氧敏熒光納米聚合物膠囊在溶解氧傳感器中的應(yīng)用

郭飛，蔡晨鑫，寧杰

（1.浙江工業(yè)大學(xué)海洋學(xué)院，浙江杭州310014；2.浙江工業(yè)大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院，浙江杭州310014）

氧敏熒光納米聚合物膠囊在溶解氧傳感器中的應(yīng)用

郭飛1，蔡晨鑫2，寧杰2

（1.浙江工業(yè)大學(xué)海洋學(xué)院，浙江杭州310014；2.浙江工業(yè)大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院，浙江杭州310014）

根據(jù)可逆加成斷裂鏈/鏈轉(zhuǎn)移(RAFT)細乳液聚合法制備包裹有熒光指示劑的納米聚合物膠囊，并將該納米聚合物膠囊制備成氧敏熒光膜應(yīng)用于溶解氧傳感器中，結(jié)果表明：該溶解氧傳感器具有良好的可逆性、重復(fù)性，響應(yīng)時間13.5 s，靈敏度為2.35。其工作曲線呈非線性，相關(guān)系數(shù)R2=0.999，符合非均相系統(tǒng)的“two-site”模型。其檢測極限為0.21 mg/L(n=10)，在0.21～8.96 mg/L范圍內(nèi)可以很好地檢測溶解氧含量。

溶解氧；光學(xué)氧傳感器；納米聚合物膠囊

0 引言

溶解氧是一個非常重要的參數(shù)，在很多領(lǐng)域都有重要意義。例如在水體檢測和水產(chǎn)養(yǎng)殖中，溶解氧不僅與水生生物的生存緊密相關(guān)，而且直接反應(yīng)水體水質(zhì)的好壞情況，在自然水體檢測和污水處理中有重要應(yīng)用；在臨床診斷中，人體血液中的溶解氧是人體健康狀況的一個重要指標；另外，溶解氧還在發(fā)酵、有機合成和食品發(fā)酵等過程控制中有著重要意義[1-4]。溶解氧的檢測方法主要有碘量法、電化學(xué)傳感器法、光學(xué)傳感器法等等，其中光學(xué)傳感器以其具有檢測不耗氧、耐腐蝕、無參考電極、抗電磁干擾、完全的可逆性等優(yōu)點備受歡迎，其中基于熒光猝滅原理的光學(xué)傳感器以其簡單的原理和操作更是成為研究熱點[5-6]。

氧氣對某些熒光物質(zhì)有猝滅作用，熒光猝滅原理可用Stern-Volmer方程[7]表述。

其中τ0，Ι0，τ，Ι分別代表無氧條件和有氧條件下的熒光壽命和熒光強度，KSV是Stern-Volmer常數(shù)，[O2]是氧濃度。所以可通過檢測熒光強度和熒光壽命來計算溶解氧含量。熒光強度易受外界條件干擾，影響檢測結(jié)果，而熒光壽命是熒光物質(zhì)的本征屬性，不受外界干擾，但由于熒光壽命極小，故對儀器要求較高。方程(1)適用于均相系統(tǒng)，但通常所制備的氧敏熒光膜是非均相系統(tǒng)，需選用適于非均相系統(tǒng)的“two-site”模型[8-10]。

其中τ0，Ι0，τ，Ι分別代表無氧條件和有氧條件下的熒光壽命和熒光強度，f代表一種熒光微相的部分，KSV1是該微相的Stern-Volmer常數(shù)，KSV2是另一微相的Stern-Volmer常數(shù)，對于非熒光物質(zhì)，KSV2=0，[O2]是氧濃度。

