（分析化学专业论文）光共聚新型荧光指示剂的光化学传感器的研制.pdf

湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献自辱个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果 由本人承担。 作者签名：镶晨爬日期：加。甲年7 月垆日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位 论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密口。 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 作者签名： 嬉、雇_ 曼 日期：知，中年7 月争日 导师签名：嘶 日期：纱垆年，) 月多日 博士学位论文 摘要 本论文主要完成了两方面的研究工作：1 ) 设计合成了几种含末端双键、 可共价固定的新型荧光化合物，并以此作为荧光指示剂，与膜基质单体在光引 发剂作用下，与2 一羟丙基甲基丙烯酸酯，丙烯酰胺等单体一起在紫外光照射 下发生光聚合反应，共聚在经过硅烷化处理过的含有端基双键的石英玻片上制 成光极膜，制备了对一些物质有响应的荧光光化学传感器。2 ) 设计合成了几 种新型荧光化合物，利用p v c 包埋的固定化方法研制了一些荧光光化学传感 器。具体工作内容如下： 1 合成了4 一甲基- 8 - 甲基丙烯酰胺基一2 h ，5 h 一吡喃并 3 ，2 一c 苯并毗喃2 5 一二酮，与甲基丙烯酸羟乙酯、丙烯酰胺、环乙二醇二丙烯酸酯共聚制得光极 膜，研制了一种呋哺西林荧光化学传感器，具有响应速度快、重现性好、使用 寿命长等优点。 2 为了提高荧光指示剂的识别功能，保留4 一羟基一7 一氨基香豆素分子中的 氨基作为识别基团，在引入端基双键时，选用丙烯基溴而不是反应活性强的甲 基丙烯酰氯与4 一羟基一7 一氨基香豆素上的羟基反应，得到了荧光基团4 一丙烯氧 基- 7 - 氨基香豆素，与膜基质单体在光引发剂作用下光共聚在经过硅烷化处理过 的石英玻片上，研制了一种新的香豆素衍生物为荧光载体的光化学传感器，用 于植物生长激素吲哚乙酸的测定。与传统的测定吲哚乙酸的方法相比，该传感 器操作简便，制作成本低廉，并具有较高的灵敏度和选择性，重现性好，响应 迅速。 3 将推电子基团氨基引入到咔唑母体上，得到9 一氨基咔唑，然后用甲基 丙烯酰氯与9 一氨基咔唑分子上的氨基反应引入端基双键得到了一个新的荧光 载体9 一甲基丙烯酰胺基咔唑，通过共价固定制得光极膜，研制了一个环境污染 物亚硝酸根的光化学传感器，常见的无机离子和一些可能共存的有机物不干扰 测定，用此传感器测定天然水样中亚硝酸根含量的平均值和标准偏差与标准方 法分光光度法测定的结果一致。 4 合成了不对称的共平面化合物，共轭的咔唑二聚体9 一乙基一3 一咔唑亚甲 基咔唑腙作为荧光载体，通过p v c 包埋的方法将它固定在光纤传感器的表面， 可用于水溶液中碘单质的测定。与传统的测定碘单质的方法相比，该传感器操 作简便、制作成本低廉、重现性好、响应迅速。 5 选用1 ，4 一二羟基葱醌一9 ，1 0 一二酮，一种具有光致变色效应的荧光化合 物，通过与丙烯基溴反应，控制两种反应物的摩尔比为( 1 ：1 ) 生成含有一个端 光共聚新型荧光指示剂的光化学传感器的研制 基双键的化合物卜丙烯氧基一4 一羟基蒽醌- 9 ，1 0 - - 酮，通过共价固定在玻片上 得到的传感器可用来测定丙酮中的水的含量。 6 将一定比例的卜丙烯氧基- 4 - 羟基一葸醌一9 ，1 0 一二酮聚合物和5 一( 4 - 氨基 苯基) - 1 0 ，1 5 ，2 0 一三苯基卟啉与p v c 粉，增塑剂等共同旋转涂膜包埋在疏水化 处理过的玻片上，利用双荧光发射峰的协同响应作用研制了一个测定p h 值的光 化学传感器，应用偏最小二乘模型( 波长问隔选择) 建立校正模型，可以检测 长达1 2 个p h 值变化的样品溶液。 7 合成了含有端基双键的荧光基团甲基丙烯酰胺基芘，将它作为荧光载 体，在紫外光照射下，与膜基质单体在光引发剂作用下光共聚在经过硅烷化处 理过的玻片上，研制成了一种新的芘衍生物为荧光载体的荧光光化学传感器， 用于抗菌药呋喃妥因的测定。与传统的测定呋喃妥因的方法相比，该传感器操 作简便，制作成本低廉，并具有较高的灵敏度和选择性，重现性好、响应迅速。 