（材料学专业论文）纳米复合光学生物敏感材料的制备与性能.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 中文摘要 光纤传感技术是材料、信息、生命、化学、物理等多学科交叉的研究领域， 其中光学敏感材料研究对于光纤传感技术的发展起着决定性的影响。高性能光 纤生物传感材料的制备是研制高性能光纤生物传感器的关键技术之一，而光纤 生物传感敏感材料必须具备对待测物质优异的敏感性能、高度的选择性、较快 的响应速度和较长的使用寿命等特点。对葡萄糖的检测在临床诊断( 特别是糖 尿病) 、基础医学研究及食品工业等领域中十分重要，目前采用的检测方法主要 有仪器分析和电化学传感器，存在检测过程复杂、响应慢、成本高等缺点。光 纤葡萄糖传感器具有检测精度高、响应快、操作简单、成本低等优点，是检测 葡萄糖的有效手段，其研究具有重要的意义。 本文制备了二氧化硅( s i 0 2 ) 纳米粒子并在其表面引入氨基，用来固定葡萄 糖氧化酶，并将固定化酶与荧光指示剂复合，制备出同时具有催化及光敏特性 的纳米复合生物传感材料。设计和构建了基于酶催化及荧光猝灭的光纤葡萄糖 传感器，并初步研究了传感器性能。 本论文的主要工作分为以下几个方面： ( 1 ) 采用s t o b e r 水解法制备粒径均一大小为l o o m 左右的s i 0 2 纳米粒子， 并通过扫描电镜对其形貌进行表征。利用硅烷化试剂3 氨基丙基三已氧硅烷 ( a p t e s ) 及偶联剂戊二醛( g a ) 对s i 0 2 纳米粒子表面进行改性，引入氨基， 以固定葡萄糖氧化酶( g o d ) 。研究了硅烷化试剂a p t e s 浓度、g a 的浓度、最 佳给酶量、酶固定化过程中的p h 值等因素对固定化酶活性的影响。 ( 2 ) 研究和对比了固定化酶和游离酶的储存稳定性，热稳定性及操作稳定 性。研究表明，固定化酶具有优良的储存稳定性，热稳定性及操作稳定性。 ( 3 ) 采用溶胶凝胶法制备同时具有固定化酶及荧光指示剂钌( ) 一联毗啶 ( r u ( b p y ) 3 c h ) 的复合敏感膜，并设计和构建了基于酶催化及荧光猝灭的光纤葡 萄糖传感器，利用锁相放大检测技术，研究了传感器性能。研究表明，该传感 器检测葡萄糖溶液的浓度范围为1 0 0 m g d l 一5 0 0 m g d l ，响应时间3 5 s ，同时具有 较好的线性检测关系。 ( 4 ) 制备一种新型的同时含有g o d 和荧光指示剂r u ( t i l , y ) 3 c h 的s i 0 2 荧光纳 米复合粒子，初步研究其性能。为研制新型纳米复合光学生物敏感材料打下基础。 关键词：纳米复合光学生物敏感材料，固定化酶，酶催化，光纤葡萄糖传感器 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ef i b e ro p t i c a ls e n s i n gt e c h n o l o g yi sm u l t i d i s c i p l i n a r yc r o s sr e s e a r c hf i e l d s i n c l u d i n gm a t e r i a ls c i e n c e ，i n f o r m a t i o n , l i f es c i e n c e ，c h e m i s t r ya n dp h y s i c s t h e p r e p a r a t i o no ff i b e ro p t i cb i o s e n s i n gm a t e r i a l si so n eo ft h ek e yt e c h n o l o g i e sf o rt h e d e v e l o p m e n to ff i b e ro p t i cb i o s e n s o r sw i t hh i 曲p e r f o r m a n c e mf i b e ro p t i c b i o s e n s i n gm a t e r i a l sm u s th a v eh i g l ls e n s i t i v i t y , h i 曲s e l e c t i v i t y , f a s tr e s p o n s ea n d l o n gl i f e t i m e t h ed e t e c t i o no fg l u c o s ei sv e r yi m p o r t a n ti nm a n yf i e l d si n c l u d i n g c l i n i cd i a g n o s e s ( e s p e c i a l l yf o rd i a b e t e s ) ，b a s i cm e d i c i n er e s e a r c ha n df o o di n d u s t r y t h ec u r r e n td e t e c t i o nm e t h o d sf o r g l u c o s ec o n c e n t r