光學(xué)溶解氧傳感器的性能受氧敏熒光膜基質(zhì)和指示劑的固定方法影響。氧敏熒光膜基質(zhì)主要有硅烷類和烯烴類聚合物兩類，基質(zhì)的網(wǎng)狀孔隙率、孔道大小和基質(zhì)分子的極性影響著氧分子的滲透性，氧分子在基質(zhì)中的擴散速率關(guān)乎溶解氧傳感器性能。指示劑的固定關(guān)乎溶解氧傳感器的應(yīng)用和壽命，固定不牢，容易造成指示劑的泄露，縮短傳感器的壽命，對傳感器的準確性也會造成影響。熒光指示劑固定方法是化學(xué)法和物理法[11]，其中化學(xué)法由于需要在指示劑分子上添加活性基團，影響熒光指示劑的熒光性質(zhì)，在應(yīng)用上受到局限。物理法是通過分子間相互作用力、氫鍵、離子鍵等將指示劑固定到基質(zhì)膜中，由于其操作簡單，不會對指示劑性質(zhì)造成影響，所以受到廣泛關(guān)注，特別是溶膠凝膠法，備受矚目。然而由于指示劑分子與基質(zhì)分子間的作用力比較弱，容易造成指示劑的泄露。近年來，應(yīng)用納米聚合物膠囊包埋熒光指示劑開始受到關(guān)注，Cheng-Shane Chu等[12]通過溶膠凝膠法制備包裹熒光指示劑的二氧化硅納米膠囊，用其組裝的光纖氧傳感器靈敏度達到了117。

可逆加成斷裂鏈/鏈轉(zhuǎn)移(RAFT)細乳液聚合法是制備納米聚合物膠囊的一種重要方法[13-15]。本文通過RAFT細乳液聚合法制備包埋有熒光指示劑的納米聚合物膠囊并用其制備氧敏熒光膜，組裝了實驗室用溶解氧傳感器。

1 實驗部分

1.1 主要儀器與試劑

JY92-Ⅱ型超聲細胞粉碎機(寧波新芝生物科技有限公司)；溶解氧傳感器(杭州和邁科技有限公司)。

4-氰基-4-(十二烷基硫烷基硫代羰基)硫烷基戊酸(CDPA，J&K Scientific)；4,4'-偶氮雙(4-氰基戊酸)(V501，98%，Aldrich)；三(4-7-聯(lián)苯-1，10-鄰菲啰啉)二氯化釕(II)(Ru(dpp)3Cl2,AR)作為氧敏熒光指示劑由阿法埃莎(天津)化學(xué)有限公司提供。甲基丙烯酸十二氟庚酯(DFMA，AR，上海思域化工科技有限公司)；二乙烯基苯(DVB，AR，上海麥克林生化科技有限公司)；偶氮二異丁腈(AIBN，五聯(lián)化工廠)；甲基丙烯酸甲酯(MMA，AR)、甲基丙烯酸(MAA，AR)、1,4-二氧六環(huán)(AR)、正己烷(AR)、石蠟(AR)、氫氧化鈉(NaOH，AR)、亞硝酸鈉(NaNO2，AR)、十二烷基硫酸鈉(SDS，AR)、濃硫酸(H2SO4，AR)均由上海國藥集團化學(xué)品試劑有限公司提供。

1.2 包埋有熒光指示劑的納米聚合物膠囊的制備

雙親性大分子RAFT試劑由RAFT溶液聚合合成[11，13]：將8.0 g的甲基丙烯酸、7.0 g的甲基丙烯酸甲酯、0.4 g 4，4-偶氮-二（4-氰基戊酸）和2.0 g 4-氰基-4-（十二烷基硫烷基硫代羰基）硫烷基戊酸溶于60 g的二氧六環(huán)溶劑中，在80℃條件下聚合8 h，減壓蒸除溶劑制得雙親性大分子RAFT試劑。

根據(jù)文獻所述方法制備包埋有熒光指示劑的納米聚合物膠囊的制備[11]：將3.0 g雙親性大分子RAFT試劑與54.2 g去離子水配制成水溶液作為水相，加入由3.5 g MMA、1.5 g DVB、0.021 g AIBN、2.5 g石蠟和0.01 g Ru(dpp)3Cl2組成的油相并混合均勻，經(jīng)超聲粉碎15 min制得細乳液；將細乳液在80℃條件下進行RAFT活性自由基細乳液聚合反應(yīng)，反應(yīng)9 h后冷卻，對所得乳液離心分離并分別用無水乙醇和去離子水洗滌，制得包埋有熒光指示劑的納米聚合物膠囊。