关键词：荧光化学传感器：共价固定；p v c ；荧光指示剂；香豆素；咔唑；蒽 醌：卟啉；芘 l i 博士学位论文 a b s t r a c t t h i st h e s i si sm a i n l yc e n t e r e do n s e v e r a ln e wn u o r e s c e n c ec a r r i e r sh a v e c a r b o nc h a i nw i t hat c r m i n a ld o u b l e t h ef o l l o w i n gt w or e s e a r c ha s p e c t s ：1 ) b e e nd e s i g n e da n ds y n t h e s i z e db e a r i n ga b o n di n t r o d u c e di n t ot h em o l e c u l ea n d c o p o l y m e r i z e dw i t ham o n o m e r u n d e ru vr a d i a t i o no nt h es i l a n i z e dg l a s so rq u a r t z d i s k t h es e n s o r sp r e p a r e dw e r es t u d i e d t h e s es e n s o r sp r e p a r e dh a v eb e e na p p l i e d t o a n a l y s i so fd i f f e r e n ts p e c i e s 2 ) s o m es e n s o r sw e r ep r e p a r e da n da p p l i e d t h r o u g hp v ce m b e d d e ds e v e r a ln e wf l u o r e s c e n c ec a r r i e r ss y n t h e s i z e d d e t a i l sa r e p r e s e n t e di nt h i st h e s i sa sf o l l o w s ： i an o v e lo p t i c a ls e n s o rf o rd e t e r m i n i n gn i t r o f u r a z o n eh a sb e e np r o p o s e d b a s e do nt h ef l u o r e s c e n c e q u e n c h i n g o f 4 - m e t h y l 一8 一m e t h y l a c r y l a m i d e 一2 h ， 5 h p y r a n o 【3 ，2 - c 】b e n z p y r a n2 ，5 - d i o n e ( m m p b d ) i m m o b i l i z e do n a nq u a r t z g l a s sp l a t es u r f a c eb yc o v a l e n tb o n d i n g t h es e n s o rs h o w ss a t i s f a c t o r yv i r t u e si n r e v e r s i b i l i t y ，r e p e a t a b i l i t y ，s e l e c t i v i t ya n ds u f f i c i e n tl i f e t i m er e s u l t i n gf r o m i t s e x c e l l e n to p t o d em e m b r a n e i t sr e s p o n s et i m ei sl e s st h a n5 0s e c o n d s 2 i no r d e rt oe x t e n dt h es c o p eo fp o s s i b l ea n a l y t e sf o rt h eg r o u po f c o u m a r i nd e r i v a t i v e s i ti st h o u g h tt h a ta ne f f e c i e n ta p p r o a c hi st or e t a i nt h ea m i n o g r o u po f4 - h y d r o x y - 7 一a m i n o c o u m a r i n ( h a c m ) a st h er e a c t i n gs i t ef o ra n a l y t ea n d m o d i f yt h eh y d r o x yg r o u pa t4 - p o s i t i o no ft h es a m ec o m p o u n dt oi n t r o d u c ea t e r m i n a ld o u b l eb o n dc a p a b l eo fb e i n gc o v a l e n t l yg r a f t e do nt h es e n s o rs u r f a c e i n t h i s p a p e r ，h a c m i sr e a c t e d w i t h b r o m o p r o p y l e n e t of o r m 4 - a l l y l o x y - 7 a m i n o c o u m a r i n ( a a c ) t h el a t e rc o m p o u n di se o p o l y m e r i z e do na m o d i f i e