引用本文
孟庆阳, 张红霞, 赵永昆, 贾大功, 刘铁根. 基于荧光猝灭原理的比率式光纤溶解氧传感器研究[J]. 光谱学与光谱分析, 2024,44(9): 2445-2449.
MENG Qing-yang, ZHANG Hong-xia, ZHAO Yong-kun, JIA Da-gong, LIU Tie-gen. Study on Ratiometric Optical Fiber Dissolved Oxygen Sensor Based on Fluorescence Quenching Principle[J]. Spectroscopy and Spectral Analysis, 2024,44(9): 2445-2449.
Doi:10.3964/j.issn.1000-0593(2024)09-2445-05  
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基于荧光猝灭原理的比率式光纤溶解氧传感器研究
孟庆阳1,2,3, 张红霞1,2,3,*, 赵永昆1,2,3, 贾大功1,2,3, 刘铁根1,2,3
1.天津大学精密仪器与光电子工程学院, 天津 300072
2.光电信息技术科学教育部重点实验室(天津大学), 天津 300072
3.微光机电系统技术教育部重点实验室(天津大学), 天津 300072
*通讯作者 e-mail: hxzhang@tju.edu.cn

作者简介: 孟庆阳, 1994年生,天津大学精密仪器与光电子工程学院博士研究生 e-mail: qymeng@tju.edu.cn

收稿日期: 2023-05-24 修回日期: 2023-12-04
基金: 国家自然科学基金山东联合基金重点项目(U2006216)资助
摘要

溶解氧浓度的准确测定在医疗应用、 海洋监测、 工农业生产等领域中, 起到至关重要的作用。 本篇论文提出了一种比率式光纤溶解氧传感器, 以四乙氧基硅烷(TEOS)和正辛基三乙氧基硅烷(Octyl-triEOS)为前驱体的有机改性硅酸盐(ORMOSILs)作为载体基质, 选用三(4,7-联苯-1,10-邻菲啰啉)二氯化钌(Ru(dpp)32+)为氧敏感染料, 选用7-氨基-4-(三氟甲基)香豆素(AFC)为参比染料。 吸收光谱表明, 氧敏感染料和参比染料可以被中心波长为405 nm的光源激发。 发射光谱表明, 氧敏感染料和参考染料的发射波长没有光谱重叠, 因此可以使用比率法测量溶解氧浓度。 通过溶胶-凝胶工艺制备的ORMOSILs将氧敏感染料和参比染料固定在塑料光纤端部, 从而形成复合氧敏感薄膜, 对传感膜的厚度和疏水性进行了表征, 传感膜的厚度为569 μm, 水接触角为81°。 将该传感器在水溶液中进行了测试, 在光源激发下, 氧敏感染料和参考染料在605和490 nm处有明显的发射峰, 随着溶解氧浓度的增加, 氧敏感染料的荧光强度降低, 而参比染料的荧光强度稳定在某一数值, 通过测量氧敏感染料与参比染料的比率, 达到检测氧浓度的目的。 采用Stern-Volmer方程对溶解氧浓度和荧光强度比进行线性拟合, 该传感器在0~20.05 mg·L-1溶解氧范围内, Stern-Volmer拟合度可达98.22%, 灵敏度可达0.433 4/[O2], 从饱和氮溶液到饱和氧溶液传感器的响应时间为12 s, 从饱和氧溶液到饱和氮溶液传感器的恢复时间为144 s, 引入非对称因子ASY表明传感时间的不对称性。 对传感器的光稳定性和重复性进行了测试, 比率式光纤传感器可以克服光源波动, 相对单荧光强度传感有更强的稳定性。

关键词: 荧光猝灭原理; 钌络合物; 激发光谱; 比率式光纤传感器; 溶解氧; 有机改性硅酸盐
中图分类号:O436 文献标志码:A
Study on Ratiometric Optical Fiber Dissolved Oxygen Sensor Based on Fluorescence Quenching Principle
MENG Qing-yang1,2,3, ZHANG Hong-xia1,2,3,*, ZHAO Yong-kun1,2,3, JIA Da-gong1,2,3, LIU Tie-gen1,2,3
1. College of Precision Instrument and Optoelectronics Engineering, Tianjin University, Tianjin 300072, China
2. Key Laboratory of Opto-Electronics Information Technology (Tianjin University), Ministry of Education, Tianjin 300072, China
3. Key Laboratory of Micro Opto-electro Mechanical System Technology (Tianjin University), Ministry of Education, Tianjin 300072, China
*Corresponding author
Abstract