a t i o na r em a i n l yi n s t r u m e n t a n a l y s i sa n de l e c t r o c h e m i s t r ys e a s o r s ，w h i c hh a v et h ed i s a d v a n t a g e ss u c hi l l sc o m p l e x a n a l y s i sp r o c e s s ，l o wr e s p o n s ea n dh i g hc o s t f i b e ro p t i cg l u c o s es e n s o ri sa n e f f e c t i v em e a n sf o rt h eg l u c o s ed e t e c t i o nb e c a u s eo fi t sa d v a n t a g e si n c l u d i n gh i 曲 p r e c i s i o n , f a s tr e s p o n s e ，s i m p l eo p e r a t i o np r o c e s sa n dl o wc o s t t h e r e f o r e ，t h es t u d y o ff i b e ro p t i cg l u c o s es e n s o ri so fg r e a ti m p o r t a n c e ， i nt h i s t h e s i s ，s i l i c a ( s i 0 2 ) n a n o p a r t i c l e sh a v e b e e n p r e p a r e d a f t e rt h e m o d i f i c a t i o n , t h e ( s i 0 2 ) n a n o p a r t i c l e sw i t ha m i n og r o u p s0 1 1t h e i rs u r f a c eh a v eb e e n o b t a i n e d , w h i c hw e r eu s e da st h ec a r r i e r sf o rt h ei m m o b i l i z a t i o no fg l u c o s eo x i d a s e ( g o d ) t h eo p t i c a lc o m p l e xb i o s e n s i n gm a t e r i a lc o n t a i n i n gt h ei m m o b i l i z a t i o n g o da n df l u o r e s c e n ti n d i c a t o rw a sp r e p a r e d ，w h i c hh a sb o t ht h eb i o l o g i c a lc a t a l y s i s a n do p t i c a ls e n s i t i v ep r o p e r t i e s t h ef i b e ro p t i cg l u c o s es e n s o rb a s e do ne n z y m e c a t a l y s i sa n df l u o r e s c e n c eq u e n c h i n gw a sd e s i g n e da n df a b r i c a t e da n di t sp r o p e r t i e s h a v eb e e ns t u d i e d ，n l em a i nw o r ki nt h i st h e s i si n c l u d e s ： ( 1 ) u s i n gs t o b e rm e t h o d ，s i 0 2n a n o p a r t i c l e sw i t ha l la v e r a g ed i a m e t e ro fl o o n m w e r ep r e p a r e da n dc h a r a c t e r i z e db ys e m t h es u r f a c eo fs i 0 2r t a n o p a r t i c l ew a s m o d i f i e du s i n ga p t e sa n dg at op r o d u c ea m i n og r o u p s ，w h i c hw e r eu s e df o rg o d i m m o b i l i z a t i o n t h ei n f l u e n c ef a c t o r so ni m m o b i l i z e de n z y m ea c t i v i t ys u c ha s a p t e sc o n c e n t r a t i o n , g ac o n c e n t r a t i o n , o p t i m a le n z y m ec o n