dq u a r t zg l a s ss u r f a c e t h es e n s i n gm e m b r a n ep r e p a r e di nt h i sw a ys h o w s s t r o n gf l u o r e s c e n c ew h i c hc a nb eq u e n c h e db ys o m ec h e m i c a lc o m p o u n d ss u e ha s i n d o l e 一3 a c e t i ca c i d ( i a a ) t h eq u e n c h i n ge f f e c tc a nb eu t i l i z e df o rf l u o r i m e t r i c d e t e r m i n a t i o no fi a a c o m p a r e dw i t hc o n v e n t i o n a lm e t h o d s ，t h i ss e n s o rh a sl o w e r c o s t ， w i d e rd e t e c t i o n r a n g e ，h i g h e r s e n s i t i v i t y a n d s e l e c t i v i t y ， b e t t e r r e p r o d u c i b i l i t ya n dr e v e r s i b i l i t y 3 f r o me a r b a z o l e ，a u t h o r ss y n t h e s i z e d9 - a m i n o c a r b a z o l e t a k i n ga d v a n t a g e o fe x c e l l e n tf l u o r e s c e n c ep r o p e r t i e so f9 - a m i n o c a r b a z o l e ，w ei n t r o d u c e d i n t o 9 - a m i n o c a r b a z o l eat e r m i n a ld o u b l eb o n dc a p a b l et oc o p o l y m e r i z ew i t ham o n o m e r o nt h es e n s o rs u r f a c e r e a c t i n g9 - a m i n o c a r b a z o l ew i t hm e t h y l a c r y l o y lc h l o r i d et o f o r m9 m e t h y l a c r y l o y l a m i n oc a r b a z o l e ( m a c ) c o u l dr e a l i z et h ei n t r o d u c t i o no f t e r m i n a ld o u b l eb o n d m a ch a sb e e nu t i l i z e dt op r e p a r eaf l u o r e s c e n ts e n s o ra n d u s e df o rt h ed e t e r m i n a t i o no fn 0 2 f o re n v i r o n m e n ta tm o n i t o r i n g t h es e n s o r l l i 光共聚新型荧光指示剂的光化学传感器的研制 s h o w ss u f f i c i e n tr e p e a t a b i l i t y ，s e l e c t i v i t y ，o p e r a t i o n a ll i f e t i m eo f8w e e k sa n da f a s tr e s p o n s eo fl e s st h e n3 0s t h es e n s o rc a nb eu s e df o rd i r e c td e t e r m i n a t i o no f n 0 2 i np o n dw a t e rs a m p l e sa n dt h er e s u l t sw e r ei na g r e e m e n tw i t ht h o s eo fa s t a n d a r dm e t h o d 4 t h ee a r b a z o l ed e r i v a t i v e ，9 一e t h y l 一3 一c a r b a z y l i d e n ec a r b a z o l eh y d r a z o n e ( e c c h ) w i t hc o n j u g a t e dt w oc a r b a z o l er i n gh a sb e e na p p l i e da saf l u o r e s c e n c e c a r r i e