氧敏感膜聚合物基質(zhì)材料對(duì)熒光猝滅性能的影響研究

王智文 屈發(fā)進(jìn) 趙雅文 汪巖屹 陳初升*

1（中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)材料科學(xué)與工程系，合肥230026）2（中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)先進(jìn)技術(shù)研究院，合肥 230031）

氧氣是維持生物生命活動(dòng)的重要物質(zhì)，也是工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要原料。及時(shí)準(zhǔn)確地檢測(cè)氣態(tài)氧氣或液相溶解氧濃度對(duì)于人們的生產(chǎn)和生活均具有重要的實(shí)際意義[1]。光學(xué)氧傳感技術(shù)是一種基于熒光猝滅原理的傳感技術(shù)，具有高靈敏度、快速響應(yīng)時(shí)間、不消耗氧氣和過程可逆等優(yōu)點(diǎn)，在各領(lǐng)域中得到越來越廣泛的應(yīng)用[2]。

熒光是一種光致發(fā)光現(xiàn)象，處于基態(tài)的熒光指示劑分子（M）吸收特定波長(zhǎng)的入射光能量后，進(jìn)入具有振動(dòng)能級(jí)的激發(fā)態(tài)（M*），激發(fā)態(tài)返回基態(tài)發(fā)射熒光，發(fā)射過程如式（1）和（2）所示。熒光發(fā)射過程中，熒光分子與其它分子發(fā)生作用而出現(xiàn)的光強(qiáng)度降低、發(fā)光時(shí)間縮短的現(xiàn)象稱為熒光猝滅。氧氣是最常見的熒光猝滅劑，能量較低的三線態(tài)氧分子（O23）能夠吸收激發(fā)態(tài)的熒光指示劑分子能量，發(fā)生熒光動(dòng)態(tài)猝滅（式（3））[3-4]。

熒光氧傳感器是一種基于氧氣的熒光猝滅原理的傳感器，其熒光強(qiáng)度或壽命與氧濃度之間的定量關(guān)系遵循Stern-Volmer（SV）方程（式（4））[5]：

式中，I0和τ0分別為完全無氧狀態(tài)下的熒光強(qiáng)度和壽命，I和τ為存在氧氣環(huán)境下的熒光強(qiáng)度和壽命，[O2]為氧濃度或者氧分壓，Ksv為Stern-Volmer 猝滅常數(shù)。

氧敏感膜是熒光氧傳感器的核心組成部分，通常采用聚合物作為基質(zhì)，在其中分散熒光指示劑制備而成[6]。四（五氟苯基）卟吩鉑（PtTFPP）具有高熒光量子產(chǎn)率、長(zhǎng)熒光壽命、大斯托克斯位移和良好的光化學(xué)穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)，是理想的熒光指示劑[7-8]。基質(zhì)材料的氧氣滲透性在氧敏感膜中起重要作用，影響傳感器的靈敏度、精確性和響應(yīng)時(shí)間等參數(shù)。聚氯乙烯（PVC）、聚苯乙烯（PS）和乙基纖維素（EC）等聚合物具有高透光率、環(huán)保無毒和低成本等特點(diǎn)，因此常作為熒光氧傳感器敏感膜的基質(zhì)使用。

通過熒光相位測(cè)量熒光壽命具有帶寬小和抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，是熒光氧傳感器信號(hào)檢測(cè)技術(shù)發(fā)展的主流方向[9-10]。鎖相放大技術(shù)常用于交變信號(hào)相位檢測(cè)，基于AD630 調(diào)制解調(diào)芯片的模擬鎖相放大技術(shù)用于熒光相位檢測(cè)具有器件少和分辨率高等優(yōu)點(diǎn)[11]，但也存在電路同頻困難和噪聲大的問題，采用現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯門陣列數(shù)字正交鎖相放大技術(shù)能夠有效克服模擬鎖相同頻困難的缺點(diǎn)，大幅提高檢測(cè)精度，但電路更復(fù)雜，器件成本也較高[12]。

異或門（XOR）鑒相是一種電路簡(jiǎn)單的相位測(cè)量方法。本研究在異或門模擬鑒相電路用于熒光相位檢測(cè)[13]的基礎(chǔ)上，將其改進(jìn)為數(shù)字鑒相電路，即脈寬測(cè)量采用微控制器的輸入捕獲功能，避免模擬鑒相電路中低通濾波和模數(shù)轉(zhuǎn)換引入誤差。以PtTFPP 為熒光指示劑，選用氧氣滲透系數(shù)差異較大的3 種聚合物PVC、PS 和EC 作為基質(zhì)，采用刮刀涂膜工藝制備熒光氧敏感膜。利用自建的熒光相位測(cè)量裝置，測(cè)量氧敏感膜在不同氧分壓氣氛下的熒光壽命，并考察了相對(duì)濕度對(duì)不同基質(zhì)材料對(duì)熒光壽命的影響。通過循環(huán)切換腔體的氧分壓，觀察熒光相位的動(dòng)態(tài)變化，研究了基質(zhì)材料對(duì)氧敏感膜響應(yīng)性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