c e n t r a t i o n , p hv a l u e w e r es t u d i e d ( 2 ) ms t a b i l i t yo fi m m o b i l i z e dg o dw e r es t u d i e da n dc o m p a r e dw i t hf r e e 武汉理工大学硕士学位论文 e n z y m e ，w h i c hi n d i c a t et h a tt h ei m m o b i l i z e dg o di sm o r es t a b l et h a nf r e ee n z y m e ( 3 ) u s i n gs o l - g e lm e t h o d ，ai l e wk i n do fc o m p l e xo p t i c a lb i o s e n s i n gm e m b r a n e w a s p r e p a r e dw h i c hc o n t a i n sb o t hi m m o b i l i z e dg o d a n dr u ( b p y ) 3 c 1 2i n d i c a t o r w t l l t h i sb i o s e n s i n gm e m b r a n e ，t h ef i b e ro p t i cg l u c o s es e n s o rb a s e do ne n z y m a t i cc a t a l y s i s a n df l u o r e s c e n c e q u e n c h i n gw a sd e s i g n e da n df a b r i c a t e d t h e d e t e c t i o nw a s p e r f o r m e d 谢也l o c k - i nt e c h n o l o g y t h ep r o p e r t i e so ft h es e n s o rw e r es t u d i e d , s h o w i n gag o o dp e r f o r m a n c ew i t ht h er e s p o n s et i m eo f35 s ，g l u c o s ec o n c e n t r a t i o n d e t e c t i n gr a n g eo f10 0 5 0 0 m g d la n dg o o dl i n e a rr e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h eg l u c o s e c o n c e n t r a t i o na n dp h a s ed e l a y ( 4 ) t h ec o m p l e xf l u o r e s c e n ts i n i c an a n o p a r t i c l e sc o n t a i n i n gb 0 也g o da n d f l u o r e s c e n ti n d i c a t o rh a v eb e e np r e p a r e da n dt h e i rp e r f o r m a n c ew a ss t u d i e d , w h i c h w i l lb eac o n t r i b u t i o nt ot h ed e v e l o p m e n to fn e wn a n o s c a l ec o m p l e xo p t i c a l b i o s e n s i n gm a t e r i a l s k e y w o r d s ：n a n o s c a l ec o m p l e xo p t i c a lb i o s e n s i n gm a t e r i a l s ，i m m o b i l i z e dg o d ， e n z y m a t i cc a t a l y s i s ，f i b e ro p t i cg l u c o s es e n s o r n 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 一醴慨叫 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权 保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：么i 珥导师签名：援坞1 日期： 勘、嘲。 f 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 光纤传感技术是随着光导纤维和光纤通信技术的发展而形成的崭新技术。 由于光纤传感具有抗电磁干扰能力强、灵敏度高：电绝缘性好、安全可靠、耐 腐蚀、可构成光纤传感网等诸多优点，它在航天、航海、石油开采、电力传输、 核工业、医疗、科学研究等众多领域均有广阔的应用前景。