rf o rp r e p a r a t i o no fa ni o d i n es e n s i t i v eo p t i c a lc h e m i c a ls e n s o r m o s t c o m m o n l yc o e x i s t i n gi o n sd on o ti n t e r f e rw i t ht h ei o d i n ea s s a y t h es e n s o rs h o w s s u f f i c i e n tr e p e a t a b i l i t y ，s e l e c t i v i t y ，a no p e r a t i o n a ll i f e t i m eo fo n em o n t ha n daf a s t r e s p o n s eo fl e s st h e n5 0s 5 a n o p t i c a l c h e m i c a ls e n s o rb a s e do naf l u o r e s c e n t d y e 1 - a l l y l o x y 一4 - h y d r o x y a n t h r a c e n e - 9 ，10 - d i o n e ( a h d ) h a v i n gt e r m i n a ld o u b l eb o n d s ， w h i c ha r ec o v a l e n t l yb o n dt oq u a r t zg l a s sp l a t es u r f a c et r e a t e dw i t has i l a n i z i n g a g e n tt op r e v e n ti t sl e a k a g e t h i ss e n s o rw a su s e dt om e a s u r ew a t e rc o n t e n ti nt h e o r g a n i cs o l v e n t ss u c ha sa c e t o n e t h es e n s o ri sr e s i s t a n tt os w e l l i n g ，t h em e m b r a n e p o s s e s s e sr e l a t i v e l yl o n gl i f e t i m ea n ds h o r tr e s p o n s ea n dr e c o v e r i n gt i m e 6 t h ep r e p a r a t i o no faf l u o r e s c e n c ep hs e n s i n gm e m b r a n eb a s e do n i m m o b i l i z a t i o no ft w od y e s ( 1 - a l t y l o x y - 4 一h y d r o x y a n t h r a n c e 一9 ，1o - d i o n ea n d5 ( 4 一a m i d o p h e n y l ) 一10 ，15 ，2 0 一t r i p h e n y l p o r p h r i n e ) w i t hc l o s ee x c i t a t i o np e a k si s d e s c r i b e d t h es e n s i n gm e m b r a n eh a sau s e f u lp hr a n g ec o v e r i n g2 0t o1 3 5 t h ef e a s i b i l i t yo fu s i n gt h ep r o p o s e dp ha s s a ym e t h o dh a sb e e nt e s t e db yu s i n g p l sd a t at r e a t m e n ta l g o r i t h m t h ec o r r e l a t i o nc o e f f i c i e n tf o rt h ep l sm o d e lo f18 s t a n d a r ds o l u t i o n sa n d5t e s ts a m p l e sw a s0 9 9 9 2a n do 9 9 8 3 r e s p e c t i v e l y t h e r e s p o n s eo ft h es e n s o ri sr e v e r s i b l ea n dr e p r o d u c i b l e 7 t h es y n t h e s i so faf l u o r e s c e n c ec a r r i e r ，m e t h y l a c r y l a m i d e p y r e n e ( m a a p ) h a v i n gt e r m i n a ld o u b l eb o n d sf o rp r e p