（分析化学专业论文）基于荧光淬灭作用的便携式溶解氧测量仪的研究.pdf

摘要 氧气是人类生存和大部分化学反应不可或缺的成分，因此氧气的测量显得尤 为重要。氧传感器在氧气的测量当中发挥着重要的作用，在环境保护、化工、医 学、冶金和航空技术等领域有着广泛的应用。本文在新型光位堂氢佳盛迅的仪器 开发方面进行了努力，发展了一种基于钉络合物荧光淬灭的便携式高性能全固态 的溶解氧测量仪。 f 仪器的氧敏感光极探头采用吸附在硅胶上的钉( ) 络合物嵌入硅橡胶中制备 成的氧气敏感膜，最大激发发射波长分别为4 7 2n m 6 1 0n l t l 时，分子氧可有效 地淬灭敏感膜的荧光，测试结果为当溶解氧浓度分别在o 一2m g c l 和2 8n a e c l 时， 敏感膜具有典型的s t e r n - - v o l m e r 响应曲线；从低溶解氧浓度到高溶解氧浓度的 t 。响应时间约为5 秒，从高溶解氧浓度到低溶解氧浓度为1 分钟；此光极膜具 有极好的重现性和光化学稳定性。激发光源和检测器分别采用高亮度的发光二极 管和高灵敏的光敏二极管。敏感层涂覆在高通滤光片上，充分的利用空间，设计 了结构紧凑合理的光极，达到了小型化、全固态的目的。 电路控制部分，硬件采用功能强大可编程的m i c r o c h i p 公司的p i c l 6 f 8 4 系 列芯片作为仪器的核心部件，计算、输出、控制功能均由此芯片完成，仪器还采 用了稳定的数据放大、采集转换系统和大屏幕的液晶显示模块：软件部分，自编 了汇编控制程序，程序包括单片机控制模块、采样模块、l c d 输出控制模块、 函数计算模块等。核心模块为函数计算模块，包括了测量子模块和校正子模块， 其中的函数计算根据敏感膜的s t e r n a - - v l o m e r 响应曲线分析，将工作曲线分为两 段。函数计算时取三个点( 分别为0 ，2 ，8n a g l ) 的溶解氧浓度对应的电压值， 求出每连续两点的斜率，由此函数可以求出任意测量范围内的未知样品的溶解氧 浓度。控制软件中还加入了滤波程序，使数据更为稳定和平滑。 软硬件构成便携式高性能全固态的溶解氧测量仪。仪器可以精确测出氧气 的溶解度参数，测量精度为0 1m 自，l ，而且可对水中溶解氧进行实时在线监测， 使用寿命长达一年。此测量仪具有体积小，携带和使用方便、能耗低、测量迅速 等优点。 此外，还以四对溴苯基铂卟啉作为氧气传感器的响应性能进行了初步的试 验。分子氧可以非常有效地淬灭四对溴苯基铂卟啉敏感膜的荧光，敏感膜的最大 激发发射波长为4 0 2 6 6 4n r n 。敏感膜的响应值非常好的符合s t e m v o l m e r 方程。 纯氮气和纯氧气的荧光强度比值v i 达到了4 0 倍。寿命大于3 个月。尼 瑚和捌黟眄燃槲啉 a b s t r a c t t h ed e t e r m i n a t i o no fm o l e c u l a ro x y g e nl e v e l si ns o l u t i o ni so fg r e a ti m p o r t a n c ei n e n v i r o n m e n t a l ，b i o m e d i c a l ，a n di n d u s t r i a la n a l y s e s ah a n dh e l do p t o d eo x y g e ns e n s o r h a sb e e nf a b r i c a t e d ，b a s e do nt h ef l u o r e s c e n c eq u e n c h i n go f t r i s ( 4 ，7 一d i p h e n y l - 1 ，1 0 - p h e n a n t h r o l i n e ) m t h e n i u m ( i i ) d i t e t r a k i s ( 4 一c h l o r o p h e n y l ) b o r a t e i nt h e p r e s e n c e o f d i s s o l v e d o x y g e n t h ed e v e l o p e dh a n d - h e l dd i s s o l v e do x y g e no p t o s e n s o rb a s e do na l l - s o l i d - s t a t e e l e c t r o n i c sa n df l u o r e s c e n c eq u e n c h i n go fah i g h l yo x y g e n s e n s i t i v el u m i n e s c e n c e c o m p l e x t h eo x y g e n s e n s i t i v eo p t o d e m e m b r a n ew a sf a b r i c a t e df r o mr u t h e n i u m ( i f ) c o m p l e xa d s o r b e do n s i l