The accurate measurement of dissolved oxygen concentration plays a crucial role in medical applications, marine monitoring, industrial and agricultural production, and other fields. A ratiometric optical fiber dissolved oxygen sensor is proposed. Organic modified silicates (ORMOSILs) using tetraethoxysilane (TEOS) and triethoxyoctylsilane (Octyl-triEOS) as precursors as carrier matrices, tris(4,7-diphenyl-1,10-phenanthrolin) ruthenium(II) dichloride complex (Ru(DPP)32+) as the oxygen-sensitive dye, 7-amino-4-(trifluoromethyl) coumarin (AFC) as the reference dye. The absorption spectrum indicates that the oxygen-sensitivedye and reference dye can be excited by a light source with a central wavelength of 405nm. The emission spectrum indicates no spectral overlap between the emission wavelengths of the oxygen-sensitivedye and the reference dye so that the ratio method can measure the dissolved oxygen concentration. ORMOSILs prepared by -the sol-gel process fix oxygen-sensitive dyes and reference dyes on the end of plastic optical fiber to form composite oxygen-sensitive films. The thickness and hydrophobicity of the sensing film were characterized, with a thickness of 569 μm. The water contact angle is 81°. The sensor was tested in an aqueous solution. Under the excitation of a light source, there were obvious emission peaks at 605 and 409 nm for the oxygen-sensitivedye and reference dye. Oxygen has a quenching effect on the fluorescence of oxygen-sensitive dyes. As the concentration of dissolved oxygen increases, the fluorescence intensity of oxygen-sensitive dye gradually decreases. The fluorescence intensity of the reference dye remains stable at a certain value, and the purpose of detecting oxygen concentration is achieved by measuring the ratio of oxygen-sensitive dyes to the reference dye.The linear relationship between the fluorescence intensity of the ruthenium complex and the concentration of dissolved oxygen is described by the Stern-Volmer equation. The calibration curve of the sensor was 98.22% in the range of 0~20.05 mg·L-1. The sensitivity can reach 0.433 4/unit [O2], and the response time from saturated oxygen solution to saturated nitrogen solution is 144s, and from saturated nitrogen solution to saturated oxygen solution is 12 s, introducing the asymmetric factor ASY to indicate the asymmetry of the sensing film. The optical stability and repeatability of the sensor were characterized. The photostability and repeatability of the sensor were tested, and the ratio type fiber optic sensor can overcome light source fluctuations and has stronger stability compared to single fluorescence intensity sensing.

Keyword: Fluorescence quenching principle; Ruthenium complex; Excitation spectrum; Ratiometric optical fiber sensor; Dissolved oxygen; Organic modified silicate
引言

溶解氧浓度的准确测定在医疗应用、 海洋监测、 工农业生产中具有至关重要的作用[1, 2, 3]。 因此, 开发出一种准确、 稳定、 快速响应的溶解氧传感器尤为重要。 目前溶解氧的测量方法有碘量法、 Clark电极法等传统方法[4]。 碘量法是测定溶解氧的经典方法, 但步骤和化学反应复杂, 无法进行溶解氧的原位检测。 与碘量法相比, Clark电极法能够实现实时测量, 然而, 电极和薄膜会持续老化, 导致传感器需要频繁校准。 光纤化学溶解氧传感器[5]通常是基于氧分子与荧光或磷光分子在载体基质中的碰撞猝灭原理制备的, 相比于传统溶解氧传感器, 具有不耗氧、 操作简单、 成本低和抗电磁干扰等优点。 2016年, 熊艳等[6]将一种微型传感器集成在光纤表面, 通过倏逝波诱导荧光猝灭实现了氧含量的测定。 三(2, 2-联吡啶)钌荧光团被固定在有机改性硅酸盐(ORMOSILs)薄膜中, 并被涂在光纤表面。 通过对光纤表面倏逝波激发和荧光猝灭的集成, 该传感器成功地实现了小型化。 2020年, Xiong等[7]基于钌络合物的荧光猝灭, 设计了一种频率域全内反射(TIR)光流控溶解氧传感器。 结果表明测量分辨率为0.2 ppm, 响应时间小于1 min。 这种光流控溶解氧传感器有作为水监测和生物医学应用的原位平台的潜力。 2021年, 卞正兰等[8]通过在塑料光纤端部涂覆生物相容性PEGDA(聚乙二醇双丙烯酸酯)水凝胶膜制备了溶解氧传感器, 响应时间在10 s以内, 有望应用于生物医学领域的溶解氧监测。