D0719B 氣體質(zhì)量流量控制器（北京七星華創(chuàng)公司）；F-7000 熒光分光光度計(jì)（日本日立公司）；VAC-V2 壓差法氣體滲透儀（濟(jì)南蘭光機(jī)電技術(shù)有限公司）；T330 光學(xué)接觸角儀（瑞典Biolin 科技公司）；熒光相位測(cè)量系統(tǒng)和動(dòng)態(tài)配氣裝置（自建）。

PS、PVC、EC、四氫呋喃、無水乙醇、甲苯和三氯甲烷均購于國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；PtTFPP 購于美國Frontier Scientific 公司。所用試劑均為分析純。

1.2 高分子基質(zhì)膜的制備

將PS、PVC 和EC 分別與三氯甲烷、四氫呋喃和甲苯-乙醇（4∶1，m/m）混合液混合并充分?jǐn)嚢柚敝寥芙?，得到質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%的3 種聚合物溶液[14]。采用刮刀涂膜工藝將聚合物溶液在玻璃板上制膜，刮刀高度設(shè)置為300 μm。待所涂覆薄膜中的有機(jī)溶劑完全揮發(fā)，得到厚度約為30 μm 的PVC、PS 和EC 薄膜。

1.3 氧敏感膜的制備

參考文獻(xiàn)[15]的方法，采用刮刀涂膜工藝制備氧敏感膜。將熒光指示劑PtTFPP 在充分?jǐn)嚢柘氯芙庥谒臍溥秽?，制備質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%的PtTFPP 溶液（溶液1）。將PS、PVC 和EC 分別與三氯甲烷、四氫呋喃、甲苯-乙醇（4∶1，m/m）混合液混合并充分?jǐn)嚢柚敝寥芙?，得到質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%的3 種聚合物溶液（溶液2）。隨后按質(zhì)量比1∶2 將溶液1 與溶液2 混合并充分?jǐn)嚢杈鶆?，得到含有熒光指示劑的聚合物?fù)合溶液。將聚合物復(fù)合溶液分別在聚苯二甲酸乙二醇酯（PET）膜帶上制膜，設(shè)定刮刀高度100 μm，待所涂覆薄膜中的有機(jī)溶劑完全揮發(fā)，得到負(fù)載于PET 膜帶上的厚度為10～20 μm 的氧敏感膜。

1.4 高分子基質(zhì)膜水接觸角和氧滲透性能測(cè)量

水接觸角采用T330 光學(xué)接觸角儀測(cè)量，采用座滴法[16]，液滴體積為4 μL，接觸角取為同一樣品上不同位置至少5 次測(cè)量的平均值。采用國標(biāo)（GB/T1038-2000）壓差法[17]測(cè)量高分子基質(zhì)膜氧滲透系數(shù)。

1.5 氧敏感膜熒光性能測(cè)量

采用異或門數(shù)字鑒相電路測(cè)量熒光相位，原理如圖1 所示，以STM32F103 系列微控制器為核心處理器，以中心波長(zhǎng)為400 nm 的紫光LED 為激發(fā)光光源（LED1），微控制器（MCU）產(chǎn)生4 kHz 方波脈寬調(diào)制信號(hào)（MOD1），經(jīng)多級(jí)積分和放大轉(zhuǎn)換形成同頻率正弦信號(hào)（MOD2）給LED 供電。激發(fā)光經(jīng)短波通濾光片（OF1）照射氧敏感膜，發(fā)射熒光光波為與激發(fā)光同頻率的正弦光波信號(hào)；經(jīng)長(zhǎng)波通濾光片（OF3），采用PIN 光電二極管（PD）光電轉(zhuǎn)換、交流放大（AMP）和帶通濾波（BP）、過零檢測(cè)電路（COMP），由正弦信號(hào)轉(zhuǎn)換成同頻率方波信號(hào)。熒光方波信號(hào)與激發(fā)光方波信號(hào)同時(shí)輸入異或門邏輯運(yùn)算芯片，輸出信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)? kHz 頻率脈沖信號(hào)，其脈沖寬度（占空比）大小代表熒光與激發(fā)光相位差，脈寬測(cè)量采用微控制器的輸入捕獲功能。由于電路中使用了多個(gè)電容，并且各級(jí)電路存在寄生電容和電感，會(huì)造成電路延時(shí)，因而在電路中同時(shí)設(shè)置中心波長(zhǎng)630 nm 的紅光LED2 作為參考光源，用于消除光電轉(zhuǎn)換和信號(hào)調(diào)理電路中由于溫度或其它因素導(dǎo)致的相位差測(cè)量偏差。熒光壽命可由式（5）計(jì)算[18-19]：