i c ag e lp a r t i c l e sa n de m b e d d e di nas i l i c o n e - r u b b e rf i l m t h e m a x i m u me x e mw a v e l e n g t ho ft h em e m b r a n ei s4 7 2 6 1 0 衄1 r e s p e c t i v e l y o x y g e n i nt h es u r r o u n d i n gm e d i u mq u e n c h e st h ef l u o r e s c e n c ea n di sq u a n t i f i e db ym e a n so f t h es t e m v o l m e re x p r e s s i o na tr a n g eo f0 - 2o r2 - 8m g m a r e s p o n d i n gt i m e o f t 9 5 = 5 s w a so b t a i n e df i o mh i 【g hd i s s o l v e do x y g e n ( d o ) c o n c e n t r a t i o nt ol o wd o c o n c e n t r a t i o n h i 曲r e v e r s i b i l i t y a n d p h o t os t a b i l i t y o ft h e o x y g e n s e n s i t i v em e m b r a n ei s d e m o n s t r a t e d t h eo p t o d ee x c i t a t i o nw a sa c h i e v e dw i t ha 1 1u l t r a - b r i g h tb l u e4 7 2n n l l i g h t e m i t t i n gd i o d e ( l e d ) ，w i t he m i s s i o nm o n i t o r e db yah i 曲l ys e n s i t i v e s i l i c o n p h o md i o d e ( p d ) t h el e de x c i t a t i o na n dp h o t o d i o d e d e t e c t i o na r ee m p l o y e di na t r a p e z i f o r mp l a s t i cc o n f i g u r a t i o n ，w i t ht h eo x y g e n s e n s “i v ef i l mc o a t e do na 5 8 0 n m l o n g p a s s f i l t e r t h ef l u o r e s c e n c e i n t e n s i t ys i g n a l o ft h e o p t o d em e m b r a n e w a s c o n v e n e dt ot h ev o l t a g es i g n a l ，w h i c hw a sp r o c e s s e db yas i n g l ec h i pm i c y o c o c o n t r o l l e rm i c r o p r o c e s s o r , p i c l 6 f 8 4 a na s s e m b l el a n g u a g ep r o g r a mw a sd e v e l o p e d f o rt h eu n i t c o n t r o l ，d a t as a m p l i n g , d e t e c t i o nc a l c u l a t i o n a n dc a l i b r a t i o n a n dt h e d i s s o l v e do x y g e nc o n c e n 仃a t i o nw a sw o r k e do u ta n dd i s p l a y e do nal i q u i dc r y s t a l d i s p l a yu n i t 、t h ed e v e l o p e dh a n d - h e l do p t o s e n s o r i s p o c k e t s i z e a n dl o we n e r g y c o n s u m i n g , w h i c hp r o v i d e s o nl i n ed i s s o l v e do x y g e nm e a s u r e m e n t an o v e lf l u o r e s c e n c eo x y g e ns e n s o rw i t hp t - t ( p b r ) p p h 2 a si t ss e n s i n gm a t e r i