氧敏感膜聚合物基質材料對熒光猝滅性能的影響研究

王智文 屈發進 趙雅文 汪巖屹 陳初升*

1（中國科學技術大學材料科學與工程系，合肥230026）2（中國科學技術大學先進技術研究院，合肥 230031）

氧氣是維持生物生命活動的重要物質，也是工農業生產的重要原料。及時準確地檢測氣態氧氣或液相溶解氧濃度對于人們的生產和生活均具有重要的實際意義[1]。光學氧傳感技術是一種基于熒光猝滅原理的傳感技術，具有高靈敏度、快速響應時間、不消耗氧氣和過程可逆等優點，在各領域中得到越來越廣泛的應用[2]。

熒光是一種光致發光現象，處于基態的熒光指示劑分子（M）吸收特定波長的入射光能量后，進入具有振動能級的激發態（M*），激發態返回基態發射熒光，發射過程如式（1）和（2）所示。熒光發射過程中，熒光分子與其它分子發生作用而出現的光強度降低、發光時間縮短的現象稱為熒光猝滅。氧氣是最常見的熒光猝滅劑，能量較低的三線態氧分子（O23）能夠吸收激發態的熒光指示劑分子能量，發生熒光動態猝滅（式（3））[3-4]。

熒光氧傳感器是一種基于氧氣的熒光猝滅原理的傳感器，其熒光強度或壽命與氧濃度之間的定量關系遵循Stern-Volmer（SV）方程（式（4））[5]：

式中，I0和τ0分別為完全無氧狀態下的熒光強度和壽命，I和τ為存在氧氣環境下的熒光強度和壽命，[O2]為氧濃度或者氧分壓，Ksv為Stern-Volmer 猝滅常數。

氧敏感膜是熒光氧傳感器的核心組成部分，通常采用聚合物作為基質，在其中分散熒光指示劑制備而成[6]。四（五氟苯基）卟吩鉑（PtTFPP）具有高熒光量子產率、長熒光壽命、大斯托克斯位移和良好的光化學穩定性等優點，是理想的熒光指示劑[7-8]?；|材料的氧氣滲透性在氧敏感膜中起重要作用，影響傳感器的靈敏度、精確性和響應時間等參數。聚氯乙烯（PVC）、聚苯乙烯（PS）和乙基纖維素（EC）等聚合物具有高透光率、環保無毒和低成本等特點，因此常作為熒光氧傳感器敏感膜的基質使用。

通過熒光相位測量熒光壽命具有帶寬小和抗干擾能力強的優點，是熒光氧傳感器信號檢測技術發展的主流方向[9-10]。鎖相放大技術常用于交變信號相位檢測，基于AD630 調制解調芯片的模擬鎖相放大技術用于熒光相位檢測具有器件少和分辨率高等優點[11]，但也存在電路同頻困難和噪聲大的問題，采用現場可編程邏輯門陣列數字正交鎖相放大技術能夠有效克服模擬鎖相同頻困難的缺點，大幅提高檢測精度，但電路更復雜，器件成本也較高[12]。

異或門（XOR）鑒相是一種電路簡單的相位測量方法。本研究在異或門模擬鑒相電路用于熒光相位檢測[13]的基礎上，將其改進為數字鑒相電路，即脈寬測量采用微控制器的輸入捕獲功能，避免模擬鑒相電路中低通濾波和模數轉換引入誤差。以PtTFPP 為熒光指示劑，選用氧氣滲透系數差異較大的3 種聚合物PVC、PS 和EC 作為基質，采用刮刀涂膜工藝制備熒光氧敏感膜。利用自建的熒光相位測量裝置，測量氧敏感膜在不同氧分壓氣氛下的熒光壽命，并考察了相對濕度對不同基質材料對熒光壽命的影響。通過循環切換腔體的氧分壓，觀察熒光相位的動態變化，研究了基質材料對氧敏感膜響應性能的影響。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

D0719B 氣體質量流量控制器（北京七星華創公司）；F-7000 熒光分光光度計（日本日立公司）；VAC-V2 壓差法氣體滲透儀（濟南蘭光機電技術有限公司）；T330 光學接觸角儀（瑞典Biolin 科技公司）；熒光相位測量系統和動態配氣裝置（自建）。

PS、PVC、EC、四氫呋喃、無水乙醇、甲苯和三氯甲烷均購于國藥集團化學試劑有限公司；PtTFPP 購于美國Frontier Scientific 公司。所用試劑均為分析純。