圖1 熒光相位測(cè)量原理圖Fig.1 Schematic of fluorescence phase measurement

高壓氣瓶的氮?dú)夂脱鯕夥謨陕罚捎觅|(zhì)量流量控制器調(diào)節(jié)兩種氣體比例來控制測(cè)試氣體氧分壓大小。濕度調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)采用鼓泡加濕法，測(cè)試氣體一路通過盛水廣口瓶鼓泡增加濕度，另一路不加濕，調(diào)整兩路閥門控制濕度大小，混合后氣體經(jīng)過濕度測(cè)量后再通入測(cè)試腔測(cè)試。為了提高可調(diào)節(jié)的最大濕度，可以選擇在廣口瓶中盛放熱水進(jìn)行鼓泡加濕，經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)量，采用該方法相對(duì)濕度最大可控制在94%，故相對(duì)濕度調(diào)節(jié)范圍為0～94%。

2 結(jié)果與討論

2.1 聚合物基質(zhì)的氧滲透性能和親疏水性

通過氧氣滲透實(shí)驗(yàn)對(duì)3 種聚合物膜PVC、PS 和EC 進(jìn)行測(cè)試。三者的氧氣滲透系數(shù)分別為9.04×10–15、3.22×10–13和9.62×10–13cm3·cm/（cm2·s·Pa），其中PVC 的氧氣滲透系數(shù)最小，這是由于其存在一定的結(jié)晶態(tài)[14]，阻礙了氧氣的擴(kuò)散。

水接觸角可以反映材料的親疏水性。如圖2 所示，EC 膜的水接觸角最?。?0°），而PS 和PVC 膜的接觸角較大，分別為85°和89°，表明EC 具有較強(qiáng)的親水性。這可能是因?yàn)槠浞肿咏Y(jié)構(gòu)中含有C—O 親水基團(tuán)，而PS 和PVC 的分子結(jié)構(gòu)中不含C—O 或H—O 親水基團(tuán)，因此二者的親水性較弱。

圖2 聚合物膜水接觸角測(cè)量：（A）乙基纖維素（EC）；（B）聚苯乙烯（PS）；（C）聚氯乙烯（PVC）Fig.2 Water contact angles of polymer films: (A) Ethyl cellulose (EC);(B) Polystyrene (PS);(C) Polyvinyl chloride (PVC)

2.2 熒光發(fā)射和氧猝滅

圖3A 和3B 為PVC、PS 和EC 聚合物基質(zhì)的熒光氧敏感膜分別在395 nm 紫外燈和日光燈照射下的照片。不同聚合物基質(zhì)的熒光氧敏感膜都呈現(xiàn)均勻的紅光發(fā)射，其中以PVC 為基質(zhì)的敏感膜具有最高的發(fā)光強(qiáng)度，其次是PS，EC 的發(fā)光強(qiáng)度最弱。圖3C 為3 種敏感膜的熒光光譜，發(fā)射峰值在650 nm 附近，與PtTFPP 熒光發(fā)射峰一致，表明聚合物膜中的熒光發(fā)射來自于PtTFPP[20]。熒光強(qiáng)度的順序?yàn)镻VC＞PS＞EC，與聚合物的氧滲透系數(shù)大小順序相反。氧氣滲透系數(shù)越小，空氣中的氧氣分子越難滲入膜內(nèi)部，氧分子對(duì)激發(fā)態(tài)的熒光指示劑分子的猝滅作用較弱，因此熒光發(fā)射強(qiáng)度較大。

圖3 聚合物基質(zhì)氧敏感膜在空氣中紫外燈（λem=395 nm）下（A）和日光燈下（B）的照片；（C）聚合物基質(zhì)氧敏感膜的熒光發(fā)射光譜（λex=390 nm）Fig.3 Photos of oxygen-sensitive films with PVC,PS and EC as matrices under UV lamp (λem=395 nm)irradiation(A)and under white light(B)in air;(C)Fluorescence emission spectra of oxygen sensing films excited at 390 nm.