a la n d p v c p o l y m e ra ss u p p o r ts y s t e m i s p r e s e n t e di n t h e p a p e r w h e ne x c i t e d a tt h e w a v e l e n g t ho f4 0 2 n ma n dm e a s u r e dt h ee m i s s i o na tt h ew a v e l e n g t ho f6 6 4 n m ，t h e s e n s o rs h o w sal i n e a rr e s p o n s el oo x y g e nw i t h i nt h ec o n c e n t r a t i o nr a n g ef r o m0t o 1 0 0 0 2 w i t ha r a t i o m o r e t h a n 4 0o f i n 2 1 0 2 w h e r e i n 2 i s t h e f l u o r e s c e n c e i n t e n s i t y i n 1 0 0 n 2a n d1 0 2i st h ef l u o r e s c e n c ei n t e n s i t yi n1 0 0 0 2 ，r e s p e c t i v e l y t h ew o r k i n g c u r v ei sf i tf o rt h es t e r n v o l m e r e q u a t i o n t h es h e l ll i f e t i m eo f t h e s e n s o rw a sf o u n dt o b e l o n g e r t h a nt h r e em o n l h s k e y w o r d s ：r u 0 i ) c o m p l e x ，d i s s o l v e do x y g e ns e n s i n g ，o p t o s e n s o r , h a n d - h e l d ， a l l s o l i d - s l a t ed e v i c e , p i p o r p h y r i n n ， 本文常用英文缩略词表 缩略词中文名称 d o c o d b o d p e b b l e p i c l e d c c d p d l c d e p r o m e e p r o m f l a s l e p r o m o t p r i s c d 口 c m o s i o p h b p t o e p p v c 溶解氧 化学需氧量 生物需氧量 局部生物包埋的形成囊状的生物探针 单片机 发光二极管 电荷耦合器件 光敏二极管 液晶显示器 可擦除可编程只读存储器 电可擦可编程只读存储器 闪速电可编程只读存储器 一次性可编程 精简指令集 双列直插式 互补金属氧化物半导体 输惝出 光烧孔现象 八乙基铂卟啉 聚氯乙烯 第一章绪论 1 1 氧气测量的意义与方法 1 1 1 氧气测量的意义 通常状况下氧气为无色、无臭、无味的气体，熔点2 1 8 4 ，沸点1 8 2 9 6 。在标准状况下( o 大气压强为1 0 1 3x1 0 s p a ) 气体密度为1 4 2 9g l ，比 空气略重，微溶于水。在标准状况下1 升水能溶解4 9 毫升的氧气，这是水中 生物能够生存的保证。在大气压强为1 0 1 3 x 10 5 p a 不变时，降低气体温度至沸点 时，氧气开始变为淡蓝色液体，俗称为“液氧”，当温度降至熔点时“液氧”变 成雪花状的淡蓝色固体。氧气的化学性质比较活泼，除某些稀有气体、元素外的 所有化学元素都能与氧气在一定条件下直接或间接地化合，生成相应的氧化物。 在e l 常生活中的很多现象，如铁生锈；铝制品表面致密氧化膜的形成；以及发生 在动物体内的呼吸作用都是常温下这些物质与氧气作用的结果【l 】。 人可以几个星期不吃东西、几天不喝水但是只要几分钟不呼吸就可能导致 死亡。因此。人体必需得到持续不断的氧气供应，这一供应来自于大气被血液 迅速运送到每一个细胞。大气中约有2 1 是氧，7 8 是氮，还有微量的稀有气体 和o 0 3 的二氧化碳。这2 1 的氧气是大气最重要的组成部分之一。氧同时以反 应物或生成物的身份参加众多的化学和生物反应，氧化( 化学物质与氧结合) 大 概是所有化学反应中最重要的一种，是几乎所有生命体的终极能量之源。氧化过 程可阻很快，从而迅速地释放能量，譬如燃烧；也可以很慢，譬如人体细胞里酶 催化下的反应。同时，危重病人要进行输氧抢救、空间技术、潜水和登山活动都 需用氧气。除此之外，氧气在化工、冶金和航空技术上具有广泛用途。在化学工 业中是一种重要的氧化剂，用于水煤气的生产，炔类的部分氧化等。炼钢时吹入 高纯氧，可去除碳、硫、磷等杂质，加快冶炼速度提高铜产量和质量。乙炔或 氢气燃烧可获得高温火焰，用以切割和焊接金属。液氧是现代火箭推进剂的一种 氧化剂，还可制液氧炸药用于采矿爆破。在环境保护中用于污水的生物化学处理。 因此氧的测定显得尤为重要。