1.3 溶解氧傳感器的組裝

配制一定比例含有氧敏熒光納米聚合物膠囊的乙醇溶液，通過旋涂法在室溫下制備氧敏熒光膜。將氧敏熒光膜組裝到氧傳感器探頭上，如圖1所示。

圖1 光學(xué)氧傳感器探頭示意圖

溶解氧傳感器是根據(jù)相位移法檢測的，由于Ru(dpp)3Cl2的激發(fā)光譜和發(fā)射光譜分別為470 nm和600 nm，所以選用商用藍色LED燈和紅色LED燈分別作為激發(fā)光和補償光光源，如圖1，藍光通過470 nm的偏振濾光片照射到氧敏熒光膜上，熒光指示劑受激發(fā)發(fā)射不同相位的紅光，被中心的接收窗口(含600 nm偏振濾光片)接收轉(zhuǎn)化為電信號，與藍光相同位移的紅光經(jīng)反射被中心窗口接受轉(zhuǎn)化為電信號，二者比較得出由于藍光激發(fā)引起的相位移信號，進一步轉(zhuǎn)化為熒光壽命信號。

1.4 溶解氧傳感器動態(tài)響應(yīng)曲線測試和工作曲線的標定

將溶解氧傳感器探頭放入無氧水(飽和Na2SO3溶液)中，每15 s讀取一個數(shù)據(jù)，讀取30個數(shù)據(jù)后快速放入有氧水(空氣飽和水)中，亦讀取30個數(shù)據(jù)，如此交替進行，測得溶解氧傳感器的動態(tài)響應(yīng)曲線。

標定工作曲線的方法如圖2所示，一定比例的氮氣和氧氣混合后通入水中，制得具有一定溶解氧含量的水，分別用溶解氧傳感器和市售哈希溶氧儀測試水中的溶解氧含量，得到溶解氧傳感器的工作曲線數(shù)據(jù)。

2 結(jié)果與討論

2.1 包埋有熒光指示劑的納米聚合物膠囊

圖2 工作曲線標定實驗示意圖

圖3 包埋有熒光指示劑的納米聚合物膠囊的TEM圖

從圖3可以看出，包埋有熒光指示劑的納米聚合物膠囊呈球形，具有核殼結(jié)構(gòu)，中心黑色區(qū)域是熒光指示劑，邊緣灰色區(qū)域是交聯(lián)的甲基丙烯酸聚合物。

2.2 溶解氧傳感器的性能

溶解氧傳感器的動態(tài)響應(yīng)曲線如圖4A所示。從圖中可以看出，溶解氧傳感器具有良好的可逆性，響應(yīng)時間為13.5 s，靈敏度為2.35。由于包含有熒光指示劑的納米聚合物膠囊為微觀非均相系統(tǒng)，符合“two-site”模型，故而溶解氧傳感器的工作曲線是非線性的，如圖4B所示，根據(jù)標定實驗得到的工作曲線(R2=0.999)也證明了這一點。該溶解氧傳感器的檢測極限為0.21 mg/L(n= 10)。因此，該溶解氧傳感器在0.21～8.96 mg/L范圍可以很好地檢測溶解氧含量。

圖4 溶解氧傳感器的動態(tài)響應(yīng)曲線(A)和工作曲線(B)

3 結(jié)論

應(yīng)用包埋有熒光指示劑的納米聚合物膠囊制備了溶解氧傳感器，表現(xiàn)出良好的可逆性、重復(fù)性，響應(yīng)時間為13.5 s，靈敏度為2.35。工作曲線呈非線性，相關(guān)系數(shù)R2=0.999，符合非均相系統(tǒng)的“two-site”模型。其檢測極限為0.21 mg/L(n=10)，可以在0.21～8.96 mg/L范圍很好地檢測溶解氧含量。

[1]Wang X D,Wolfbeis O S.Optical methods for sensing and imaging oxygen:materials,spectroscopies and applications [J].Chemical Society Reviews,2014,43（10）:3666.

[2]Larndorfer C,Borisov S M,Lehner P,et al.The effect of high light intensities on luminescence lifetime based oxygen sensing[J].Analyst,2014,139（24）:6569-6579.