1.2 高分子基質膜的制備

將PS、PVC 和EC 分別與三氯甲烷、四氫呋喃和甲苯-乙醇（4∶1，m/m）混合液混合并充分攪拌直至溶解，得到質量分數為20%的3 種聚合物溶液[14]。采用刮刀涂膜工藝將聚合物溶液在玻璃板上制膜，刮刀高度設置為300 μm。待所涂覆薄膜中的有機溶劑完全揮發，得到厚度約為30 μm 的PVC、PS 和EC 薄膜。

1.3 氧敏感膜的制備

參考文獻[15]的方法，采用刮刀涂膜工藝制備氧敏感膜。將熒光指示劑PtTFPP 在充分攪拌下溶解于四氫呋喃中，制備質量分數為0.2%的PtTFPP 溶液（溶液1）。將PS、PVC 和EC 分別與三氯甲烷、四氫呋喃、甲苯-乙醇（4∶1，m/m）混合液混合并充分攪拌直至溶解，得到質量分數為20%的3 種聚合物溶液（溶液2）。隨后按質量比1∶2 將溶液1 與溶液2 混合并充分攪拌均勻，得到含有熒光指示劑的聚合物復合溶液。將聚合物復合溶液分別在聚苯二甲酸乙二醇酯（PET）膜帶上制膜，設定刮刀高度100 μm，待所涂覆薄膜中的有機溶劑完全揮發，得到負載于PET 膜帶上的厚度為10～20 μm 的氧敏感膜。

1.4 高分子基質膜水接觸角和氧滲透性能測量

水接觸角采用T330 光學接觸角儀測量，采用座滴法[16]，液滴體積為4 μL，接觸角取為同一樣品上不同位置至少5 次測量的平均值。采用國標（GB/T1038-2000）壓差法[17]測量高分子基質膜氧滲透系數。

1.5 氧敏感膜熒光性能測量

采用異或門數字鑒相電路測量熒光相位，原理如圖1 所示，以STM32F103 系列微控制器為核心處理器，以中心波長為400 nm 的紫光LED 為激發光光源（LED1），微控制器（MCU）產生4 kHz 方波脈寬調制信號（MOD1），經多級積分和放大轉換形成同頻率正弦信號（MOD2）給LED 供電。激發光經短波通濾光片（OF1）照射氧敏感膜，發射熒光光波為與激發光同頻率的正弦光波信號；經長波通濾光片（OF3），采用PIN 光電二極管（PD）光電轉換、交流放大（AMP）和帶通濾波（BP）、過零檢測電路（COMP），由正弦信號轉換成同頻率方波信號。熒光方波信號與激發光方波信號同時輸入異或門邏輯運算芯片，輸出信號轉變為8 kHz 頻率脈沖信號，其脈沖寬度（占空比）大小代表熒光與激發光相位差，脈寬測量采用微控制器的輸入捕獲功能。由于電路中使用了多個電容，并且各級電路存在寄生電容和電感，會造成電路延時，因而在電路中同時設置中心波長630 nm 的紅光LED2 作為參考光源，用于消除光電轉換和信號調理電路中由于溫度或其它因素導致的相位差測量偏差。熒光壽命可由式（5）計算[18-19]：

圖1 熒光相位測量原理圖Fig.1 Schematic of fluorescence phase measurement

高壓氣瓶的氮氣和氧氣分兩路，采用質量流量控制器調節兩種氣體比例來控制測試氣體氧分壓大小。濕度調節實驗采用鼓泡加濕法，測試氣體一路通過盛水廣口瓶鼓泡增加濕度，另一路不加濕，調整兩路閥門控制濕度大小，混合后氣體經過濕度測量后再通入測試腔測試。為了提高可調節的最大濕度，可以選擇在廣口瓶中盛放熱水進行鼓泡加濕，經實驗測量，采用該方法相對濕度最大可控制在94%，故相對濕度調節范圍為0～94%。

2 結果與討論

2.1 聚合物基質的氧滲透性能和親疏水性

通過氧氣滲透實驗對3 種聚合物膜PVC、PS 和EC 進行測試。三者的氧氣滲透系數分別為9.04×10–15、3.22×10–13和9.62×10–13cm3·cm/（cm2·s·Pa），其中PVC 的氧氣滲透系數最小，這是由于其存在一定的結晶態[14]，阻礙了氧氣的擴散。