前人已投入了许多的努力，发展了众多光化学和电 化学的方法测量氧气的含量嘲，其中气体氧含量、溶解氧含量( d o d i s s o l v e d o x y g e n ) 、化学需氧量( c o d ，c h e m i c a lo x y g e nd e m a n d ) 、生物需氧量( b o d , b i o c h e m i s t r y o x y g e n d e m a n d ) 的测量在环保、工业、农业和医学中是十分普遍的。 各种氧气参数测量的意义分述如下。 1 1 1 1 气态氧气 许多的工业过程包括了氧化还原反应，有很多的反应直接利用空气中丰富的 氧气作为氧化剂，如环己烷催化氧化制环己酮工艺就是以空气中的氧气和环己烷 为原料，以金属卟啉、锆基复合氧化物和分子筛等为催化剂，在1 0 0 一1 5 0 。c 和 1 0 9 m p a 条件下一步合成环己酮( 醇) ，这些工业过程中对反应过程中的氧气含 量有严格的控制：一些金属表面处理工艺和精密仪表要处于绝对的无氧环境，这 时候监测痕量氧气的含量，控制氧气含量在允许的范围内对工艺过程是很重要 的；在和平利用核能的核能发电站中，常用氮氛来进行过程的保护，此时不仅要 测量氮气保护氛围中痕量氧气的含量，还要对工程人员的供氧环境的氧气分压进 行监测，保证工作人员的工作不受到影响。高压状态下的氧分压的测定也是必须 的，如目前对癌症、肿瘤的治疗有高压氧治疗法过程也要对氧进行严格的控制。 当缺乏氧气时，生物体无法延续生命，可是当氧气的含量过多时，同样会对生物 体造成严重的伤害，医学上的高压氧仓的氧气含量也要严格的监控。另外还有很 多生产、实验需要监测氧气的含量如药物的稳定性实验提出了对氧气的含量监 控的要求。 1 1 1 。2 溶解氧 水样中溶解的氧气的量是水质好坏的一个表征溶解氧含量的下降通常是水 样受到污染的表现，例如，有机废物的超标。通常情况下，室温2 7 摄氏度和 i 1 3 2 5 x 1 0 5 p “即一个大气压) 下，空气饱和的水样中的溶解氧大约是8m g i , i j l ，但是 温度上升会导致水中的溶解氧含量下降。在一般的水产养殖业，水中的溶解氧含 量不应该低于5m g l , 大部分的鱼类在低于此值的水中会死亡。在污水处理厂中， 一般都是利用细菌的吞噬作用来处理污水，处理过程中若不能保证空气的充足供 给，就会导致厌氧微生物的大量增生；而这些厌氧菌的处理如采用硫化物杀菌处 理又产生硫化氢导致有毒和难闻的臭气，还会造成严重的、代价昂贵的腐蚀问 题。虽然氧化物在生物体中是不可或缺的但是在某些情况下，人们不希望有氧。 在食品工业中，发酵过程中氧气水平的控制就显得尤为重要，还有许多食品制造 工艺过程要去氧以防止食品变色，食品中的脂肪等成分极易被氧化，真空包装技 术、气调包装技术就是为了防止氧气对食品的影响。在市政工程中，输水管道中 的泄漏问题可通过监测溶解氧的含量来预测腐蚀状况，如果管道中某处的溶解氧 含量比较高，那么那里的金属就比较容易被氧化锈蚀而产生泄漏。在医学上，血 气指数中的氧含量颇为重要，因为血液担负着输送氧气到身体各个器官和组织的 重任，平均混合静脉血氧分压( p v 0 2 ) 是4 0 m m h g ，在其对应的标准状态下，混 合静脉血氧饱和度( s v o ：) 为7 5 ，实时监测身体各部分的溶解氧含量无疑对临 床医学和生理学等研究有重大的意义。 1 1 1 3 生物化学需氧量( b o d ) 和化学需氧量( c o d ) 生物化学需氧量通常简称为生化需氧量，以b o d 作符号。生化需氧量是一 个反映水中生物降解的含碳有机物的含量以及排到水体后所产生的耗氧影响指 标，并不反映具体的( 某一种的) 有机物含量，而只间接地反映能被微生物分解 的有机物的重量。其中b o d 5 是指以2 0 摄氏度为温度控制条件，以五天为时间 控制条件即微生物在2 0 c 下，对有机物经过五天的分解，有机物分解前后的 水中溶解氧的差值称为五天2 0 c 的生化需氧量，以b o d 5 ( 2 0 ) 来表示。简 写为b o d 5 。针对海洋水体盐度高的特点，张悦等州选用耐渗透压的酿酒酵母作 为生物感受器，制各了检测b o d 的生物传感器。实验证明，测定的标准曲线与 b o d 浓度有很好的线性关系，重现性较好。但是，固定化后的酵母会出现抗渗透 压、抗重金属能力和代谢活性的改变等缺点，而且不能进行连续测定，整个实验过 程也未对检测限进行确定。大部分的b o d 传感器是基于氧气传感器或者溶解氧 传感器的原理，通过一定的化学关系，如酶与目标物的反应，消耗了一定量的氧 气，通过检测消耗掉的氧气的量就可以通过函数计算得出目标分析物的浓度或者 b o d 。b o d 5 这一指标在排水工程实践中一直被应用，但这个指标有操作复杂的 缺点。 因为b o d 测量复杂，就产生了一些其他指标，用以反映水中可生物降解的 有机物，其中最重要的是化学需氧量( c h e m i c a lo x y g e nd e m a n d ) 。化学需氧量 是在规定条件下，使水样中能被氧化的物质氧化所消耗的氧化剂的量。c o d 的 单位为毫克，升或m g l ，其值越小，说明水质污染程度越轻。