圖4 展示了不同基質(zhì)氧敏感膜的熒光相對(duì)壽命隨氧分壓變化的曲線。對(duì)于以PVC 為基質(zhì)的敏感膜，由于其氧滲透系數(shù)較低，無論熒光分子處于表層還是內(nèi)部，與氧分子發(fā)生碰撞的概率都較低，導(dǎo)致猝滅作用較弱，因此其Stern-Volmer 曲線符合單位點(diǎn)模型。而對(duì)于以PS 和EC 為基質(zhì)的敏感膜，其熒光相對(duì)壽命隨氧分壓的變化在高氧和低氧段偏離線性關(guān)系，這是因?yàn)槊舾心さ谋韺雍蛢?nèi)部的氧濃度不同。熒光猝滅作用可分為猝滅效應(yīng)較強(qiáng)和猝滅較弱部分，因此采用修正的雙位點(diǎn)模型進(jìn)行擬合（式（6））[5]：

圖4 聚合物基質(zhì)氧敏感膜的Stern-Volmer 曲線Fig.4 Stern-Volmer plots for oxygen-sensitive films with different polymer matrices

式中，f1和f2為兩部分所占百分比，二者之和等于1；Ksv1和Ksv2分別為猝滅效應(yīng)較強(qiáng)和較弱部分的猝滅常數(shù)。

KSV常數(shù)大小直接反映熒光氧猝滅效應(yīng)的強(qiáng)弱，即敏感膜對(duì)氧濃度變化的靈敏程度。由表1 可知，3 種聚合物基質(zhì)的KSV常數(shù)大小順序?yàn)镋C ＞PS ＞PVC，這與氧氣分子在這些聚合物中的滲透系數(shù)大小順序一致。EC 具有最大的氧氣滲透系數(shù)和KSV常數(shù)，這是因?yàn)檠鯕庠贓C 基質(zhì)膜中的擴(kuò)散速度較快，導(dǎo)致熒光分子與氧分子的碰撞概率增加，從而強(qiáng)化了熒光猝滅效應(yīng)。隨著氧分壓增加，熒光發(fā)射強(qiáng)度和壽命迅速下降。例如，在無氧的氮?dú)鈿夥障?，熒光壽命?9.5 μs，而當(dāng)氧分壓增加到10 kPa 時(shí)，熒光壽命減至12.3 μs。如果光源調(diào)制頻率保持不變，高氧分壓時(shí)測(cè)量誤差會(huì)增大。因此，以EC 為基質(zhì)的氧敏感膜只適用于低濃度氧含量或痕量氧檢測(cè)。PS 的氧滲透系數(shù)和KSV常數(shù)次之，氧猝滅效應(yīng)居中，在中高氧濃度下仍有較強(qiáng)的熒光發(fā)射，故適合于中高氧濃度的測(cè)量。PVC 的氧滲透系數(shù)和KSV常數(shù)最小，氧猝滅效應(yīng)也最小，當(dāng)氧分壓達(dá)20 kPa 時(shí)，熒光信號(hào)仍然較強(qiáng)，壽命仍達(dá)25.9 μs，因此適用于高氧濃度的測(cè)量。

表1 聚合物基質(zhì)氧敏感膜基于雙位點(diǎn)Stern-Volmer方程的擬合結(jié)果Table 1 Fitting results of the two-site Stern-Volmer equation for oxygen sensing films with different polymer matrices

圖5 展示了3 種聚合物基質(zhì)氧敏感膜的熒光壽命隨相對(duì)濕度變化的曲線。對(duì)于以PS 和PVC 為基質(zhì)的敏感膜，無論在無氧還是有氧的氣氛下，熒光壽命幾乎不受相對(duì)濕度影響。然而，以EC 為基質(zhì)的氧敏感膜在無氧氣氛下不受相對(duì)濕度影響，但在有氧氣氛下，熒光壽命隨相對(duì)濕度增加而增大。這是因?yàn)镋C分子結(jié)構(gòu)中含有C—O 親水基團(tuán)，導(dǎo)致水分子易于在膜表面凝聚，阻礙了氣相中的氧分子進(jìn)入膜內(nèi)，減小了熒光猝滅效應(yīng)，因此其熒光壽命隨濕度增大而增加。相反地，PS 和PVC 分子結(jié)構(gòu)中不含親水基團(tuán)，水分子不易在膜表面凝聚，因此二者的熒光壽命不受濕度變化的影響。