我们可以利用先进 的光纤传感和光电子技术改造传统产品，使其具有更先进的性能；提供更新换代 的产品，更好地满足现场使用的高要求并且形成新的技术分支。因此，它对科学 技术、工农业生产、国防建设的发展，将会产生巨大的影响【l j 。 光纤传感技术是材料、信息、生命、化学、物理等多学科交叉的研究领域， 其中光纤传感敏感材料研究对于光纤传感技术的发展起着决定性的影响。采用 光纤传感技术实现对人体有关生物参量的准确实时检测，首要解决的问题是制 备对待测物质具有优良光学敏感性能的敏感材料。光纤传感敏感材料必须具备 对待测物质优异的敏感性能、高度的选择性、较快的响应速度和较长的使用寿 命等优点，这可以通过对敏感材料的结构调控和制备条件优化来实现【2 】。 1 1 光纤传感敏感材料 光纤传感敏感材料又可分为无机光学敏感材料，有机光学敏感材料以及有 机一无机纳米复合材料三大类。无机光学材料制各简单，性能稳定，响应快；而 有机化合物种类繁多，使得有机光学敏感材料易于化学修饰而获得所需的性能； 有机一无机纳米复合敏感材料是有机物和无机物按一定方式在纳米尺度上进行 复合，可以兼顾两者的优点，获得具有所需性能的纳米复合敏感材料。 1 1 1 无机光学敏感材料 无机光学敏感材料包括光纤材料、无机化合物光学敏感材料和光纤光栅材 料，它们都是由无机材料组成，具有响应快、制备简单、化学性能和机械性能 稳定等特点。光纤材料和无机化合物光学敏感材料是较早用于光纤传感领域的 材料，近年来光纤光栅在光纤传感来源的应用也越来越广泛，并在许多领域显 武汉理工大学硕士学位论文 示出极大的应用前景。 1 1 1 1 光纤材料 自从6 0 年代人们认识到可以通过降低石英玻璃总衰耗而使其作为光通信介 质以来，人们对光纤的各种应用一直进行着艰辛的探索。到上世纪末，光纤不 但在通信、广播电视领域中应用，而且广泛应用于各种传感领域。用于制造光 纤的材料主要是无机材料，其中包括石英玻璃、多组分玻璃、红外玻璃、掺稀 土元素玻璃与晶体等。在光纤传感领域中，光纤除了用来传输光信号，光纤材 料还可以用来作为敏感材料。人们在传感用光纤材料的研究中，一般主要考虑 其光敏性、光衰减性能、折射率控制、成纤能力、机械强度、化学稳定性以及 制造成本等例。 英国k t vg r a t t a n 教授和他的课题组【4 】系统研究了e r 3 + 掺杂、e p 7 n 3 + 共 掺杂光纤的温度敏感特性。传感器的探头为1 0 r a m 的掺杂光纤，并在其中写有 光栅，由激光二极管产生的激发光使掺杂离子产生荧光，其寿命与温度有较好 的对应关系。该传感器的检测温度最高可达8 5 0 0c ，掺杂元素的含量和探头长度 对传感器的性能有显著的影响。 光纤光栅传感器是最近发展起来的一大类新型传感器，在很多领域具有十 分重要的应用前景，光纤的光敏性制备光纤光栅的重要影响因素之一。孙英志 等人【5 】研究和分析了用于制作光纤光栅锗硼硅材料的紫外光致折射率变化的规 律认为对样品载氢处理是提高光纤材料紫外光敏特性的有效途径，而样品的 紫外吸收与紫外辐射漂白的波长、能流密度和辐照时间( 脉冲数) 有很大关系，故 可通过选择一个最佳的能流密度和光脉冲数来制作反射率高、一定带宽和短波 损耗小的光纤光栅。 何伟等人 6 1 通过氢敏化处理，研究了光纤的光敏性和载氢条件对掺锗石英光 纤光致折射率的影响。结果表明光纤光敏性随载氢压力的增大呈正比例增大， 并随载氢时间的延长呈指数增大，最后达到饱和状态，其变化规律与氢气的渗 透模型吻合得很好。 在上述研究中，主要涉及到掺杂条件对光纤温度传感器性能的影响、紫外 光源的参数和载氢的条件对光纤光敏性的影响等，但他们在紫外光导致折射率 变化的机制方面。还无法给出满意的解释。故对紫外光导致折射率变化的机制需 要进行深入系统的研究，其研究结果对获得最佳光纤光敏性条件，提高光纤传 2 武汉理工大学硕士学位论文 感器的性能具有指导意义。 1 1 1 2 无机光学敏感材料 无机化合物光学敏感材料是指其光学性能可随待测物浓度变化的无机化合 物、单组分和多组分无机光学敏感薄膜。戴珩等人【7 】将c o c h 作为指示剂固定 在多孔玻璃基体材料中，环境湿度的变化可使将c o c h 改变颜色，引起其吸收光 谱强度的变化，从而构建成光纤湿度传感器。该传感器在较宽的范围内其透光 率与环境湿度具有较好的线性关系，并且响应时间较快，重复性较好。梁振斌 等人【3 】用溶胶凝胶法制备了t i 0 2 2 0 5 光学薄膜，具有较好的湿敏效应，在低 湿度时，有较高灵敏度。吸湿、脱湿的时间分别为4 5m i l l 和1 0r a i n 。s h i q u a n t a o 等人1 9 1 采用一段多孔s 0 1 g e l 二氧化硅光纤作为基于消逝波的换能器，将c o c l 2 作为指示剂固定于其中，环境湿度的变化可引起其吸收光谱强度的改变，由此 构建的光纤湿度传感器对湿度的检测最低可达2 r h ，响应时间小于3 m i n 。由 于s 0 1 g e l 二氧化硅材料不与空气和水中的化学物质反应，故该传感器可以长期 工作。 s s e k i m o t o 等人【1 0 】以氧化钨为基质的钯( p d w 0 3 ) 或铂( p t w 0 3 ) 为敏感 材料，用硅树酯或溶胶凝胶法固定在一段去除包层的光纤上即形成传感器探 头。