c o d 的测定方法， 有高锰酸钾高温氧化法、高锰酸钾低温氧化法( 氧吸收量) 和重铬酸钾氧化法， 还有电化学法等方法吲。重铬酸盐法是测定化学需氧量的国家标准方法 ( g b l l 9 1 仁8 9 ) 操作过程是在水样中加入己知量的重铬酸钾溶液，并在强酸 介质下以银盐作催化剂，经沸腾回流后，以试亚铁灵为指示剂用硫酸亚铁铵滴 定水样中未被还原的重铬酸钾由消耗的硫酸亚铁铵的量换算成消耗氧的质量浓 度。在酸性重铬酸钾条件下，芳烃及吡啶难以被氧化，其氧化率较低。在硫酸银 催化作用下，直链脂肪族化合物可有效地被氧化。还有些就是用微波密封消解 法州和分光光度法测定c o d t ”。 1 1 1 4 活性氧和氧负离子 生物体内的自由基主要是指活性氧。所谓活性氧就是氧的某些中间代谢产物 或含氧的衍生物质，具有比氧气更强的氧化能力。在植物组织中，活性氧类型主 要有：超氧阴离子( 0 一。) 、过氧化氢f f l 2 0 2 ) 、羟自由基( o h ) 、单线态氧( 1 q ) 和脂质过氧化自由基限o o - ) 等。它们存在于植物细胞壁、叶绿体、线粒体、 微粒体和细胞核等部位。在正常情况下，活性氧水平很低不会引起伤害，细胞内 活性氧的产生与清除处于一种动态平衡状态。一旦这种平衡被打破，就可能产生 伤害作用，首当其冲的就是膜系统，导致膜脂过氧化或脱脂化，膜差别透性丧失， 离子大量外渗，引起一系列生理生化变化，代谢紊乱，严重时植物死亡。检测活性 氧在生物和医学上都是有较大的意义。 氧自由基的检测方法主要有五大类电子顺磁共振波谱法、化学发光法 【9 】、化学比色法、分析羟化产物法和气相色谱法【i 。l 。由于活性氧与呼吸系统疾病、 自身免疾性疾病等有着密切的关系”，活性氧的检测正引起越来越多的关注。故 建立o 一，的检测有着重要的意义。 因为氧气参数对工业、农业、渔业、林业、医学、生命科学具有极大的重要 性，精确和快捷的测定各种状态的氧气的含量一直是分析学科的个重要的研究 方向。 1 1 2 氧气的测量技术与方法 1 1 2 1 传统的溶解氧测量方法 就其测定原理来说，溶解氧的测定主要包括w i r l k l e r 滴定分析法，电流测定法 ( c l a r k 溶氧电极) 以及多环芳烃的荧光淬灭技术，文献报道比较常用的方法是 w i n k l e r 法m 1 和c l a r k 溶氧电极测量法m 】。 1 1 2 1 1w i n k i e r 方法 w i n k l e r 法是一个仲裁的方法，也叫碘量法，是国家标准中指定的标准溶解 氧测量方法，它是基于硫代硫酸盐滴定反应混合物释放出碘的量。具体的程序是 水样采集于具有玻璃瓶塞的瓶子，加入硫酸亚锰溶液及碱陛碘化物后生成氧化 锰，此时水中溶解氧快速地将等价的且散布于水中的氧化锰氧化成更高价的锰氧 d 化物而生成沉淀。当水样中加入浓硫酸，进一步酸化且有碘离子存在时，氧化了 的锰离子回复到二价，同时放出与溶解氧等价量的碘分子，此时可以用硫代硫酸 钠标准溶液滴定碘分子，获得溶解氧含量。滴定的方法较准确，但是需要很多的 样品，并且非常的费时费力且不能实现连续在线监测。下面是w i n k l e r 法化学反 应的步骤： m n s 0 4 + 2 k o h m n ( o h ) 2 + k 2 s o , 2 m n ( o h ) 2 + 0 2 2 m n o ( o t 0 2 m n o ( o h ) 2 + h 2 s 0 4 一 m n ( s 0 4 ) 2 + 3 h 2 0 m n ( s 0 4 ) 2 + 2 k i 一 m n s 0 4 + k 2 s 0 4 + 1 2 2 n a 2 s 2 0 3 + 1 2 ( 棕色) 一 n a 2 s 4 0 6 + 2 n a i ( 无色) 1 1 2 1 2 电流测定法( c l a r k 溶氧电极) 电流测定法( c l a r k 溶氧电极) 的测量速度就比碘量法要快，它是基于检测 电极上氧化还原反应产生的电流的原理。在水质检测项目上的国际标准为i s o 5 8 1 4 一1 9 8 4 水质溶解氧的测定电化学探头法，下面详细的说明一下 电流测定法。 c l a r k 溶氧电极采用一种用透气薄膜将水样与电化学电池隔开的电极来测定 水中溶解氧的方法。根据所采用探头的不同类型，可测定氧的浓度( m g l ) ，或 氧的饱和百分率( 溶解氧) ，或者二者皆可测定。本方法可测定水中饱和百分率 为o 至1 0 0 的溶解氧。大多数仪器能测定高于1 0 0 的过饱和值。本方法不 但可以用于实验室内的测定，还可用于现场测定和溶解氧的连续监测。本方法适 于测定色度高及混浊的水，还适于测定含铁及能与碘作用的物质的水，所有上述 物质会干扰用碘量法的测定。些气体和蒸气象氯、二氧化硫、硫化氢、胺、氨、 二氧化碳、溴和碘能扩散并通过薄膜，如果上述物质存在，会影响被测电流而产 生干扰。样品中存在其他物质，会因引起薄膜阻塞、薄膜损坏或电极被腐蚀而干 扰被测电流。这些物质包括溶剂、油类、硫化物、碳酸盐和藻类。本方法适用于 天然水、污水和盐水，如果用于测定海水或港湾水这类盐水，应对含盐量进行校 对。 本方法所采用的探头由一小室构成，室内有两个会属电极并充有电解质，用 选择性薄膜将小室封闭住。