圖5 聚合物基質(zhì)氧敏感膜（A）EC、（B）PS 和（C）PVC 的熒光壽命隨濕度變化曲線Fig.5 Fluorescence lifetime as a function of humidity for oxygen-sensitive films with polymer matrix of(A)EC,(B) PS and (C) PVC

2.3 氧敏感膜的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性

動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性是氧敏感膜的重要指標(biāo)，通常用響應(yīng)時(shí)間衡量[21]。響應(yīng)時(shí)間是指敏感膜熒光信號(hào)達(dá)到或接近穩(wěn)定值所需的時(shí)間，通過循環(huán)切換氣氛進(jìn)行測(cè)量。以EC 為基質(zhì)的氧敏感膜具有強(qiáng)烈的氧猝滅效應(yīng)，因此在低氧分壓區(qū)間（0～2 kPa）進(jìn)行氣氛循環(huán)切換，而PS 和PVC 氧敏感膜在較高氧分壓下仍然顯示出較強(qiáng)的熒光信號(hào)，所以在氮?dú)?空氣氣氛之間進(jìn)行循環(huán)切換。設(shè)置采樣周期為0.5 s，將氣體切換開始至相位信號(hào)變化到穩(wěn)定值的90%所需時(shí)間定義為響應(yīng)時(shí)間。圖6 為3 種氧敏感膜的動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線，并將響應(yīng)時(shí)間和恢復(fù)時(shí)間列于表2。EC 的響應(yīng)時(shí)間較快，在從氮?dú)鈿夥涨袚Q到2 kPa 氧分壓的相位測(cè)量過程中，t（90）↓為5.0 s；從2 kPa 氧分壓切換回氮?dú)鈿夥盏南辔粶y(cè)量過程中，t（90）↑為8.5 s。PS 的動(dòng)態(tài)響應(yīng)比PVC 快，PS 的響應(yīng)時(shí)間t（90）↓和恢復(fù)時(shí)間t（90）↑分別為5.5 s 和10.0 s，而PVC 分別為30.5 s和32.0 s。這些響應(yīng)時(shí)間的長(zhǎng)短順序與聚合物基質(zhì)的氧氣滲透速率的大小順序一致。此外，從低氧到高氧的響應(yīng)時(shí)間比從高氧到低氧的恢復(fù)時(shí)間短，說明氧氣從氣相進(jìn)入聚合物內(nèi)部的過程比反向過程快。

表2 氧敏感膜在不同氧分壓切換測(cè)試條件下的響應(yīng)特性。Table 2 Response characteristics of oxygen-sensitive films when switching alternately between different oxygen partial pressures

圖6 聚合物基質(zhì)氧敏感膜的相位動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線：（A）EC 在氮?dú)夂? kPa 氧分壓之間切換；（B）PS 和PVC 在氮?dú)夂涂諝庵g切換Fig.6 (A) Phase changes of EC-based oxygen-sensitive films with alternate exposure to nitrogen and to 2 kPa oxygen;(B)Phase changes of PS-based and PVC-based oxygen-sensitive films with alternate exposure to air and to nitrogen

3 結(jié)論

本研究構(gòu)建了異或門數(shù)字鑒相電路用于熒光相位測(cè)量，以EC、PS 和PVC 聚合物為PtTFPP 熒光指示劑的基質(zhì)，探究了聚合物材料的氧滲透速率、親疏水性與熒光氧猝滅性能之間的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，PVC 具有較低的氧滲透系數(shù)，其熒光壽命與氣相氧分壓符合單位點(diǎn)Stern-Volmer 方程，顯示膜表層和內(nèi)部的熒光分子與氧分子的猝滅作用較弱且無顯著差異。相比之下，EC 和PS 具有較高的氧滲透系數(shù)，其熒光壽命與氧分壓的關(guān)系符合雙位點(diǎn)Stern-Volmer 方程，表明在聚合物膜表層和內(nèi)部，熒光指示劑與氧分子的猝滅作用存在差異。EC 的KSV最大，PS 次之，PVC 最小，與聚合物的氧滲透系數(shù)大小順序一致。此外，EC 具有較強(qiáng)的親水性，導(dǎo)致其熒光壽命在含氧氣氛中隨濕度增加而延長(zhǎng)，而對(duì)于偏疏水的PS和PVC，熒光壽命保持不變。根據(jù)熒光氧猝滅效應(yīng)的強(qiáng)弱，EC、PS 和PVC 基質(zhì)分別適用于低、中高和高氧濃度的測(cè)量。本研究結(jié)果有助于理解聚合物基質(zhì)對(duì)熒光氧猝滅的影響，為熒光猝滅型氧傳感器的設(shè)計(jì)提供了參考。