水接觸角可以反映材料的親疏水性。如圖2 所示，EC 膜的水接觸角最?。?0°），而PS 和PVC 膜的接觸角較大，分別為85°和89°，表明EC 具有較強的親水性。這可能是因為其分子結構中含有C—O 親水基團，而PS 和PVC 的分子結構中不含C—O 或H—O 親水基團，因此二者的親水性較弱。

圖2 聚合物膜水接觸角測量：（A）乙基纖維素（EC）；（B）聚苯乙烯（PS）；（C）聚氯乙烯（PVC）Fig.2 Water contact angles of polymer films: (A) Ethyl cellulose (EC);(B) Polystyrene (PS);(C) Polyvinyl chloride (PVC)

2.2 熒光發射和氧猝滅

圖3A 和3B 為PVC、PS 和EC 聚合物基質的熒光氧敏感膜分別在395 nm 紫外燈和日光燈照射下的照片。不同聚合物基質的熒光氧敏感膜都呈現均勻的紅光發射，其中以PVC 為基質的敏感膜具有最高的發光強度，其次是PS，EC 的發光強度最弱。圖3C 為3 種敏感膜的熒光光譜，發射峰值在650 nm 附近，與PtTFPP 熒光發射峰一致，表明聚合物膜中的熒光發射來自于PtTFPP[20]。熒光強度的順序為PVC＞PS＞EC，與聚合物的氧滲透系數大小順序相反。氧氣滲透系數越小，空氣中的氧氣分子越難滲入膜內部，氧分子對激發態的熒光指示劑分子的猝滅作用較弱，因此熒光發射強度較大。

圖3 聚合物基質氧敏感膜在空氣中紫外燈（λem=395 nm）下（A）和日光燈下（B）的照片；（C）聚合物基質氧敏感膜的熒光發射光譜（λex=390 nm）Fig.3 Photos of oxygen-sensitive films with PVC,PS and EC as matrices under UV lamp (λem=395 nm)irradiation(A)and under white light(B)in air;(C)Fluorescence emission spectra of oxygen sensing films excited at 390 nm.

圖4 展示了不同基質氧敏感膜的熒光相對壽命隨氧分壓變化的曲線。對于以PVC 為基質的敏感膜，由于其氧滲透系數較低，無論熒光分子處于表層還是內部，與氧分子發生碰撞的概率都較低，導致猝滅作用較弱，因此其Stern-Volmer 曲線符合單位點模型。而對于以PS 和EC 為基質的敏感膜，其熒光相對壽命隨氧分壓的變化在高氧和低氧段偏離線性關系，這是因為敏感膜的表層和內部的氧濃度不同。熒光猝滅作用可分為猝滅效應較強和猝滅較弱部分，因此采用修正的雙位點模型進行擬合（式（6））[5]：

圖4 聚合物基質氧敏感膜的Stern-Volmer 曲線Fig.4 Stern-Volmer plots for oxygen-sensitive films with different polymer matrices

式中，f1和f2為兩部分所占百分比，二者之和等于1；Ksv1和Ksv2分別為猝滅效應較強和較弱部分的猝滅常數。

KSV常數大小直接反映熒光氧猝滅效應的強弱，即敏感膜對氧濃度變化的靈敏程度。由表1 可知，3 種聚合物基質的KSV常數大小順序為EC ＞PS ＞PVC，這與氧氣分子在這些聚合物中的滲透系數大小順序一致。EC 具有最大的氧氣滲透系數和KSV常數，這是因為氧氣在EC 基質膜中的擴散速度較快，導致熒光分子與氧分子的碰撞概率增加，從而強化了熒光猝滅效應。隨著氧分壓增加，熒光發射強度和壽命迅速下降。例如，在無氧的氮氣氣氛下，熒光壽命為79.5 μs，而當氧分壓增加到10 kPa 時，熒光壽命減至12.3 μs。如果光源調制頻率保持不變，高氧分壓時測量誤差會增大。因此，以EC 為基質的氧敏感膜只適用于低濃度氧含量或痕量氧檢測。PS 的氧滲透系數和KSV常數次之，氧猝滅效應居中，在中高氧濃度下仍有較強的熒光發射，故適合于中高氧濃度的測量。PVC 的氧滲透系數和KSV常數最小，氧猝滅效應也最小，當氧分壓達20 kPa 時，熒光信號仍然較強，壽命仍達25.9 μs，因此適用于高氧濃度的測量。

表1 聚合物基質氧敏感膜基于雙位點Stern-Volmer方程的擬合結果Table 1 Fitting results of the two-site Stern-Volmer equation for oxygen sensing films with different polymer matrices