为了提高氧传感器的灵敏度, 需要长寿命的氧敏感染料。 钌(Ⅱ )络合物[9, 10]中的Ru(dpp )32+具有荧光寿命长、 可见光吸收强、 Stokes位移大和金属配体电荷转移效率高等特点, 广泛应用于溶解氧检测中。 载体基质气透性的好坏决定着溶解氧在探头上扩散速度的快慢, 从而影响氧传感探头灵敏度的高低和响应时间的快慢。 因此基质的选择具有重要的意义。 使用疏水的有机改性前驱体可以得到有机改性硅酸盐(ORMOSILs)[11], 这种材料可以容纳并分散敏感染料, 并具有多孔结构, 很难被离子渗透, 但很容易被氧气和其他小分子气体渗透, 具有介于玻璃和有机聚合物之间的性质, 是极具吸引力的氧敏感染料基质。 基于发光强度的测量方法存在着指示剂分布不均匀、 指示剂衰减和光源波动等缺点。 比率法[12, 13]基于两种不同的发光团在不同的氧气浓度下表现出不同的性能, 能减少非分析物引起的光强变化影响, 构建更稳健的传感系统。 AFC[14]荧光强度不受氧浓度影响, 因此我们选取其作为参比染料。

在本研究中, 设计了一个光纤溶解氧传感器, 利用溶胶-凝胶工艺, 以四乙氧基硅烷(TEOS)和正辛基三乙氧基硅烷(Octyl-triEOS)作为前驱体, 制备了多孔的有机改性硅酸盐, 作为载体基质, 采用Ru(dpp )32+和AFC分别作为氧敏感染料和参比染料, 并将其固定在同一溶胶-凝胶基质中, 最后涂覆在塑料光纤端部制备出传感探头。 本文对传感膜进行了表征, 测量了传感器的灵敏度和响应时间, 并对光稳定性和重复性进行了测试。

1 基本原理

在光源的激发下, 氧敏感染料产生荧光, 由于氧的荧光猝灭原理, 荧光强度下降, 通过检测氧敏感染料猝灭的程度, 达到检测氧浓度的目的。 荧光强度与氧浓度的关系可以用Stern-Volmer方程描述[15]

I0I=1+KSV[O2](1)

式(1)中, I0和I分别表示在无氧和有氧条件下的荧光强度; [O2]表示氧的浓度; K为Stern-Volmer猝灭常数。

虽然仅使用Ru(dpp )32+就能检测溶解氧, 但一旦光源波动较大, 荧光强度就会发生较大变化, 使荧光强度与之前标定的不一致, 导致测量不准确。 而AFC在氧气环境中不会发生荧光猝灭, 且与Ru(dpp )32+的发射波长没有光谱重叠。 因此本文使用Ru(dpp )32+与AFC的比值进行传感, 对式(1)进行了推广, 如式(2)所示

R0R=I0/IAFC0I/IAFC=1+KSV[O2](2)

式(2)中, R0和R分别表示无氧和有氧条件下的染料荧光强度比, IAFC0和IAFC分别表示无氧和有氧条件下香豆素的荧光强度。

2 实验部分
2.1 实验系统装置

图1展示了实验系统装置原理图。 在气体流量计的控制下, 氧气和氮气在气体混合室内混合, 得到九种氧气浓度, 将混合气体通入样品溶液中, 通过AS720溶解氧仪测量样品溶液的溶解氧浓度, 作为溶解氧浓度的标准数据。 光源的发射波长为405 nm, 经过传感膜的激发后产生荧光, 荧光传输至光谱仪, 最终在电脑上保存荧光光谱, 进行数据处理。