敏感材料为黄绿色，当有氢气存在时可将其还原成蓝色的钨青铜( 其中钯 或铂作为催化剂) ，其介电常数发生变化，可观察到较强的消逝波吸收，探头 吸收光强度的变化与氢气的浓度有较好的对应关系。该传感器可实现对氢气的 多点分布式测量。 国内近年来对检测氨气的无机敏感薄膜进行了研究，万爱国等人【l l j 制备了 纯v 2 0 5 二维光学薄膜，陈凯等人f 1 2 】制备了z n o t i 0 2 多层薄膜，吴文鹏等人【1 3 】 制各了z r 0 2 薄膜，制备方法都是采用溶胶凝胶法。研究结果表明这三种敏感膜 都是高灵敏度的n h 3 气敏光学材料，用在整个可见光波区薄膜光透过率很高，随 氨气浓度增加，透过率单值上升，它满足光纤传感器所需的单值性要求以及适应 各种不同灵敏波长的探测器的要求，并对氨气具有很强的选择性。 1 1 2 有机光学敏感材料 由于有机化合物种类繁多，易于进行化学修饰而使其具有所需要的性能， 故有机光学敏感材料是组成光纤传感器的一大类具有广泛和重要应用的光学敏 3 武汉理工大学硕士学位论文 感材料。通常光学敏感材料由指示剂和基体材料两部分组成，指示剂与待测物 质作用而使其光学性能发生变化是决定光纤传感器性能的主体，基体材料可与 敏感材料形成光纤传感敏感膜，起着固定指示剂的作用，对传感器的性能也起 着重要的影响作用。因此，可根据基体材料的不同，将敏感膜分为三大类：无 机基质一有机指示剂敏感膜，有机基质有机指示剂敏感膜，有机生物敏感膜。 1 1 2 1 无机基质有机指示剂敏感膜 这类敏感膜中的无机基质主要是溶胶一凝胶基质，采用正硅酸乙酯为前驱 体，在少量酸( 或碱) 的催化下，与无水乙醇脱水缩聚、陈化，由溶胶转化为 凝胶。由于溶胶一凝胶膜拥有很多优点，如它与许多有机和无机试剂相容，可用 于固定各种试剂；化学、光学、热力学及机械稳定性好，适用于严酷条件下使 用；光学透明( 至2 5 0 r i m ) ，有利于吸收光或荧光测量；在低温和温和的化学条 件下形成，可包埋热稳定性和化学稳定性差的分子( 如蛋白质) ；有的被包埋试 剂比其在溶液中寿命要长等等，故这类敏感膜在光纤化学传感器和光纤生物传 感器中具有重要的应用。 b d g u p t a 等人【1 4 l 研制了一种基于消逝波吸收的宽范围光纤p h 传感器。 采用溶胶凝胶技术，将甲酚红、溴酚蓝和氯酚红三种指示剂的混合物固定在光 纤纤芯表面以制成传感器探头，该传感器在p h4 5 - 1 3 0 的范围内其消逝波强度 与p h 具有线性关系，并且重复性很好，可望具有较好的应用前景。s t h o m a sl e e 等人【1 5 】设计和制作了微弯光纤p h 传感器，以溴甲酚红紫、溴甲酚绿和甲酚红的 混合物为指示剂，在一段已被永久性微弯的塑料光纤上形成溶胶一凝胶敏感膜。 用两个光探测器分别检测不同p h 值溶液中微弯区芯层和包层的消逝波强度变 化，可检测溶液的p h 值。采用双光路检测系统可提高传感器的精度和可靠性， 而使用三种指示剂的混合物可拓宽传感器的p t q 检测范围。他们还对传感机理进 行了初步研究，当溶液p h 变化时，由于模式耦合作用，导致光纤微弯区域内包 层和芯层模式消逝波强度发生变化。 溶胶一凝胶敏感膜在检测气体方面具有较好的效果。用于检测氧气或二氧化 氮的溶胶一凝胶光学敏感膜主要是基于荧光( 磷光) 猝灭原理，通过检测其荧光 ( 磷光) 强度或寿命的变化来检测气态氧、溶解氧和二氧化氮的浓度。指示剂 主要采用钉( i i ) 的配合物由于荧光寿命是指示剂的本征值，不受外界因素的影 响，故通过检测荧光寿命来实现对待测物的检测可使传感器具有较好的抗干扰 4 武汉理工大学硕士学位论文 能力。c m c d o n s g h 等人【1 6 】制备了以钌( i i ) 的配合物r u ( p h 2 p h c n ) 3 c h 为指示剂 的溶胶一凝胶氧敏感膜，研究了水前驱体摩尔比对溶胶一凝胶膜微结构和传感器 性能的影响。m a c h a n 等人【1 7 】以四碘荧光素b 为指示剂，制成溶胶一凝胶敏感 膜，与基于过渡金属配合物的光纤氧传感器相比，在室温下和溶胶一凝胶中，四 碘荧光素b 具有更长的磷光寿命更高的磷光量子产率，可使传感器具有更好的 敏感性能。c ，m c d o n a g h 等人【埽】以钌( i i ) 的配合物r u ( p h 2 p h e n ) 3 c h 为指示剂， 并制成溶胶一凝胶敏感膜，通过检测敏感膜荧光和参考光之间的相移变化来检测 溶解氧，其响应时间为3 0 s ，并具有较好的重复性。s h e i l aa g r a n t 等人1 1 9 1 以钌 ( i i ) 的配合物 r u ( b p y ) 3 c 1 。为指示剂，并制成溶胶一凝胶敏感膜，通过检测敏感膜 荧光和参考光之间的相移变化来检测n 0 2 气体浓度。检测下限达到5 0 p p m ，响应 时间为1 5 s 。黄俊等人对基于荧光猝灭原理的溶胶一凝胶敏感膜进行了研究吲， 他们研究了以r u ( b p y ) 3 c 1 2 为指示剂，用溶胶一凝胶法固定在传感器探头上的条 件，采用锁相放大技术，通过检测传感器探头荧光寿命的变化来实现对氧气浓 度的检测，其响应速度小于1 0 s ，重复测定误差小于1 。 