圖5 展示了3 種聚合物基質氧敏感膜的熒光壽命隨相對濕度變化的曲線。對于以PS 和PVC 為基質的敏感膜，無論在無氧還是有氧的氣氛下，熒光壽命幾乎不受相對濕度影響。然而，以EC 為基質的氧敏感膜在無氧氣氛下不受相對濕度影響，但在有氧氣氛下，熒光壽命隨相對濕度增加而增大。這是因為EC分子結構中含有C—O 親水基團，導致水分子易于在膜表面凝聚，阻礙了氣相中的氧分子進入膜內，減小了熒光猝滅效應，因此其熒光壽命隨濕度增大而增加。相反地，PS 和PVC 分子結構中不含親水基團，水分子不易在膜表面凝聚，因此二者的熒光壽命不受濕度變化的影響。

圖5 聚合物基質氧敏感膜（A）EC、（B）PS 和（C）PVC 的熒光壽命隨濕度變化曲線Fig.5 Fluorescence lifetime as a function of humidity for oxygen-sensitive films with polymer matrix of(A)EC,(B) PS and (C) PVC

2.3 氧敏感膜的動態響應特性

動態響應特性是氧敏感膜的重要指標，通常用響應時間衡量[21]。響應時間是指敏感膜熒光信號達到或接近穩定值所需的時間，通過循環切換氣氛進行測量。以EC 為基質的氧敏感膜具有強烈的氧猝滅效應，因此在低氧分壓區間（0～2 kPa）進行氣氛循環切換，而PS 和PVC 氧敏感膜在較高氧分壓下仍然顯示出較強的熒光信號，所以在氮氣-空氣氣氛之間進行循環切換。設置采樣周期為0.5 s，將氣體切換開始至相位信號變化到穩定值的90%所需時間定義為響應時間。圖6 為3 種氧敏感膜的動態響應曲線，并將響應時間和恢復時間列于表2。EC 的響應時間較快，在從氮氣氣氛切換到2 kPa 氧分壓的相位測量過程中，t（90）↓為5.0 s；從2 kPa 氧分壓切換回氮氣氣氛的相位測量過程中，t（90）↑為8.5 s。PS 的動態響應比PVC 快，PS 的響應時間t（90）↓和恢復時間t（90）↑分別為5.5 s 和10.0 s，而PVC 分別為30.5 s和32.0 s。這些響應時間的長短順序與聚合物基質的氧氣滲透速率的大小順序一致。此外，從低氧到高氧的響應時間比從高氧到低氧的恢復時間短，說明氧氣從氣相進入聚合物內部的過程比反向過程快。

表2 氧敏感膜在不同氧分壓切換測試條件下的響應特性。Table 2 Response characteristics of oxygen-sensitive films when switching alternately between different oxygen partial pressures

圖6 聚合物基質氧敏感膜的相位動態響應曲線：（A）EC 在氮氣和2 kPa 氧分壓之間切換；（B）PS 和PVC 在氮氣和空氣之間切換Fig.6 (A) Phase changes of EC-based oxygen-sensitive films with alternate exposure to nitrogen and to 2 kPa oxygen;(B)Phase changes of PS-based and PVC-based oxygen-sensitive films with alternate exposure to air and to nitrogen

3 結論

本研究構建了異或門數字鑒相電路用于熒光相位測量，以EC、PS 和PVC 聚合物為PtTFPP 熒光指示劑的基質，探究了聚合物材料的氧滲透速率、親疏水性與熒光氧猝滅性能之間的關系。實驗結果表明，PVC 具有較低的氧滲透系數，其熒光壽命與氣相氧分壓符合單位點Stern-Volmer 方程，顯示膜表層和內部的熒光分子與氧分子的猝滅作用較弱且無顯著差異。相比之下，EC 和PS 具有較高的氧滲透系數，其熒光壽命與氧分壓的關系符合雙位點Stern-Volmer 方程，表明在聚合物膜表層和內部，熒光指示劑與氧分子的猝滅作用存在差異。EC 的KSV最大，PS 次之，PVC 最小，與聚合物的氧滲透系數大小順序一致。此外，EC 具有較強的親水性，導致其熒光壽命在含氧氣氛中隨濕度增加而延長，而對于偏疏水的PS和PVC，熒光壽命保持不變。根據熒光氧猝滅效應的強弱，EC、PS 和PVC 基質分別適用于低、中高和高氧濃度的測量。本研究結果有助于理解聚合物基質對熒光氧猝滅的影響，為熒光猝滅型氧傳感器的設計提供了參考。