图1 溶解氧实验系统装置原理图Fig.1 Schematic diagram of dissolved oxygen experimental system

2.2 材料和仪器

溶解氧传感实验所需的化学试剂包括: 四乙氧基硅烷(TEOS, 纯度98%, 凯玛特(天津)化工科技有限公司); 正辛基三乙氧基硅烷(Octyl-triEOS, 纯度98%, 天津希恩思奥普德科技有限公司); Triton X-100(北京浩赛科技有限公司); Ru(dpp )32+(上海迈瑞尔化学技术有限公司); AFC(天津希恩思奥普德科技有限公司); (3-异氰酸丙基) 三乙氧基硅烷(纯度95%, 天津希恩思奥普德科技有限公司); 氮气和氧气(纯度99.999%, 天津博利明科技有限公司); 盐酸; 去离子水; 无水乙醇; 所有化学试剂直接使用未经进一步提纯。

405 nm光源(长春镭仕光电科技有限公司); 1 000 μ m Y型分叉光纤(FC/PC-UV1000/1500, 合束端0.6 m, 两个分支各1 m, 北京首量科技股份有限公司); 1 000 μ m纤芯传感光纤(FC/PC-BGUV1000/1500-0.6, 长度0.6 m, 北京首量科技股份有限公司); USB2000+便携式光纤光谱仪(海洋光学); AS720溶解氧仪(ASONE亚速旺); 不锈钢减压器。

2.3 比率式光纤溶解氧传感器的制作

首先将4 mL TEOS和0.2 mL Octyl-triEOS混合成前驱液, 将1.25 mL 乙醇和0.4 mL 0.1 mol· L-1盐酸加入到溶胶溶液中, 并封盖进行磁性搅拌1 h, 并在搅拌过程中, 添加0.1 mL Triton-X-100。 将4 mg Ru(dpp )32+溶于10 mL乙醇中形成氧敏感溶液; 将2 mg AFC溶于5 mL乙醇和5 mL(3-异氰基丙基)三乙氧基硅烷(TESPIC)中来获得参比溶液; 将0.5 mL氧敏感溶液和0.5 mL参比溶液混合到1 mL前驱液中制备出复合敏感染料。 将复合敏感材料旋涂在光纤的端面上, 干燥后形成氧传感膜。

3 结果与讨论
3.1 传感膜的特性分析

TEOS和Octyl-triEOS通过溶胶-凝胶工艺, 在室温下发生水解缩合反应, 形成致密的凝胶, 将Ru(dpp )32+和AFC固定在光纤端面, 形成传感膜。

用偏光显微镜(CX40P)观察光纤端面的传感膜, 对旋涂在光纤端面的传感膜的厚度进行了表征, 物镜放大倍数为10倍, 厚度为569 μ m, 如图2所示, 刻度已在图中标注。

图2 传感膜层的显微图像Fig.2 Microscopic images of sensing film layers

基于TEOS制备的凝胶骨架为亲水性, 影响传感膜性能。 而使用疏水性的有机修饰前体的增加, 会形成正硅氧烷, 几乎不被离子渗透, 可以被氧气和其他小分子气体渗透, 可以显著提高传感膜的性能。 正辛基三乙氧基硅烷中的辛基对水的亲和力较低, 可以增加传感膜的疏水性, 提高氧气分子的渗透。 为了表征传感膜的疏水性, 对旋涂在光纤端面的传感膜进行了水接触角的测试, 测得传感膜的水接触角为81° , 通常接触角θ < 5° , 认定表面为超亲水性表面; 5° ≤ θ < 75° 时, 认定表面为亲水性表面; 75° ≤ θ ≤ 150° 时为疏水性表面, 证明形成的传感膜具有疏水性。

3.2 传感器的光谱特性

图3显示Ru(dpp )32+和AFC成膜后两种荧光图的发射和吸收光谱, 得到的吸收光谱表明, 两种荧光团都可以很容易被中心波长为405 nm的LD光源激发。 在405 nm光源的激发下, 氧敏感染料Ru(dpp )32+、 参考染料AFC分别观察到明显的发射峰, 中心波长分别为605和490 nm。 因此这种组合可以有效地用于对溶解氧的传感。

图3 钌络合物和AFC的激发和吸收光谱Fig.3 (a) Emission and (b) Absorption spectra of Ruthenium and AFC

用制作的光纤化学传感器对不同的溶解氧浓度进行了测量, 测出的荧光光谱如图4所示。 在光源激发下, AFC和Ru(dpp )32+在溶解氧含量的变化下表现出不一样的变化趋势。 490和605 nm两个发射峰的荧光峰值代表强度, 随着溶解氧含量的上升, Ru(dpp )32+的荧光强度变小, AFC的荧光强度几乎不变。