a r i n ga no p t i c a lc h e m i c a ls e n s o rh a sb e e n d e s c r i b e d t h i ss e n s o rc a nb ea p p l i e df o rn i t r o f u r a n t o i na s s a yb yf l u o r e s c e n c e q u e n c h i n g c o m p a r e dw i t h c o n v e n t i o n a lm e t h o d s ，t h i ss e n s o rh a sl o w e rc o s t ， h i g h e rs e n s i t i v i t ya n ds e l e c t i v i t y ，s u f f i c i e n tl i f e t i m e ，b e t t e rr e p r o d u c i b i l i t ya n d r e v e r s i b i l i t yr e s u l t i n gf r o mi t se x c e l l e n to p t o d em e m b r a n e k e y w o r d s ：f l u o r e s c e n c e ：c h e m i c a l f l u o r e s c e n c ec a r r i e r ； p o r p h r i u e ；p y r e n e s e n s o r ；c o v a l e n t l yi m m o b i l i z a t i o n ；p v c ； c o u m a r i n ； c a r b a z o l e ； a t h r a q u i n o n e ； i v 博士学位论文 第1 章绪论 生命科学、环境科学、材料科学以及其它学科的发展，对化学传感技术提 出了新的挑战1 1 1 3 】：更高的灵敏度和更低的检测限：更好的选择性和更少的物质 干扰；更高的准确度和更好的精密度；更完善可信的形态分析；更高的分析速 度和自动化程度：更小的样品量、微损或无损分析；原位、活体、实时、在线 分析；分析器件小型化、微型化和智能化等【l4 1 。光化学传感器在化学传感器家 族中，它具有很多特殊的优点【l5 j ：光学波导易于加工成小巧、轻便和空间适应 性好的探头；光化学传感器具有很强的抗电磁干扰能力，对电化学传感器有较 大影响的静电和强磁场对光学信号不干扰，光化学传感器所涉及的许多光学信 号测量可以通过自身参比方式获得，毋需如电化学传感器中需要另外的参比装 置，由于光纤通信技术的高度发展，光化学传感器获取的光学信号传输损耗低、 容量大。因此分析科学家们对光化学传感器的研究越来越感兴趣。 在光化学传感器的研究中，虽然可以检测的信号有吸收、反射、荧光或化 学发光、散射、折射和偏振光等光学性质，但比较常见的是吸收和荧光。吸收 与荧光相比较，吸收信号测定的是一个强信号减弱的程度，灵敏度较低，选择 性一般较差。荧光信号是在暗背景下测定一个发光信号的大小，其灵敏度高， 选择性常较好。因此，近年来得到较大的发展，己成为光化学传感器研究领域 的个热点1 1 6 2 4 】。 1 1 基于荧光信号的光化学传感器的响应原理 所有的化学传感器，不论其响应原理如何，能否从样品混合物中选择性识 别分析对象是判断该传感器性能的重要指标。而且所有的选择性识别化学总是 包括两个方面：一方面与感兴趣的分析对象产生选择性相互作用；另一方面在 发生选择性相互作用的同时伴随有可检测的信号产生。因此，荧光化学传感器 所修饰的化学敏感层在与分析对象选择性相互作用时，应伴随有易于识别的光 学信号的变化。 以一种基于可逆荧光b h 指示剂的p h 荧光传感器的识别原理为例：荧光指 示剂的质子化形式和非质子化形式具有不同的光学特性，前者在蓝光激发下能 发出绿色荧光。因此，当样品中的分析对象氢离子与固定在光学波导表面的荧 光试剂相互作用时，绿色荧光的强度就能反映出样品中氢离子浓度的变化。在 这样的体系中，p h 值的变化只影响荧光强度的变化，而不影响光谱位置的变化。 从光学信号识别的角度讲，指示剂的两种形式都具有可测的不同光学信号时是 最适宜的。 光共聚新型荧光指示剂的光化学传感器的研制 如果刚才讲的那个p h 荧光传感器体系中，p h 指示剂的非质子化在吸收蓝 色激发光后也能发出荧光( 例如红色荧光) ，这样，随着样品p h 值的变化，传 感器的响应不仅有荧光强度的变化，而且有荧光光谱位置的变化。若将两个峰 值的强度比作为响应信号，则比单纯用一个波长处的强度为响应信号要有利得 多。因为这种响应信号能补偿仪器漂移、传感器位置变化以及许多其他因素引 起的噪声( 2 5 础1 。 从荧光测量信号来说，除了最基本的荧光强度的改变以外，还可以利用其 他光学信号与待测物浓度的关系，如荧光寿命1 2 9 枷l ，荧光成像3 1 。3 3 】和荧光偏振1 3 4 】 等。 除了p h 指示剂外，各种金属离子指示剂同样可在光化学传感器中起化学识 别作用。