氧敏荧光纳米聚合物胶囊在溶解氧传感器中的应用

郭飞，蔡晨鑫，宁杰

（1.浙江工业大学海洋学院，浙江杭州310014；2.浙江工业大学化学工程学院，浙江杭州310014）

氧敏荧光纳米聚合物胶囊在溶解氧传感器中的应用

郭飞1，蔡晨鑫2，宁杰2

（1.浙江工业大学海洋学院，浙江杭州310014；2.浙江工业大学化学工程学院，浙江杭州310014）

根据可逆加成断裂链/链转移(RAFT)细乳液聚合法制备包裹有荧光指示剂的纳米聚合物胶囊，并将该纳米聚合物胶囊制备成氧敏荧光膜应用于溶解氧传感器中，结果表明：该溶解氧传感器具有良好的可逆性、重复性，响应时间13.5 s，灵敏度为2.35。其工作曲线呈非线性，相关系数R2=0.999，符合非均相系统的“two-site”模型。其检测极限为0.21 mg/L(n=10)，在0.21～8.96 mg/L范围内可以很好地检测溶解氧含量。

溶解氧；光学氧传感器；纳米聚合物胶囊

0 引言

溶解氧是一个非常重要的参数，在很多领域都有重要意义。例如在水体检测和水产养殖中，溶解氧不仅与水生生物的生存紧密相关，而且直接反应水体水质的好坏情况，在自然水体检测和污水处理中有重要应用；在临床诊断中，人体血液中的溶解氧是人体健康状况的一个重要指标；另外，溶解氧还在发酵、有机合成和食品发酵等过程控制中有着重要意义[1-4]。溶解氧的检测方法主要有碘量法、电化学传感器法、光学传感器法等等，其中光学传感器以其具有检测不耗氧、耐腐蚀、无参考电极、抗电磁干扰、完全的可逆性等优点备受欢迎，其中基于荧光猝灭原理的光学传感器以其简单的原理和操作更是成为研究热点[5-6]。

氧气对某些荧光物质有猝灭作用，荧光猝灭原理可用Stern-Volmer方程[7]表述。

其中τ0，Ι0，τ，Ι分别代表无氧条件和有氧条件下的荧光寿命和荧光强度，KSV是Stern-Volmer常数，[O2]是氧浓度。所以可通过检测荧光强度和荧光寿命来计算溶解氧含量。荧光强度易受外界条件干扰，影响检测结果，而荧光寿命是荧光物质的本征属性，不受外界干扰，但由于荧光寿命极小，故对仪器要求较高。方程(1)适用于均相系统，但通常所制备的氧敏荧光膜是非均相系统，需选用适于非均相系统的“two-site”模型[8-10]。

其中τ0，Ι0，τ，Ι分别代表无氧条件和有氧条件下的荧光寿命和荧光强度，f代表一种荧光微相的部分，KSV1是该微相的Stern-Volmer常数，KSV2是另一微相的Stern-Volmer常数，对于非荧光物质，KSV2=0，[O2]是氧浓度。

光学溶解氧传感器的性能受氧敏荧光膜基质和指示剂的固定方法影响。氧敏荧光膜基质主要有硅烷类和烯烃类聚合物两类，基质的网状孔隙率、孔道大小和基质分子的极性影响着氧分子的渗透性，氧分子在基质中的扩散速率关乎溶解氧传感器性能。指示剂的固定关乎溶解氧传感器的应用和寿命，固定不牢，容易造成指示剂的泄露，缩短传感器的寿命，对传感器的准确性也会造成影响。荧光指示剂固定方法是化学法和物理法[11]，其中化学法由于需要在指示剂分子上添加活性基团，影响荧光指示剂的荧光性质，在应用上受到局限。物理法是通过分子间相互作用力、氢键、离子键等将指示剂固定到基质膜中，由于其操作简单，不会对指示剂性质造成影响，所以受到广泛关注，特别是溶胶凝胶法，备受瞩目。然而由于指示剂分子与基质分子间的作用力比较弱，容易造成指示剂的泄露。近年来，应用纳米聚合物胶囊包埋荧光指示剂开始受到关注，Cheng-Shane Chu等[12]通过溶胶凝胶法制备包裹荧光指示剂的二氧化硅纳米胶囊，用其组装的光纤氧传感器灵敏度达到了117。

