对溶解氧的响应特性，表明制备的敏感膜具有优良的荧光激发和传感性能，使用寿命长，对水中溶解氧的响应度好。

1荧光检测及其传感装置

本文选择了一种钌的有机络合物(Ru(dpp)3Cl2)作为荧光物质，用其合成具有荧光效应的氧敏感膜，为了方便测定和分析敏感膜的荧光特性，设计了一种独特的荧光测定及其传感装置，如图1所示。当用于液体环境下荧光测定与分析时，通过设计一种45°角斜面的荧光发射与接收结构，解决了气泡给荧光检测带来的干扰。系统工作过程先由恒流源驱动电路控制LED使其发出稳定的光，经光学透镜聚焦后再经光学载玻片入射到氧敏感膜上，激发荧光物质发射荧光，荧光信号经滤光片、光学透镜后被光探测器接收，再完成信号的采集与处理，实现敏感膜光学特性的定性和定量分析。

图1　荧光检测及其传感装置结构图Fig 1　Diagram of fluorescence detection and its sensing device structure

2实验与结果分析

2.1荧光试剂浓度对敏感膜透光率与荧光强度的影响

图2(a)，(b)分别反映了不同荧光试剂浓度对敏感膜透光率和荧光发射强度的影响，可以看出透光率与荧光强度随着荧光试剂浓度的增加而升高。当浓度为7 mg/mL时，透过率最高，光探测器收集到的荧光也相对较多，当浓度超过7 mg/mL时，透光率逐渐下降，这是因为荧光试剂浓度偏高产生了荧光自猝灭现象，导致荧光强度降低，因此，最佳荧光试剂浓度为7 mg/mL。

图2　氧敏感膜的透光特性和荧光特性Fig 2　Light transmission performance and fluorescence characteristic of oxygen sensitive membrane

2.2可见光波长对敏感膜透光率的影响

图3反映了不同波长的可见光对氧敏感膜透光率的影响，可以看出在可见光范围内，随着光波长的增加，敏感膜透光率先是上升再下降且在波长为620 nm处出现了峰值，同时,该峰值波长附近氧敏感膜的透光率较高，表明敏感膜对红光吸收最少，与本文所研究的钌络合物作为荧光物质激发产生红色荧光且中心波长约为615 nm的预期效果较为符合，可有效提高荧光激发性能。

图3　敏感膜透光率与可见光波长的关系Fig 3　Relationship between light transmittance of sensitive membrane and visible light wavelength

2.3温度和pH值对敏感膜荧光特性的影响

图4(a)表明了平均每当温度变化1 ℃，敏感膜荧光发射强度变化0.79 %，因而,在荧光检测分析时需根据实时温度对检测结果加以修正，具体调整公式为[9]

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

(1)

式中Ft,Fs分别为修正、实测的荧光强度值，t0,t分别为定标、实测温度，k为温度影响系数，本实验中为0.007 9，实测荧光值Fs经式(1)调整后再用于荧光的测定分析，以降低温度波动对荧光发射强度的影响。

溶液pH值会影响基态或激发态分子的酸碱性质，使得分子的基态与激发态之间的能力间隔发生改变，导致荧光强度变化。图4(b)反映了常温25 ℃条件下，不同pH值对荧光强度的影响，可以看出荧光强度从酸性到碱性整体上是由强变弱，当pH值在6～9范围内，荧光强度变化很小，随着碱性增强荧光强度逐渐下降，因而,敏感膜适合于溶液pH值在6～9的液体环境下的荧光测定分析。

图4　氧敏感膜荧光特性Fig.4 Fluorescence characteristic of oxygen sensitive membrane

2.4蓝光和绿光对光学薄膜的荧光敏感性

图5(a)显示了蓝光和绿光分别作为激发光源在相同实验条件下激发敏感膜所获得的荧光强度，图5(b)反映了两种激发光源照射敏感膜数10次后荧光强度的变化情况，可以看出,尽管绿光相比蓝光而言仍能有效激发敏感膜,且随着实验次数的增加，绿光激发敏感膜发射的荧光强度衰减比蓝光慢，因此,采用绿光作为激发光源可有效避免荧光染料的褪色效应，从而可延长敏感膜的使用寿命。

图5　激发光源对敏感膜荧光特性的影响Fig 5　Influence of excitation light source on fluorescence characteristic of sensitive membrane

2.5电路参数对敏感膜荧光特性的影响

图6(a)表明敏感膜荧光发射强度随着激发信号频率的增加而升高，当频率增加至60 kHz时，荧光强度增加速度变慢，主要是因为频率过高导致了光探测器的动态特性变差，因而,最佳激发信号频率为60 kHz。图6(b)表明荧光强度随着信号占空比的增加而下降，这是因为荧光发射过程中有余晖现象，激发信号占空比影响了荧光信号的接收，占空比的增大使得激发信号前一周期高电平激发的荧光会与下一周期的激发荧光混杂，因而,最佳激发信号占空比为10 %。

图6　电路参数对敏感膜荧光特性的影响Fig 6　Influence of circuit parameters on fluorescence characteristic of sensitive membrane

2.6氧敏感膜的特异性与对溶解氧的响应度

实验首先测定了无氧水条件下的荧光发射强度，再向水中通入CO2，结果显示，该过程中荧光强度数值保持稳定。采用相同方案，测定荧光强度在氮气及其他气体环境下依然保持稳定，表明敏感膜对CO2，N2等常见气体不敏感，而对氧具有选择特异性。图7(a)反映了无氧水中的荧光强度约为氧饱和水的3倍，因而，敏感膜适合于溶解氧的测定。在此基础上，研究发现在0～20 mg/L氧浓度范围内荧光强度与氧浓度呈现良好的线性关系，如图7(b)所示，其中，Ft,F0分别为温度修正后的实测、无氧水条件下的荧光强度值，针对测量的多组数据作回归分析，得到方程Y=0.28X+0.987，经计算相关系数R为0.973，检测误差为±1 %。

图7　氧敏感膜对不同水样的荧光响应程度Fig 7　Degree of fluorescence response of oxygen sensitive membrane to different water sample

3结论

本文基于钌络合物的发光特性制备出一种稳定性好、使用寿命长、荧光激发性能高的氧敏感膜。通过深入研究敏感膜的透光和荧光特性来优选出性能优良的敏感膜，进而提高荧光激发性能。实验结果表明：7 mg/mL的荧光试剂浓度是敏感膜制备的最佳配比，同时温度、pH值、电路参数等因素对荧光强度的影响得到了有效解决，而绿光光源相比蓝光在有效激发敏感膜的同时也能提高膜的使用寿命。本文所研究的氧敏感膜对水体中的溶解氧响应度较好，能为水中溶解氧的测定、微生物传感检测等方面提供良好的研究基础。

参考文献:

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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

*基金项目：国家自然科学基金资助项目(61405094);江苏省信息与通信工程优势学科资助项目

中图分类号：TP 212

文献标识码：A

文章编号：1000—9787(2016)05—0039—04

作者简介:

王婷婷(1979-)，女，江苏南京人，博士，主要从事光电传感技术研究。