图4 不同溶解氧浓度下传感器荧光发射光谱Fig.4 Fluorescence emission spectra of sensor at different dissolved oxygen concentrations

分别采集了AFC在490 nm处的荧光强度和钌络合物在605 nm处的荧光强度, 并根据式(2)绘制了Stern-Volmer方程曲线。 如图5所示, 该溶解氧传感器的相对荧光强度与溶解氧的浓度具有较好的线性关系, 说明凝胶中几乎所有Ru(dpp )32+分子都在相同的微小环境中, 拟合度可达98.22%, 灵敏度可达0.433 4/单位[O2]。

图5 不同溶解氧浓度下的Stern-Volmer方程曲线Fig.5 Stern-Volmer equation plot at different dissolved oxygen concentrations

3.3 传感器的响应时间和稳定性

图6是在水中测量得到的响应时间曲线, 响应时间是指平衡值强度读数发生90%变化所需要的时间。 从图中可以看出, 无论在饱和氮溶液中还是在饱和氧溶液中, Ru(dpp )32+和AFC荧光强度基本保持不变。 从饱和氮溶液到饱和氧溶液的响应时间ti=12 s, 从饱和氧溶液到饱和氮溶液的恢复时间to=144 s, 很明显恢复时间明显长于响应时间。 这种不对称性可以用ASY(非对称因子)来描述, ASY因子简单的定义为

ASY=toti(3)

式(3)中, ti为饱和氮溶液到饱和氧溶液的响应时间, to为饱和氧溶液到饱和氮溶液的恢复时间。 根据式(3), 计算出该传感膜的不对称因子为12, ASY因子的大小取决于传感膜基质的扩散系数[16]。 这种现象, 可以用膜内外不同氧气浓度的渗透来解释, 在从饱和氮溶液到饱和氧溶液时, 传感膜外的氧气含量为100%, 膜内氧气含量也会从0%迅速达到100%。 但从饱和氧溶液到饱和氮溶液时, 传感膜外的氧气含量为0%, 膜内的氧气则会缓慢流出, 从而产生在膜内较长的停留时间, 从而恢复时间长于响应时间。

图6 氧传感器响应时间曲线Fig.6 Response time curve of oxygen sensor

保持光源稳定, 检测在同一溶解氧浓度环境下Ru(dpp )32+、 AFC荧光光谱的变化趋势, 将传感膜放置在水样中, 分析荧光强度波动。 在2 400 s内, 计算出LD光源、 饱和氮溶液下的Ru(dpp )32+和AFC荧光强度的光强相对变化分别为1.11%、 0.87%和0.86%, 而比率式Ru(dpp )32+/AFC的荧光强度的相对变化为0.01%, 比率式具有光纤溶解氧传感器具有较强的稳定性, 可以克服光源波动。

3.4 重复性

为验证溶解氧传感器的重复性, 在实验环境不变的情况下, 保持光源输出稳定, 同一个光纤传感膜进行实验, 观察传感器在饱和氮和饱和氧溶液中的荧光猝灭情况, 并计算猝灭比, 采集10组数据, 结果如图7所示, 猝灭比稳定在3左右, 具有较好的重复性。

图7 氧传感器重复性实验Fig.7 Repeatability experiment of oxygensensor

4 结论

基于荧光猝灭原理提出了一种比率式光纤化学溶解氧传感器, 采用Ru(dpp )32+作为氧敏感染料, AFC作为参比染料, 并对染料进行了吸收和激发光谱的测试, 证明其可用于测量溶解氧浓度。 采用溶胶-凝胶工艺制备敏感膜, 传感膜的厚度为569 μ m, 水接触角为81° 。 通过测量荧光强度来实现对溶解氧浓度的测量, 实验结果表明传感器在0~20.05 mg· L-1范围内Stern-Volmer拟合度可达98.22%, 灵敏度可达0.433 4/单位[O2], 具有较好的响应特性。 测试了传感器的响应时间, 对传感时间的不对称性进行了分析。 测试了传感器在溶液中的荧光稳定性, 比率式光纤传感器相对荧光强度变化为0.01%, 相比目前基于电极法的商业仪器, 无需进行电极校准, 有良好的稳定性和重复性。

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