可逆加成断裂链/链转移(RAFT)细乳液聚合法是制备纳米聚合物胶囊的一种重要方法[13-15]。本文通过RAFT细乳液聚合法制备包埋有荧光指示剂的纳米聚合物胶囊并用其制备氧敏荧光膜，组装了实验室用溶解氧传感器。

1 实验部分

1.1 主要仪器与试剂

JY92-Ⅱ型超声细胞粉碎机(宁波新芝生物科技有限公司)；溶解氧传感器(杭州和迈科技有限公司)。

4-氰基-4-(十二烷基硫烷基硫代羰基)硫烷基戊酸(CDPA，J&K Scientific)；4,4'-偶氮双(4-氰基戊酸)(V501，98%，Aldrich)；三(4-7-联苯-1，10-邻菲啰啉)二氯化钌(II)(Ru(dpp)3Cl2,AR)作为氧敏荧光指示剂由阿法埃莎(天津)化学有限公司提供。甲基丙烯酸十二氟庚酯(DFMA，AR，上海思域化工科技有限公司)；二乙烯基苯(DVB，AR，上海麦克林生化科技有限公司)；偶氮二异丁腈(AIBN，五联化工厂)；甲基丙烯酸甲酯(MMA，AR)、甲基丙烯酸(MAA，AR)、1,4-二氧六环(AR)、正己烷(AR)、石蜡(AR)、氢氧化钠(NaOH，AR)、亚硝酸钠(NaNO2，AR)、十二烷基硫酸钠(SDS，AR)、浓硫酸(H2SO4，AR)均由上海国药集团化学品试剂有限公司提供。

1.2 包埋有荧光指示剂的纳米聚合物胶囊的制备

双亲性大分子RAFT试剂由RAFT溶液聚合合成[11，13]：将8.0 g的甲基丙烯酸、7.0 g的甲基丙烯酸甲酯、0.4 g 4，4-偶氮-二（4-氰基戊酸）和2.0 g 4-氰基-4-（十二烷基硫烷基硫代羰基）硫烷基戊酸溶于60 g的二氧六环溶剂中，在80℃条件下聚合8 h，减压蒸除溶剂制得双亲性大分子RAFT试剂。

根据文献所述方法制备包埋有荧光指示剂的纳米聚合物胶囊的制备[11]：将3.0 g双亲性大分子RAFT试剂与54.2 g去离子水配制成水溶液作为水相，加入由3.5 g MMA、1.5 g DVB、0.021 g AIBN、2.5 g石蜡和0.01 g Ru(dpp)3Cl2组成的油相并混合均匀，经超声粉碎15 min制得细乳液；将细乳液在80℃条件下进行RAFT活性自由基细乳液聚合反应，反应9 h后冷却，对所得乳液离心分离并分别用无水乙醇和去离子水洗涤，制得包埋有荧光指示剂的纳米聚合物胶囊。

1.3 溶解氧传感器的组装

配制一定比例含有氧敏荧光纳米聚合物胶囊的乙醇溶液，通过旋涂法在室温下制备氧敏荧光膜。将氧敏荧光膜组装到氧传感器探头上，如图1所示。

图1 光学氧传感器探头示意图

溶解氧传感器是根据相位移法检测的，由于Ru(dpp)3Cl2的激发光谱和发射光谱分别为470 nm和600 nm，所以选用商用蓝色LED灯和红色LED灯分别作为激发光和补偿光光源，如图1，蓝光通过470 nm的偏振滤光片照射到氧敏荧光膜上，荧光指示剂受激发发射不同相位的红光，被中心的接收窗口(含600 nm偏振滤光片)接收转化为电信号，与蓝光相同位移的红光经反射被中心窗口接受转化为电信号，二者比较得出由于蓝光激发引起的相位移信号，进一步转化为荧光寿命信号。