实际上水和可溶解物质离子不能透过这层膜，但氧和 一定数量的其他气体及亲水性物质可透过这层薄膜。将这种探头浸入水中进行溶 解氧测定。一般阴极采用金等金属，阳极材料使用银等金属。电极结构如图1 1 所示，电极反应如下所示。因原电池作用或外加电压使电极间产生电位差。由于 这种电位差，使金属离子在阳极进入溶液，而透过膜的氧在阴极还原。由此所产 生的电流直接与通过膜与电解质液层的氧的传递速度成正比，因而该电流与给定 温度下水样中氧的分压成正比。 图1 1c l a r k 电极的结构 阴极反应：0 2 + 2 h 2 0 + 4 e 一 一4 0 i - i 阳极反应：a g + + c 1 一一a g c i 因为膜的渗透性明显地随温度而变化，所以必须进行温度补偿。可采用数学 方法( 使用计算图表、计算机程序) ；也可使用调节装置：或者利用在电极回路中 安装热敏元件加以补偿。某些仪器还可对不同温度下氧的溶解度的变化进行补偿 实现温度的自动校正。 测量仪器由以下部件组成：测量探头，例如铅银或银、金，如果需要， 探头上附有温度灵敏补偿装置；仪表，刻度直接显示溶解氧的浓度，和( 或) 氧的 饱和百分率或电流的微安数；温度计，刻度分度为o 5 c ；气压表刻度分度为1 0 p a 等。 在探头插入样品后，使探头停留足够的时间，使探头与待测水温一致并使读 数稳定。由于所用仪器型号不同，结果可能有差异。结果一般表示为溶解氧的浓 度，溶解氧的浓度以每升中氧的毫克数( m g l 1 表示，取值到小数点后一位。在 测量样品时的温度不同于校准仪器时的温度，应对仪器读数给予相应校正。有些 仪器可以自动进行补偿。该校正考虑到了在两种不同温度下，氧溶解度的差值。 要计算溶解氧的实际值，需将测定温度下所得读数乘以下列比值： 煳 冁 c = c m c c 式中：c n r 测定温度下的溶解度；c c 校准温度下的溶解度。 测量含有盐离子的样品的溶解氧浓度还需要对盐度进行校正。氧在水中的溶 解度随含盐量的增加而减少在实际应用中，当含盐量( 以总盐表示) 在3 5 9 l 以下时可合理地认为上述关系呈线性。具体数据可参考附录a ，y s im o d e l 5 8 溶 解氧测量仪的用户手册。 电流测定法( c l a r k 溶氧电极) 虽能够在线检测氧的浓度，但由于它的透氧膜 和电极比较容易老化而且它是依靠电极本身在氧的作用下所发生的氧化还原反 应来测定氧浓度的特性，所以测定过程需消耗氧( 且需定期更换电解液) ，致使它的 测量精度和响应时间都受到扩散因素的严重限制”。 1 1 2 2 氧光化学传感器 因为传统的测量方法有着诸多缺陷，有必要研制一种实时、在线的光纤传感 系统来替代目前的环境监测系统。七十年代来光纤技术获得了飞速的发展，出现 了关于太量测量氧气和生物需氧量b o d 的光化学传感器的研究报道1 1 5 - 2 4 l 。光纤 传感技术在氧气测量领域的应用越来越普遍。 现有报道中，大部分的溶解氧传感器的敏感层都是将可以吸附的染料或者 荧光指示剂固定在有机物膜或者直接固定在光纤上，一般是基于氧气对荧光敏感 物质的淬灭作用来工作的，这些传感器最大的优点是测量过程中无需消耗氧气， 不需要考虑样品的流速和搅拌的速度，而且，这种传感器不需要参比电极，响应 时间短，还不受外界电磁场的干扰。这些光纤传感器有很大一部分采用金属发光 络合物作为指示剂，特别是钌络合物居多。这些敏感物质的荧光可被氧气不同程 度的淬灭，淬灭过程一般遵循s t e r n - v o l m e r 方程。一种基于钌络合物的测量神 经细胞中的氧气的光纤传感器已有报道阱l ，此外，w a l t 将它做成了基于钉络合物 的氧气传感阵列，可以持续的监测p h 、氧气和二氧化碳的含量o “。w o l i b e i s 报 道了第一个用于检测酵母细胞中生物需氧量的光纤传感器【】”。k o p e l m a n 等人则 更加优化了光纤传感器的性能，其灵敏度提高了很多口7 1 。 另外一方面，目前报道的大部分的光纤氧气传感器都是符合s t e r n v o l m e r 方 程的荧光淬灭机理，当然，这些光纤氧气传感器还是有一些缺点，包括由于染料 的光漂白作用造成的数据漂移：光源不稳定，光路容易偏移等，这些缺点都可以 通过实验方法和角度的改变来克服，可以寻找响应更灵敏的物质、提高目前染料 的灵敏度、或者采用新的测量方法，如时间、频率分辨测量等把检测对象从荧光 强度转换为荧光寿命的方法。 光纤传感器获得了长足的进步，但是在医学和生物领域的研究中，当样品的 体积减小到微米以下，如活细胞或者血气参数的检测等，精确的检测化学物质或 参数就变得很有困难，传统的光化学电化学传感器已经不能够胜任了，只有更小 的亚微米级别的传感器才能满足需要。近年来，已经有大量的亚微米级别的传感 器见于报道 2 9 - 3 】。 以前在制做亚微米光纤的时侯会遇到两个难点，一个是亚微米级别光纤尖端 的拉制，使用激光加热的方法可以拉制末端小于1 微米，达到0 8 微米级别的光 纤。现在许多的商业化仪器也可以很方便的拉制亚微米级的光纤，解决了第一个 问题。第二个问题是如何把敏感物质固定到光纤的表面，使用有机膜或者管状填 充模式都会增大传感器的体积，还会降低响应信号。