但溶胶一凝胶敏感膜也有不足之处，其中最主要的是敏感膜容易出现裂纹， 这对敏感膜的性能和使用寿命会产生影响，人们对硅酸乙酯一无水乙醇成膜体系 进行了改进。黄俊、韩蕴等人【2 l 】以钌( i i ) 的双齿配合物r u ( p h e n ) 3 c 1 2 为指示剂， 用甲酰胺为控制干燥剂，采用改进的溶胶一凝胶技术制备了高性能的光纤氧敏感 膜，解决了敏感膜产生裂纹的问题。用同样的检测系统组成的传感器，检测下 限小于5 p p m ，使用寿命等性能有了较大的改善。王柯敏等人【2 2 】用密闭老化法制 备溶胶一凝胶酶膜，不产生裂纹，酶在溶胶一凝胶中分布均匀且不易流失。 综上所述，无机基质一有机指示剂敏感膜具有其独特的优点，在光纤化学 传感器中具有重要的应用，但还存在问题，如制备敏感膜的溶胶一凝胶体系单一， 敏感膜易出现裂纹，在溶液中使用时指示剂易从敏感膜中泄漏等。这些问题都 会对传感器的性能产生不利的影响，必须对溶胶一凝胶成膜体系进行组分设计和 优化，探索和研究出性能优异的溶胶一凝胶敏感膜体系，改进和优化敏感膜的制 备工艺，从而有效解决敏感膜易出现裂纹和指示剂泄漏等问题，研制出高性能 的溶胶一凝胶光纤传感敏感膜。 1 1 2 2 有机基质一有机指示剂敏感膜 有机基质一有机指示剂敏感膜的有机基质主要是聚合物，这类敏感膜可用来 5 武汉理工大学硕士学位论文 检测离子、p h 气态氧和溶解氧、温度、湿度、有机物等。采用的指示剂通常有 冠醚、卟吩、卟啉、芳香族有机化合物、荧光素、钌( i i ) 的配合物、共聚物等。 k a d r i y ee r t e k i n 等人【2 3 j 制备了一种氮杂冠醚作为荧光指示剂，将其固定在 p v c 基体材料中制成敏感膜，其荧光强度可被n a + 或k + 猝灭。由此制备的光纤 传感器在1 0 母1 0 巧m 的n a + 或i ( + 范围内具有较好的动态响应，响应时间为 3 m i n 。王柯敏及其课题组在有机基质光学敏感膜及其光纤化学传感器方面做一 系列研究。他们将荧光试剂5 ，1 0 ，1 5 ，2 0 四苯基卟吩( t p p ) 、亲脂性p h 指 示剂和锂离子中性载体结合在增塑的p v c 膜中制成敏感膜，l i + 与旷在膜相中 的竞争萃取效应引起亲脂性p h 指示剂调制敏感膜荧光值的变化，从而实现对 l i + 浓度的检测。传感器对l i + 具有高度的选择性，响应时间小于l m i n ，但稳定 性较差( 6 小时) ，使用寿命较短( 3 周) 2 4 1 。他们用芳香族有机化合物或大环 配合物荧光试剂固定在p v c 基质上制成光学敏感膜，通过荧光增强或猝灭效应， 用来检测水溶液中二氧化碳含量、分子氧、f e 3 + 等【2 5 捌，传感器响应较快，重现 性较好，并具有较好的抗干扰能力。章竹君等人分别以署红( e o s i n ) 、钙黄绿素 w ( c a l c i e n - w ) 和荧光素胺( f a ) 为指示剂，并以聚丙烯酰胺凝胶为基质用共 价键法制备敏感膜，并由此制备了3 种光纤p h 传感器，其响应时间小于1 0 s 。具 有一定的使用寿命【2 s 】。 此外，赵莉等人以四对溴苯基铂卟啉为指示剂，p v c 为基体材料，制成基 于荧光猝灭原理的光纤氧敏感膜，其传感器的响应时间小于3 0 s ，具有良好的稳 定性、重现性和抗干扰能力；使用寿命为3 个月1 2 9 j 。以荧光指示剂和聚合物基体 组成的基于荧光猝灭原理的光纤氧传感器，其存在的问题之一就是指示剂泄露， 如果使指示剂与聚合物形成共价键，又有可能改变指示剂的光学性能。k e r r y p m c n a m a r a 等人【3 0 l 对以钌( i d 的双齿配合物为指示剂并进行化学修饰，使其带有 丙烯醛基，再与丙烯酰胺单体共聚形成敏感膜，由此组成微米级的光纤氧传感 器，指示剂的泄露较少。该传感器对溶解氧的检测下限为2 p p m ，响应时间为3 0 s ， 重复测定误差为2 ，具有较好的长期稳定性。 在光纤化学传感器的理论模型研究方面，人们也作了一些工作，李伟【3 l 】等 人根据光纤化学传感器的结构与信号传输特征，推导并建立了适合于定量描述基 于荧光猝灭原理的光纤化学传感器对待测物响应的非线性数学模型可以在一 定浓度范围内较准确地预报待测物的浓度。 此外，有机基质一有机指示剂敏感膜还可用于检测温度、湿度、有机物含 6 武汉理工大学硕士学位论文 量等。李兴林等人【3 2 】采用甲基丙烯酸甲酯( m m a ) 与醋酸乙烯酯( v a e ) 在乙 烯一醋酸乙烯酯共聚物( e v a ) 中共聚合形成的p ( m m ac a ) v a e ) e v a 合金， 其透光率具有很大的温度依赖性，加上它具有优良的力学性能，如高抗冲强度等， 所以是较好的温度敏感材料。s h i n z om u t o 等人【3 3 】根据一些聚合物的折射率随环 境湿度变化而变化的特性，在聚甲基丙烯酸甲酯( p m m a ) 塑料光纤上制备羟 乙基纤维素( h e c ) 和聚偏二氟乙烯( p v d f ) 的复合膜，其折射率随环境湿度的 增加而减少，从而引起探头透光率的变化。