[3]Liu Y,Li B,Yan C,et al.Optical oxygen sensing materials based on a novel dirhenium（I）complex assembled in mesoporous silica[J].Journal of Luminescence,2011,131（131）:781-785.

[4]Martz T,Takeshita Y,Rolph R,etal.Tracer monitored titrations:measurement of dissolved oxygen[J].Analytical Chemistry,2011,84（1）:290-296.

[5]Barczak M,Mcdonagh C,Wencel D.Micro-and nanostructured sol-gel-based materials for optical chemical sensing（2005–2015）[J].Microchimica Acta,2016,183（7）:1-25.

[6]Baleiz?o C,Nagl S,Sch?ferling M,et al.Dual fluorescence sensor for trace oxygen and temperature with unmatched range and sensitivity[J].Analytical Chemistry,2008,80（16）:6449-6457.

[7]Mcdonagh C,Kolle C,Mcevoy A K,et al.Phase fluorometric dissolved oxygen sensor[J].Sensors&Actuators B Chemical,2001,74（1-3）:124-130.

[8]Carraway E R,Demas J N,Degraff B A,et al.Photophysics and photochemistry of oxygen sensors based on luminescent transition-metal complexes[J].Analytical Chemistry,2002,63（4）:337-342.

[9]Banerjee S,Kelly C,Kerry J P,etal.High throughputnondestru ctive assessment of quality and safety of packaged food products using phos phorescent oxygen sensors[J]. Trends in Food Science&Technology,2016,50:85-102.

[10]Demas J N,Degraff B A,Xu W,et al.Modeling of luminescence quenching-based sensors:comparison of multisite and nonlinear gas solubility models[J].Analytical Chemistry,1995,67（8）:1377-1380.

[11]陳通通,基于熒光猝滅原理的溶解氧傳感膜制備新技術(shù)的研究[D].杭州：浙江工業(yè)大學(xué),2015.

[12]Chu C S,Lo Y L.Opticalfiberdissolved oxygen sensorbased on Pt（II）complex and core-shell silica nanoparticles incorporated with sol-gel matrix[J].Sensors&Actuators B Chemical,2010,151（1）:83-89.

[13]Sun Z,Luo Y.Fabrication of non-collapsed hollow polymeric nanoparticles with shell thickness in the order of ten nanometres and anti-reflection coatings[J].Soft Matter, 2011,7（3）:871-875.

[14]Luo Y,Gu H.Nanoencapsulation via interfacially confined reversible addition fragmentation transfer（RAFT）miniemulsion polymerization[J].Polymer,2007,48（11）: 3262-3272.

[15]Chen H,Luo Y.Facile synthesis of nanocapsules and hollow nanoparticles consisting of fluorinated polymer shells by interfacial RAFT miniemulsion polymerization[J]. Macromolecular Chemistry&Physics,2011,212（7）:737-743.

Application of Oxygen Sensitive Fluorescent Nanocapsules in Dissolved Oxygen Sensor

GUO Fei1，CAIChen-xin2，NING Jie2
（1.Ocean College，Zhejiang University of Technology，Hangzhou，Zhejiang 310014，China;2.College of chemical Engineering,Zhejiang University of Technology,Hangzhou，Zhejiang 310014,China）

A oxygen sensitive fluorescent nanocapsule was synthesized via interfacial confined reversible addition fragmentation chain transfer(RAFT)miniemulsion polymerization.The oxygen sensitive film was prepared with the nanocapusles and applied in a dissolved oxygen sensor to testing the oxygen sensing performance.The results showed that the dissolved oxygen sensor possessed excellent performance with full reversibility and repeatability,fast response time(13.5 s),good sensitivity(2.35).Its work curve was nonlinear and conform to the two-site model(R2=0.999)which applies to the heterogeneous systems.The limit ofdetection ofthe dissolved oxygen sensor was 0.21 mg/L(n=10)and it could work well in 0.21～8.96 mg/L.

dissolved oxygen;optical oxygen sensor;nanocapsules

1006-4184（2017）8-0021-04

2017-02-26

浙江省自然科學(xué)基金項目(LY15B060006)；國家自然科學(xué)基金項目(21104066)。

郭飛，男，山西大同人，碩士研究生。E-mail：guofeics@163.com。