许多在溶液化学中具有指示功能的金属离子指示剂，通过简单的固定 步骤后就可以直接用于光化学传感器的识别目的 3 5 3 6 。但是这些试剂与分析对 象形成的荧光配合物，其稳定常数较高，因此所构成的传感器的检测下限是令 人满意的。但是，这类传感器一般来说往往缺乏足够的选择性，这就限制了它 们在复杂样品中的实际应用。 为了发展具有优良选择性的传感器识别化学，合成各种各样的选择性载体 一直受到重视。例如p e d e r s e n 于1 9 6 7 年偶然制备的二苯并18 冠一6 【37 】为代表的 一大类王冠醚化合物。令人遗憾的是这些高选择性载体并不能直接用于光化学 传感器的识别化学。因为当它们与分析对象发生选择性相互作用时，并不能同 时伴随有光学性质的变化。为了获得同时具有光学性质变化的高选择性载体， 需要将一些生色基团共价连接在这些中性载体上f 3 3 4 “。 近年来，荧光能量转移现象由于其高的灵敏度及较大的斯托克斯位移而备 受人们的关注 4 2 。45 1 ，当一种分子的吸收光谱与另一种分子的荧光发射光谱发生 一定程度的重台时，并且这两个分子之间的距离不超过2 0r i m 时，( 一般可以将 这两个分子通过共价键连接起来) ，两者可能通过偶极相互作用而产生荧光能量 转移现象，由于荧光能量转移加大了斯托克斯位移，有利于分开激发光与信号 光，显著地提高了测量的灵敏度。 下面将根据不同的响应原理，从络合物体系、离子交换体系和离子共萃取 体系来讲述荧光传感器响应原理的发展状况。 1 1 1 络合物体系 络合物体系是指膜体系与分析对象的选择性络合作用，同时对其完成化学 与光学信号的识别。 设光化学传感器的敏感膜中含光学试剂r ，水溶液中待铡组分m 能与光学 试剂r 作用形成组成比为m ：n 的络合物，则膜相( o r g ) 与水相( a q ) 之间存在以下 - 2 博士学位论文 平衡 r m m ( a q ) + n r ( o r g ) = m 。r 。( o r g )( 1 1 ) k 为反应平衡常数，该平衡涉及以下两个平衡： “ m m ( a q ) = m m ( o r g ) ， m m ( o r g ) + n r = m m r n ( o r g ) ( 1 2 ) k d 为待测组分在水相膜相间的分配系数，b 则为膜相中待测组分与光学试 剂作用生成的络合物后的络合物形成常数。 反应平衡常数可表示为： k t 。m m r nk d b ( 1 3 ) 蜡口； 、。 设c t 为膜相中游离的光学试剂的浓度【r ( o r g ) 】与光学试剂的总浓度c r 之比， 则： 旺： 噬! 鳖2 1 f 1 4 1 c r 若r 与m m r n 有明显不同的光学性质，设a l ( 或f 1 ) 和a o ( 或f o ) 分别为光学 试剂呈完全游离状态( = 1 ) 和全部以络合物状态存在时( a = 0 ) 的吸光度值( 或 荧光强度值) ，则： 一箍c 或一篇， s ， a 又称为相对吸光值( 或相对荧光响应值) ，可由实验测得。 由质量作用定律并结合( 1 4 ) 式，可得： 旦；i 当j ( 1 6 ) 1 一t 2 n ( c ：1 口品 、7 由式( 1 6 ) 可见，待测组分的活度a m 与相对吸光值( 或相对荧光响应值) 有 确定的函数关系，可作为此类光化学传感器进行定量测定的理论依据。 基于这样的络合物体系，在已发展的光化学传感器中占有相当的比重。因 为各种各样依赖p h 指示剂构造的p h 敏感试剂与氢离子的络合产物，质子化的 指示剂可认作敏感试剂与氢离子的络合物，而非质子化的则可认作游离形式的 配体。除了检测有电荷的分析对象外，这类传感器特别适用于直接响应中性分 子浓度的变化。 s h r i r e r l a k e 等【4 6 】用包埋苯荧蒽的聚乙烯醇膜测定芳香族硝基化合物，如p 一 硝基酚等。李新霞等人【4 7 1 用共价芘丁酸膜，利用荧光猝灭原理可测定芦丁浓度。 c u l l u m 等【4 8 1 用包含荧光基团的硼酸化合物制备了测定溶液中总糖度的传感器。 光共聚新型荧光指示剂的光化学传感器的研制 m o h r 等【4 9 1 用共价固定在聚合物薄膜上的荧光活性物质可测定溶液中丁胺的浓 度。文献5 0 ，5 1 1 还报道了两种以四氧杂四烯衍生物为荧光指示剂的传感器，分别 可测定苯酚和钼酸根离子。p h 传感器也有了很大的发展，采用许多新的荧光指 示剂如吖啶橙荧光素、b 甲基伞形酮、中性吖啶黄、5 ，6 羧基萘等，研制了一 系列荧光p h 光纤传感器，并在测定方法上采用双波长方法，荧光检测激发光 与探测光不在同一波长，因此可采用单根光纤，并将探头做得很小，可用于生 物体内测试，甚至单细胞的测试。近年来报道的p h 光纤传感器文献较多，如 l o b n i k 等【5 2 _ 5 3 1 将氨基荧光素包埋在由正硅酸甲酯和三甲基硅酸酯经水解形成的 聚合物中研制的p h 传感器。m i c h a e l 等【5 4 1 用3 7 7 4n m 的氨基丙基多孔玻璃吸附 荧光染料，制各了微粒传感器。c l a r k 等【5 5 】通过将荧光指示剂嵌入聚丙烯酯的微 孔内( 直径2 0 - 2 0 0n m ) ，制成了微传感器，可用于细胞内p h 测量。 