新的方法有光聚合直接固定 方法等，k o p o l m a n 等人作了许多出色的工作”l 。 由于光学信号对生命过程的影响很小，基于光学信号变化的亚微米光纤生物 传感器 3 2 - 3 9 1 在生命科学研究中展现了极大的应用前景。亚微米光纤生物传感器不 但体积小，而且响应时间也会缩短至微秒级，因此对于测定由外界刺激引起的细 胞内化学物质的变化也有非常广阔的应用价值。目前已发展的检测对象有 p h n 、c a 2 + 【3 5 】、n a t 、k + m 、葡萄糖【琊、乳酸【4 0 l 、和n o 4 1 1 等。 细胞内化学成分的测定是细胞生物学、生物物理学、毒物学等领域重要的研究方 向之一人们关心的是光纤与细胞组织液与光纤之间化学界面的参数变化，亚微 米传感器体积已经很小，但是在检测活细胞参数时，光纤插入细胞的物理界面， 或多或少的会造成细胞的损伤，随之而来的是一系列的细胞自身产生的生物化学 参数的变化，甚至是细胞的死亡，这样测量所得的数据的可靠性就值得怀疑了。 即使将光纤传感器的尖端尺度降低n 1 0 0 n m 或者以下，仍然不能尽善尽美的解决 这个问题。如v o d i n h 实验室研制的基于抗体的纳米生物传感器，探头部分仅为2 0 5 0 n m 的光纤对直径约1 0 微米的单细胞进行检测m 】。另外一方面，人们用分子级 别的探针来检测细胞的生物化学参数。分子探针主要用于d n a 及碱基序列的检 测。分子探针的缺点是单个的分子探针级别的传感器则容易受到探针与细胞物质 的相互作用的影响，且容易对细胞产生一定的毒性。一些学者结合分子探针和光 纤传感器的构思，发挥二者的优势，如p e b b l e 纳米传感器，h e a t h e ra c l a r k 等 人用他实时在线测量细胞中的p h 和钙离子的含量m 1 ，将其包埋的荧光染料换成 氧敏感物质就可阱为体内氧气参数提供很好的一个监测方法。这些纳米传感器结 台了光纤传感器和分子探针二者的优点，在不损害细胞的情况下转移到细胞内， 传感器对细胞的毒性也不大，检测的数据可靠性大大提高，操作也更容易，不必 再用需要经验丰富操作员的显微操作系统i q 。实验中发现有些纳米级的核壳型 氨基化纳米颗粒传感器在细胞传7 至8 代后仍然有很强的信号m m l ，这对长期监测 一些疾病( 如肿瘤) 的致病机理是很有用途的。 1 2 氧传感器敏感物质及其支持体对传感器性能的影晌 1 2 1 氧敏感物质的主要类型 通常光化学传感器由二部分组成，光化学敏感物质和可供敏感物质分散、固 定或溶解的支持物。目前常用的对氧气的检测效果较好的敏感物质有以下两类， 第一类是有机金属络合物，包括钌( ) 络合物，d e m a s 小组从上世纪7 0 年代开始到 现在对钌络合物进行了非常多也很深入的研究硼，铂( ) 络合物m 5 8 j 铂卟啉或钯 ( ) 卟啉 5 9 4l 1 ，铷络合物僻1 ，饿络合物嘲】，金( i ) 络合物和铅络合物m 6 5 1 。其中，钌络 合物的应用是最普遍的。另一类是多环芳香烃和卟啉。如芘二丁酸，芘或花即1 ，十 环烯【惦】和四苯基卟啉 6 9 1 等。 1 2 1 1 钉( i i ) 络合物 在所有的氧气敏感物质中，钉( ) 络台物占比较大的份量，这得益于其优 良的性能，s p f i n t s c h n i k 等首先合成了钌吡啶r u ( b l ：i y ) 3 2 + u o 】，1 9 7 8 年通用电气公 司的g a i n e sg l j r ，v a l e n t ys j 和b e h n k e npe 等报道了钌吡啶的性能研究 1 7 1 , 7 2 1 。激发态的钌吡啶能同时作为电子给予体和受体，光诱导会造成电子从络合 物向电极转移，这些都可以通过监测其可见发射光来实现。当时，人们想到用它 来作光电池，将太阳能储存起来，可见其能量转换效率是很高的。后来d e m a s 等人对其荧光性能做了彻底的研究，钌( i i ) 络合物对氧气的响应是符合s t 锄一 v o l m e r 方程的，而且钌络合物有很好的发光性，金属配位性和电荷转移，以及寿 命长等特点，而且它的响应时间短，有极强的可见光吸收，极大的斯托克斯跃迁，还有 很高的光化学稳定性等优点。钉络合物的这些特性使其普遍应用于荧光淬灭机理 的氧气传感器。其发射波长范围也更适合于固体光电监测技术。目前的研究中， 钌化合物的配体一般局限于2 ，2 - 联吡啶、1 ，1 0 邻菲络啉及其衍生物。更多新 的配体也在研究中。b r a i n 等 7 3 1 在实验中比较了在不同p h 值介质条件下制得的 r u b ( b p y ) ，2 + 和r u ( p h 2 p h e n ) ，2 + 两种不同涂料的传感器性能，结果显示在p h = 7 时 9 具有更高的灵敏度。为延长敏感膜在水溶液中的工作寿命，较长时间保持其灵敏 性，k e r r y 等m 1 合成了r u ( i d 5 - 丙烯酰胺基一1 ，1 0 邻菲络啉】3 ( c 1 0 。) ：，实 验均发现随着配体碳链的增长，荧光试剂的憎水性增大，流失现象减少，可延长 膜的使用寿命。