1.4 溶解氧传感器动态响应曲线测试和工作曲线的标定

将溶解氧传感器探头放入无氧水(饱和Na2SO3溶液)中，每15 s读取一个数据，读取30个数据后快速放入有氧水(空气饱和水)中，亦读取30个数据，如此交替进行，测得溶解氧传感器的动态响应曲线。

标定工作曲线的方法如图2所示，一定比例的氮气和氧气混合后通入水中，制得具有一定溶解氧含量的水，分别用溶解氧传感器和市售哈希溶氧仪测试水中的溶解氧含量，得到溶解氧传感器的工作曲线数据。

2 结果与讨论

2.1 包埋有荧光指示剂的纳米聚合物胶囊

图2 工作曲线标定实验示意图

图3 包埋有荧光指示剂的纳米聚合物胶囊的TEM图

从图3可以看出，包埋有荧光指示剂的纳米聚合物胶囊呈球形，具有核壳结构，中心黑色区域是荧光指示剂，边缘灰色区域是交联的甲基丙烯酸聚合物。

2.2 溶解氧传感器的性能

溶解氧传感器的动态响应曲线如图4A所示。从图中可以看出，溶解氧传感器具有良好的可逆性，响应时间为13.5 s，灵敏度为2.35。由于包含有荧光指示剂的纳米聚合物胶囊为微观非均相系统，符合“two-site”模型，故而溶解氧传感器的工作曲线是非线性的，如图4B所示，根据标定实验得到的工作曲线(R2=0.999)也证明了这一点。该溶解氧传感器的检测极限为0.21 mg/L(n= 10)。因此，该溶解氧传感器在0.21～8.96 mg/L范围可以很好地检测溶解氧含量。

图4 溶解氧传感器的动态响应曲线(A)和工作曲线(B)

3 结论

应用包埋有荧光指示剂的纳米聚合物胶囊制备了溶解氧传感器，表现出良好的可逆性、重复性，响应时间为13.5 s，灵敏度为2.35。工作曲线呈非线性，相关系数R2=0.999，符合非均相系统的“two-site”模型。其检测极限为0.21 mg/L(n=10)，可以在0.21～8.96 mg/L范围很好地检测溶解氧含量。

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Application of Oxygen Sensitive Fluorescent Nanocapsules in Dissolved Oxygen Sensor

GUO Fei1，CAIChen-xin2，NING Jie2
（1.Ocean College，Zhejiang University of Technology，Hangzhou，Zhejiang 310014，China;2.College of chemical Engineering,Zhejiang University of Technology,Hangzhou，Zhejiang 310014,China）

A oxygen sensitive fluorescent nanocapsule was synthesized via interfacial confined reversible addition fragmentation chain transfer(RAFT)miniemulsion polymerization.The oxygen sensitive film was prepared with the nanocapusles and applied in a dissolved oxygen sensor to testing the oxygen sensing performance.The results showed that the dissolved oxygen sensor possessed excellent performance with full reversibility and repeatability,fast response time(13.5 s),good sensitivity(2.35).Its work curve was nonlinear and conform to the two-site model(R2=0.999)which applies to the heterogeneous systems.The limit ofdetection ofthe dissolved oxygen sensor was 0.21 mg/L(n=10)and it could work well in 0.21～8.96 mg/L.

dissolved oxygen;optical oxygen sensor;nanocapsules

1006-4184（2017）8-0021-04

2017-02-26

浙江省自然科学基金项目(LY15B060006)；国家自然科学基金项目(21104066)。

郭飞，男，山西大同人，硕士研究生。E-mail：guofeics@163.com。