该传感器的响应时间小于3 0 s ，在 2 0 r h 8 0 r h 的范围内，探头透光率随环境湿度的增加而线性增加，并具有 很好的重复性。他们还对传感机理进行了研究。g e r h a r dj m o h r 等人【3 4 】研制了 一种检测水溶液中l 一丁胺的光纤传感器，其敏感材料包括两部分，一部分是将 荧光指示剂( 一种二苯乙烯的衍生物) 包埋在聚合物中形成薄膜，能可逆地与 待测物起化学反应；另一部分是将可产生磷光的钌( i i ) 双齿配合物( r u ( d p p ) ) 与 聚丙烯腈形成微珠，作为荧光指示剂的内部参考。将此两部分混合制成敏感膜， 其荧光强度随着溶液中1 一丁胺浓度的增加而下降，具有较好的对应关系。该传 感器具有较好的稳定性。 由上可知，人们对有机基质一有机指示剂敏感膜的研究主要包括指示剂和 敏感膜的制备、由此组成的光纤传感器对气体、离子、有机物等的检测，敏感 膜的传感特性等内容。这类敏感膜具有机械稳定性和光学稳定性较好、与基体 的附着力较强、不易产生裂纹等优点，但也存在缺点，如响应较慢、检测范围 不宽、聚合物膜有可能改变指示剂的光学性能等。另外，人们对敏感膜的传感 机理研究较少，而这方面的研究对揭示敏感材料与待测物质的作用实质，不断 改进和优化敏感膜的性能，具有重要的意义。因此，必须在原有指示剂的基础 上，研制新型指示剂和新型敏感膜，系统研究其传感机理和影响因素，研究和 优化敏感膜的制备条件，以适应在各种条件下检测更多待测物的需求。 1 1 2 3 光纤生物敏感膜 由于检测生物量的环境复杂，影响因素较多，并且生物光信号很弱，给生 物量的检测带来很大的困难。光纤生物传感器具有抗干扰能力强、稳定性好、 检测精度高等特点，其研究引起人们越来越广泛的重视。近年来人们对用于环 境监测、食品安全、临床医学、基因检测等方面光纤生物传感器进行了研究。 例如，地下水、河水和湖水中亚硝酸盐含量的不断增加给环境和人类带来 7 武汉理工大学硕士学位论文 严重的危害，c a r l ac r o s a 等人1 3 5 】研制了一种检测水中亚硝酸盐浓度的光纤生物 传感器，将细胞色素耐1 亚硝酸盐还原酶固定在具有可控孔径的玻璃微珠内，当 亚硝酸盐可逆地与酶的还原和氧化形式键合时，其反射光强将发生变化，由此 可检测亚硝酸盐的含量。传感器的响应时间小于l m i n ，检测下限为o 9 3 州，并 且可进行连续监测。再如，近年来对环境污染物的快速、准确的检测越来越重 要，基于消逝波的光纤生物传感器可用来检测最常见的爆炸物2 , 4 ，6 一三硝基甲 苯( t n t ) 【3 6 j 。i r i n ab b a k a l t c h c v a 等人【37 】研制了一种光纤生物传感器，可同 时检测t n t 和r d x ( 另一种常见爆炸物六氢化一1 ，3 ，5 一三硝基一三氮杂苯) ， 这是基于竞争免疫反应原理，抗t n t 或r d x 的抗体固定在光纤表面，荧光团 模拟物通过与抗原竞争结合到光纤表面位置，根据消逝波强度的变化，可获得 待测物的浓度，检测所需的时间也大大减少。 在食品安全检测方面，rs l a v y kj h o m o l a 等人【3 硼研制了一种光纤表面等 离子共振( s p r ) 生物传感器，用于检测食品中的葡萄糖球菌肠毒素b ( s e b ) 。 传感器的敏感部分是一段侧面磨光的单模光纤，并连接有金属薄层，其表面具 有表面等离子层。光纤中传播的光使表面等离子激发，当水作为相邻介质时， 使表面等离子激发的共振波长对与表面等离子及金属薄层相邻的介质折射率变 化很敏感，当待测物与固定在传感器表面的的生物分子识别体( 如抗体) 发生 作用时，就会引起其折射率的变化，从而引起共振波长的变化。该s p r 生物传 感器检测的最低浓度可达n g m l 级别，检测时间小于1 0 m i n 。下一步的工作是通 过利用第二种抗体减少漂移和噪声，提高传感器的稳定性和检测精度。 人们对用于临床医学检测的光学生物敏感材料和光纤生物传感器研究较 多。k i s h c n 等人【3 9 】研制了一种检测人唾液中链球菌的光纤生物传感器，以溴酚 蓝为指示剂，用溶胶一凝胶法将其固定在一段用化学刻蚀法除去包层的光纤上， 构建了一种光纤消逝波生物传感器，用来检测人唾液中m u t a n s 链球菌活性。含 胆碱磷脂是动物组织中常见的细胞组成部分，对其检测具有重要的l f 6 i 床意义， 可诊断出肝病等多种疾病。m d m a m z u e l a 等人 4 0 l 研制了一种用于检测血清样本 中的含胆碱磷脂的光纤生物传感器，其敏感材料包含两部分：一部分是将酶固 定在尼龙膜上形成的酶膜，另一部分是将r u ( n ) 的配合物r u ( d p p ) 3 c 1 2 分散在硅 酮膜中形成的氧敏感膜。磷脂在磷脂酶d 的作用下水解成胆碱，通过检测氧含 量的变化可实现对胆碱的检测。生物敏感膜的线性动态范围是0 0 8 3 0 0 m g m l 磷脂酰胆碱。研究了传感器的重复性、稳定性及其在血清样品检测中的应用。 8 武汉理工大学硕士学位论文 姜德生、黄俊等人【4 l 】用共价交联法将葡萄糖氧化酶固定于醋酸纤维素膜形成酶 膜，将荧光指示剂r u ( p h e n ) 3 c 1 2 固定于醋酸纤维素膜形成基于荧光猝灭原理的敏 感膜，由此组装成传感器探头。