1 1 2 离子交换体系 最简单的基于离子交换体系的光化学敏感膜仅含有一种光学试剂。王柯敏 等【5 6 1 研制的锌离子光化学敏感膜就属此种类型，在此敏感膜中用到的光学试剂 为一经改造其结构的毗啶偶氮问苯二酚( p a r ) 的强疏水性衍生物，该衍生物偶 氮基邻位的酚羟基上的氢能与锌离子交换形成1 ：2 的z n ( 1 i ) p a r 衍生物的络合 物，该水膜两相间的离子交换反应如下： k 2 h r ( o r g ) + z n ”( a q ) = z n r 2 + 2 h + ( 1 7 ) 式中h r 为p a r 衍生物。同理若设a = h r ch r , 则可导出： t 一口 2 k c m - 口2 ( 1 8 ) 当p h 值一定时，锌离子浓度与相对吸光值有确定的函数关系，通过测定 敏感膜的a 值便可测得锌离子的浓度。 上述这种简单的离子交换体系中用到的光度试剂通常通过对传统光学分析 法中的一些显色剂、指示剂或荧光试剂的结构略加改造即可获得，由于这类试 剂属于广谱试剂，故这类传感器的选择性往往不佳，为了改善此类传感器的选 择性，s i m o n 提出了中性载体促进的离子交换竞争体系，以阳离子敏感膜为例， 该竞争体系的显著特征是敏感膜中含有两种不同的中性阳离子载体和一种亲脂 阴离子定域体，两种不同的中性阳离子载体l ，p ，其中只有p 是生色团，可分 别同测试溶液中的阳离子m ”、i ”形成络合物mp 。”及i l ”，那么水膜两相中 存在以下平衡： f p z l ( o r g ) + z l 。+ ( a q ) + v m p n 2 + ( o r g ) + v z r ( o r g ) = - 4 博士学位论文 n v p ( o r g ) + v m ”( a q ) + z l l p ”( o r g ) + v z r ( o r g )( 1 9 ) 式中r 为亲脂阴离子定域体，k 为该反应的平衡常数，可表示如下： k ：蹲娑纂型善 ( 1 1 0 ) 一 心；+ ) 2 幽” m p n “】” ” 同理若设a = 掣， 则可得出： 印 掰雀2 嚣篙氅( p z 堂n v ) ( n 舞z ) c 器c e ) c ( 口才) ( 1 一a ) c 一 r 一( 1 一 ，】) 2 、。 由式( 1 1 1 ) 可知，基于此类离子交换体系的光化学传感器的相对吸光值a 是与两离子的活度比值有确定的函数关系，这就是研制此类传感器的理论依据。 基于中性载体和亲脂p h 指示剂的离子交换体系，使光化学传感器的检测对 象可以覆盖几乎所有中性载体阳离子的测试对象，其响应原理主要依赖维持膜 的电中性，并且同样具有高度选择性。基于这样的离子交换体系，采用不同的 阳离子中性载体，已相继研制成功响应多种金属离子和中性分子f 5 7 6 4 1 等具有高 度选择性光化学传感器。一般来说，离子交换体系的响应原理主要依赖维持膜 的电中性。因此，膜中中性载体、指示剂和负电荷定域体的相对含量对膜的响 应特性有很大的影响。通常情况下，指示剂和负电荷定域体在膜中的摩尔比应 近似为1 ，而中性载体的含量应随其与分析离子的配位能力而定。 1 1 3 离子共萃取体系 基于离子共萃取体系的光化学敏感膜内有两种中性载体r 、l ，其中l 为生 色团，分别能选择性地将阴离子x ”、阳离子m ”从水相中萃取进膜相，形成络 合物x g p ”和m l n ”，该过程可表示如下： v n l ( o r g ) + z p r ( a q ) + v m ”( a q ) + z x ”( a q ) = z x r p ”( o r g ) + v m l n ”( o r g ) ( 1 1 2 ) 反应的平衡常数k 为： x = 孝器 啪 “ ( 靠) ”( 口；一) 2 【丌捌” ” 同理若设o 【= 掣， 则可得出： 【， ( g , m ”) ( a x ”) 2k = ( 1 1 4 ) 由式( 1 1 4 ) 可知，此类传感器的响应信号d 与阴、阳离子的活度乘积有关。 在这样的体系中，阴离子载体完成选择性结合阴离子的任务，而p h 指示剂 5 一 光共聚新型荧光指示剂的光化学传感器的研制 完成光学信号的表达任务6 5 石8 1 。共萃取体系所测量的分析对象明显少于离子交 换体系的测试对象，这与离子选择性电极研究中发展的阴离子中性载体远小于 阳离子中性载体颇相似。 在光化学传感器中，分子识别过程应同时具备化学识别与产生可检测光学信 号的功能。功能分子与被识别分子之间的结合常数大小则决定了传感器的灵敏度 和可逆性。在光化学传感器的构造中，寻找合适的荧光载体无疑是最重要的。光 化学传感器发展到今天，真正具有高灵敏度、选择性和可逆性好的传感器并不多 见。寻找新的对分析对象具有高选择性，高灵敏度，具有良好稳定性和可逆性的 荧光载体是光化学传感器研究中的一个重要课题【1 6 “。 目前荧光传感器在各种化学传感器中的研究工作相对较多，无论理论上还是 实践上对光化学传感器的发展都有较重要意义。从传感器的特征来看，传感响应 机理的发展是为了不断优化传感器的选择性、灵敏度、可逆性、测量线性范围和 检测限。