i g n a c y 等m 3 研究发现极化后的 r u ( d p p ) ，c 1 ， 氧传感器膜对氧 具有更高的灵敏度。p a u lh a r t m a n nm 3 观察了一个钌化合物的光漂白等光物理 现象，发现氧气淬灭过程中，产生光漂白随单重态的氧浓度增加而增加的现象， 而且会影响光强度和荧光寿命。h a nc h u a n g 等i 硎为基于荧光淬灭的钌络合物设 计了个实用的校正函数模型，该模型是从s t e m v o l m e r 方程演化出来的，光纤 传感器的实际数据的采集校正证明他的模型具有易用性和广泛性。d a v i d g a r c j , a f r e s n a d i l om 】从六种固定于n a t i o n 膜的钌络合物的大小、结构、疏水性、携氧 微晶体、主体界面等方面仔细的考察了它们的吸收光谱、激发态寿命、淬灭常 数等，并讨论它们作为溶解氧光化学传感器的可能性。e y l o ny a v i nm 3 合成了一 类新的三个联吡啶配体的钉络合物，并对其光化学性能作了研究，他指出这两个 钉络合物产生激发态的硝酰基有两种途径，且当激发态钌的能量转移到分子氧 时，就会产生单重态的氧。d a n i e l s t y s o nn 叫新合成了两种钌二酰亚胺络合物， 并对其光化学特性作了全面的研究，发现其基于金属向配体的电荷转移的发射寿 命很长，而且二者对分子氧的非常的敏感，量子产率为o 6 9 。v a i d y a n a t h a n g a n e s a n v a i d y a n a t h a n b 1 发展了一种在玻璃和硅表面的钌络合物层层自组装技术，并且 用u v 、荧光、s e m 、q c m 等手段进行了表征。本文使用的钉f 1 络合物结构式 为 r u ( d p p ) ，1 1 ( 4 c l p h ) 4 b ：，本文将在第二章进行详细的讨论。 钌络合物的响应初步机理可以用下面的方程来解释【8 2 】。动态淬灭过程遵循： m + h v ) + m + m 一 m + h v 掌m + q 一 m + q 其中m 就是敏感物质或敏感材料 面所述的s t e m - - v o l m e r ( s v ) 方程解释 关系。 1 2 1 2 金属卧啉 光能量吸收( i a ) 发光( k r ) 动态淬灭( k q ) q 就是淬灭剂氧气。这个过程可以用前 荧光与发光强度和照射时间及浓度都有 卟啉化合物是一种与生命科学密切相关的化合物，人们逐渐发现它们在生命 过程起着重要作用：血红蛋白，肌红蛋白亚铁卟啉承担着氧的传递，储存功能； 细胞色素p 一4 5 0 单充氧酶含一个电子转移组份和末端氧化酶铁卟啉，是生命体中 唯一可使碳氢化合物官能团化的酶 8 3 o 由于这些活性物质的不稳定性及独特的 生物功能，以卟啉配合物为基础的生物模拟研究工作自2 0 世纪6 0 年代中期开始， 获得飞速的发展。在此基础上人们进一步认识到，卟啉类化合物作为一类具有大 共轭平面特殊结构的物质，在新材料的开发( 例如半导体材料、磁性材料、液晶 材料、光电转化材料、气敏材料及分子电子材料等) 、分析化学、药物化学、分 子识别以及仿生催化( 包括均相、多相催化及电催化、光催化等) 等诸多领域有着 广阔的应用前景。 金属卟啉的结构如图1 _ 2 所示。 图1 2 金属卟啉结构示意图 金属卟啉对氧也有很高的灵敏度。目前大部分的工作集中在了铂和钯卟啉的 磷光响应上面，在无氧状态下它们分别有o 0 5 和o 5 r r l s 的磷光寿命。最近，h a m r l a n 和t r e t t n a k 报道了种p o ，( s = i 2 ) 值为3 2 和5 6 t o r t 的聚苯乙烯包埋的铂和 钯卟啉忡，另外一些文献报道的聚苯乙烯包埋的 r u ( b p y ) ， 2 + 的p o ：( s - - - - - i 2 ) 值 为4 9 5t o r r t h i ；很明显，铂和钯卟啉的激发态比其它络合物的激发态的寿命更长， 这也就是h a r t m a n 和t r e t t n a k 所研制的氧传感器为什么会有更高的灵敏度。在聚 苯乙烯包埋的铂和钯卟啉中加入增塑剂会进一步的提高敏感膜对氧气的灵敏度。 a n d r e wm i l l s 等1 研究了各种参数对铂和钯卟啉氧气传感器的影响。还有很多的 光纤氧气传感器使用了铂和钯卟啉等金属卟啉，如g o n e na s h k e n a s y l ”1 探讨了自组 装铁卟啉作为高性能氧传感器的可能，s e b a s f i e nr i c h e t e r 等m 1 详细系统地综述了 金属卟啉的合成和光化学、电化学特性，s a n g - k y u n g 等【8 7 1 则报道了溶胶凝胶法 制备的嵌入硅胶中的铂卟啉光纤氧传感器，y o k os u z u k i 等旧1 将钴卟啉和和有机 聚合物结合起来形成大分子，制备了对氧气高度选择性的氧气传感器，s t e p h e n r o o s l i d e n 等印1 也是将钴卟啉做成有机聚合物氧气敏感膜，并研究其响应性能， d m i t r ib r a