该传感器的最佳p h 范围是6 0 7 0 ，响应时间 较快，为3 0 s ，葡萄糖的检测范围为5 0 5 0 0 m g m l 。正常人血液中葡萄糖的含量 为8 0m g m l ，而糖尿病人血液中葡萄糖的含量比正常人高3 4 倍，因此，该传 感器有可能应用于实际临床检测。w a n - l ix i n g 等人 4 2 j 根据固定的半抗原与溶液 中游离的半抗原和对应抗体之间存在免疫竞争反应的原理，研制了一种可检测 游离半抗原的浓度光纤传感器，其检测精度可达n g m l 的量级。a t p 是生物组 织中非常重要的能量载体，对微量a t p 进行快速、准确的检测是分析生物化学 的一大难题。c a ij i n 等人【4 3 j 将由萤火虫提取的萤虫素酶直接固定在c n b r 活化 的琼脂糖凝胶上形成酶膜，d 一荧光素与a t p 及萤虫素酶作用，生成激发态的酶 与氧化荧光素的复合物，该复合物通过发射荧光回到基态，通过检测发光强度 就可检测a t p 的含量。该传感器在1 0 9 1 0 。5 m o l l 的范围内其最大光强与a t p 浓度具有线性关系，可用于血清中a t p 的检测。由于使用直接提取的萤虫素酶， 从而降低了成本。 近年来，人们对用于基因检测的光纤生物传感器进行了研究。h a r b a n ss d h a d w a l 等人 4 4 1 设计和研制了一种毛细管波导光纤传感器，用于核酸的检测。他 们采用一种双功能集成光、流体连接器，通过光纤环的排列使耦合光直接进入 毛细管壁，使含有荧光物质的涂覆层被消逝波激发而产生荧光，通过检测荧光 强度的变化来检测d n a 和r n a 。该传感器可对d n a 和r n a 进行在线检测， 最低检测浓度可达3 0 p g m l ，并可多次重复使用。 上述研究主要涉及环境监测、临床医学检测等领域，具有重要的意义和应 用价值，光纤生物传感器也表现出比传统电类传感器更大的优越性。但敏感膜 的性能易受水中氧的影响，其稳定性、响应时间、使用寿命等性能还有待于提 高，检测对象的范围还有待于拓宽，对敏感膜的传感机理缺乏深入系统的研究 等等，这些都是将来必须解决的问题。 1 1 3 有机一无机纳米复合材料 有机一无机纳米复合敏感材料是有机物和无机物按一定方式在纳米尺度上 进行复合，有可能兼顾两者的优点，获得具有所需性能的纳米复合敏感材料。 用于光纤传感器的光学敏感材料需要具有对待测物质的优异敏感性能，如快速 9 武汉理工大学硕士学位论文 的响应性、较好的重复性和稳定性、高度的选择性等，这也要求复合材料的两 相( 有机相和无机相) 以很小的尺度进行高度均匀的混和，即形成有机一无机 纳米复合敏感材料。 这类敏感材料的特点是：( 1 ) 与传统的复合材料不同，有机物分子与无机 物分子之间具有较强的相互作用，使材料同时具有有机物和无机物的优良特性。 ( 2 ) 由于复合过程一般在液相进行，有机物与无机物之间混合相当均匀，可制 备相当均匀的复合材料，这对控制材料的性能至关重要。( 3 ) 可以严格控制产 物材料的成分，在分子水平上进行设计，从而可制得一些传统方法难以获得或 根本得不到的材料。( 4 ) 可制取高纯度的材料，从而可满足一些特殊要求。由 于有机无机纳米复合材料具有诸多优点，所以有机无机纳米复合技术发展很 快，已经广泛用于材料研究中的许多领域，如结构材料、光学材料、涂膜材料、 自组装材料、超分子材料、电磁流变液材料等。近年来，人们已开始对用于光 纤传感器的有机一无机纳米复合光学敏感材料进行了研究。 美国弗吉尼亚理工大学的r i c h a r do c l a u s 教授 4 5 】近年来在用静电自组装技 术制各有机一无机纳米复合敏感材料方面进行了一系列研究。静电逐层自组装 技术用于光纤传感器具有独特的优点，其中主要是可以选择多种聚合物结构， 可形成稳定的纳米结构，可以精确控制薄膜厚度至分子量级，基片材料可以是 金属、塑料、陶瓷和半导体材料，并且在非平面的基片上也可形成光学均匀的 薄膜。该技术的多功能性可使其用于制备纳米f p 干涉议、光纤光栅、光纤气敏 感器、光纤湿度传感器。例如，他们用分子自组装方法将无机铂纳米粒子和聚 合物s 1 1 9 在单模光纤的端面组装成多层光学敏感薄膜，敏感膜厚度为几十纳 米，其反射光强将随环境湿度变化而变化。由此研制了一种光纤湿度传感器以 实现对病人的呼吸诊断，其响应速度较快，重复测定误差小于1 ，但使用寿命 不大理想。 姜德生等人】研究了有机一无机纳米复合敏感材料，他们采用热聚法甲叉 双丙烯酰胺( m b b a ) 聚合并共价交联在硅烷化的无机玻璃微珠上，同时将指示 剂r u ( p h e n ) 3 c 1 2 物理包埋于聚合物中，在玻璃微珠表面形成敏感薄膜，并由此组 成基于荧光猝灭原理的光纤氧气传感器。传感器的响应时间小于1 0 s ，检测下限为 5 p p m ，重复测量标准偏差为1 ，敏感材料使用寿命超过8 个月。尤其是检测 水溶液中指示剂泄漏很少，适用于对水中溶解氧的检测。他们并且制备了壳聚 糖- f e 3 0 4 纳米复合微球，并以此为载体，以戊二醛为交联剂，通过共价结合制