那么其他特征如：响应时问、稳定性以及使用寿命的优劣就寄希望于传 感器中荧光指试剂的固定方式。以下就简要介绍近几年荧光传感器中的荧光载体 固定化方法的研究。 1 2 荧光载体固定化方法的研究 在光化学传感器的研制中，无论哪一种荧光载体，首先需将其固定在玻片或 光纤头上，由于固定的方式直接影响传感器的性能，因此这一基本技术问题成 为光化学传感器发展的一个关键问题。下面分别综述近年来固定荧光载体的不 同方法的研究和应用。 1 2 1 基于包埋荧光载体的研究 构造光化学传感器的传统方法是将荧光载体固定在各种膜材料中，此方法 是通过把荧光指示剂包埋在多孔聚合底物上，比较简单可靠。表1 1 列出了近年 来基于包埋固定荧光载体的荧光化学传感器。 t a b l e1 1o p t i c a ls e n s o rb a s e do nf 1 h o r e s c e n c ec a r r i e ri m m o b i l i z e ds u b s t r a t e s 一 堡主兰竺兰苎 p v c 聚酰胺 溶胶凝胶 p v c n h 3 p h p h 0 2 聚丙烯酰胺溶解氧 溶胶凝胶 聚丙烯酸羟 乙酯 p v c 三乙酸纤维 素 聚甲基硅氧 烷聚甲基 丙烯酸酯等 聚氨基甲酸 乙酯 聚甲基丙烯 酸羟乙酯 明胶 聚乙烯醇 聚酯2 氰 基十二烷基 苯酯 聚苯乙烯毗 啶锚 溶胶，凝胶 明胶 n a f i o n 甲基丙烯酸三 氟乙烯酯和甲 基丙烯酸异丁 0 2 甲醇 n 0 1 呋喃妥因 若丹明7 4 5 ，6 - 羰基萘并荧光素 7 5 半荤并若丹明1 羧酸盐 7 6 三( 4 ，7 - 二苯基1 】0 - 邻菲咯啉) 7 7 钉( i i ) - - ( 4 ，7 - 二苯基11 0 邻 7 8 菲咯啉) 钌( i i ) 八乙基卧啉铂 7 9 三( 4 ，4 - 二羰基- 2 。2 - 双吡啶) 钉8 0 ( i i ) 六氧磷酸盐 十八烷基嘧啶橙8 1 芘丁酸8 2 乙酸戊酯、丙耐尔红 醇、苯 p h p h 、c a 2 + 湿度 葡萄糖 1 9 9 7 1 9 9 7 1 9 9 7 】9 9 7 1 9 9 7 1 9 9 7 1 9 9 7 1 9 9 7 1 9 9 7 8 3 1 9 9 7 三( 4 ，4 - 二苯基联吡啶钉( i i ) ) 8 4 和溴百里酚蓝 半苯并若丹明一1 羧酸盐、8 5 俄勒冈绿b a p t a 1 若丹明6 g8 6 异硫氰酸酯四甲基若丹明、伴刀豆8 7 球蛋白、异硫氰酸酯荧光素 份菁5 4 0 钠盐8 8 1 9 9 8 1 9 9 9 1 9 9 9 1 9 9 9 1 9 9 9 异硫氰酸酯荧光素衍生物 3 12 0 0 0 毗啶钌络合物 磺化若丹明1 0 1 异硫氰酸酯若丹明b 八乙基卟啉- 铂( i i ) 、钯 8 9 9 0 9 l 9 2 2 0 0 0 2 0 0 0 2 0 0 0 2 0 0 0 塑墨盒望 口 州 蝉激呈61 光共聚新型荧光指示剂的光化学传感器的研制 一8 博士学位论文 从表1 1 中可以看出，在包埋固定荧光载体时所用的材料有p v c 、纤维素、 溶胶凝胶、阴阳离子交换树脂、聚乙烯醇、聚丙烯酰胺、聚甲基丙烯酸酯、n a t i o n 、 聚苯乙烯以及滤纸和氧化铝等。在此方法中，一些试剂的加入可以提高敏感膜 的性能。这些辅助试剂有增凝剂，如三氯甲烷通过减少厚度增加孔洞来减少反 应时间；增塑剂如邻苯二甲酸二乙酯、磷酸三丁酯等可增加透明度和柔韧度； 增湿剂如乙烯乙二醇可以增加膜的亲水性等。在包埋方法中，包括普通包埋和 电价包埋两种。在普通包埋方法中，将荧光载体物理地包埋于溶胶- 凝胶中或将 亲酯的荧光载体溶于疏水聚合物材料中，一起铸膜于玻片上，当溶剂挥发掉后， 荧光指示剂就被物理包埋在疏水的聚合物膜中。电价固定法，主要是采用离子 交换树脂( 或离子交换膜) 固定带电荷或和强极性取代基的荧光载体，例如阳 离子交换树脂可以固定带正电荷的若丹明类试剂，阴离子交换树脂可以固定带 磺酸基或羧基的荧光载体。 包埋方法简单易行，可以较容易的拓展不同种类的荧光指试剂，同时也可不 断丰富和发展新的荧光检测机理。但由于某些荧光指试剂的亲水性较强，易于 流失，影响了传感器的使用寿命。因此研究了各种阻止荧光载体流失的方法， 如合成一些亲脂性的大分子荧光指示剂作为传感器的荧光载体，或在荧光指试 剂的适当位置接上一条长碳链也是一种行之有效的措施。电价包埋法，若用强 结合能力的树脂，荧光载体还是固定的比较牢，可荧光载体易被样品和溶剂分 子所取代。 共价固定就是将荧光载体共价键合于聚合物基体上，用此方法研制的传感器 一般来说具有响应时间快、长寿命的优点。 光菸聚新型荧光指不剂的光化学传感器的研制 1 2 1 基于共价键合固定荧光载体的研究 将荧光指示剂通过共价键结合在敏感膜上，使之不流失，共价固定法是目 静光化学传感器研究中固定荧光载体最有效的方法。常用的方法有以下两种： 1 ，通过聚合物或固体基质上的羟基、氨基等官能团与荧光载体反应而将荧 光载体共价固定在基质上。 2 先合成具有可供聚合的端基双键的荧光载体，然后与基质单体共聚在光 纤或玻片上。 表1 2 分别列出了近年来基于共价固定荧光