聚乙烯醇-八乙基铂卟啉测定有机溶剂中溶解氧

2015-10-16朱振中

分析科学学报 2015年5期

陈旸，朱振中*

(江南大学化学与材料工程学院，江苏无锡 214122)

溶解氧的检测一直以来都是生物、医学以及环境监测等领域关注的重点[1 - 3]。溶解氧测定的方法很多，主要有碘量法[4]、电化学法[5,6]、分光光度法[7]和荧光分析法[8]。其中，碘量法是应用最早的溶解氧测定的国家标准方法之一，该方法虽测量较为准确，但步骤繁琐，时间冗长且无法在线分析。电化学法虽可实现在线检测，但测量过程中会不断消耗样品中的氧，并要不停地对样品进行搅拌。分光光度法操作简便，但准确度有待提高。荧光分析法是利用分子氧对特定的荧光物质有荧光猝灭作用，该方法不仅可以在线检测，而且不消耗样品中的氧，灵敏度高、操作简便且检出限低，因此，近年来溶解氧传感器的研究主要集中在光学溶解氧传感器。光学溶解氧传感器的性能主要取决于较长荧光寿命的氧敏感指示剂和对氧通透性好的膜基质材料。氧敏感指示剂的研究已有报道，主要有有机染料[9]、多环芳烃[10]、过渡金属络合物[11,12]和金属卟啉类配合物[13]这几类。其中，金属卟啉类配合物的运用最为广泛。而铂卟啉配合物因具有较长的荧光寿命，在室温下有极强的荧光，发射光谱在可见区斯托克斯位移较大，以及荧光寿命长达ms级等优点成为研究的热点。

在众多的溶解氧传感器中，大多数都是用来测定水中溶解氧或者是气体中的分子氧。而关于有机溶剂中溶解氧的检测报道较少[14]。然而有机溶剂中的溶解氧不仅会影响有些有机反应的进程，还可能会加速生产设备的腐蚀。因此，寻找快速、准确测定有机溶剂中溶解氧的方法非常重要。Velasco-Garcia等[15]曾使用[Ru(bpy)3]2+为氧敏剂，有机改性凝胶作为载体制备氧敏感膜，但步骤较为复杂。Jin等[16]也使用[Ru(bpy)3]2+为氧敏剂，利用电化学法测定有机溶剂中的溶解氧。本文选用八乙基铂卟啉(PtOEP)作为氧敏感指示剂，聚乙烯醇(PVA)为前驱体，制备出了机械性、柔韧性和透明性都比较理想，并在有机溶剂中稳定性良好且对溶解氧有灵敏响应的氧敏感膜。该方法操作简单、检出限低且重现性好，可循环使用多次，稳定性极高。

1 实验原理

八乙基铂卟啉具有荧光特性，当有分子氧存在时其荧光强度会减弱，即氧气对其荧光有猝灭作用，且荧光强度与氧气浓度的关系遵循Stern-Volmer方程[17]：

I0/I=1+KSV[O2]

(1)

其中，I0与I分别为无氧和有氧状态下的荧光强度；[O2]为溶解氧的浓度；KSV为Stern-Volmer常数，对于待测定的试样其为定值。

2 实验部分

2.1 仪器与试剂

Cary Eclipse荧光光度仪(美国，瓦里安公司)；BT00-100M微型蠕动泵(保定兰格恒流泵有限公司)；磁力搅拌器(江苏常州国华仪器厂)；低温恒温槽SDC-6(宁波天恒仪器厂)；电热恒温鼓风干燥箱(上海新苗医疗机械有限公司)。

1,3-丁二醇、三氯甲烷、甲苯、N-N二甲基甲酰胺(DMF)、无水乙醇、NaOH(国药集团化学试剂有限公司)；PtOEP(Sigma-Aldrich)；PVA(广州化学试剂玻璃仪器批发部)；N2、O2(纯度均为99.9%，无锡新南化学气体有限公司)。实验用水为超纯水。

图1 实验装置原理图Fig.1 Schematic diagram of the experimental set-up

2.2 实验装置

实验装置如图1所示。在两个带盖试剂瓶中分别有N2饱和与O2饱和的待测试样，它们分别连接一个蠕动泵，通过调节蠕动泵的流速来调节N2饱和及O2饱和有机溶剂的比例，待测试样流入三通阀后混合成不同溶解氧浓度的溶液，然后进入含氧敏感膜的比色皿中在荧光仪上测定其荧光强度。

2.3 氧敏感膜的制备

将适量的PVA溶解于90 ℃的超纯水中，强力搅拌至溶液澄清透明后，加入适量的PtOEP溶液，再搅拌均匀后涂布于事先用NaOH溶液和无水乙醇清洗处理并干燥过的载玻片(2.5×0.8×0.1 cm)上。将膜片置于烘箱中老化48 h，冷却至室温，待用。

3 结果与讨论

3.1 PVA加入量对成膜效果的影响

分别溶解0.5、1.0、1.25、1.5、2.0 g PVA于15 mL超纯水中，搅拌至溶液澄清透明后涂膜，待膜片干燥后观察膜形态。结果表明，当PVA加入量为0.5 g时，无法成膜；加入1.0 g时，不易成膜，即使成膜也极易破裂；当加入量为1.5 g时，膜片的形态较好，膜体均匀透明且柔软没有气泡；当加入量为2.0 g时，膜片柔软，但不均匀，有较多气泡。影响膜片成膜的是混合溶液的粘度，当相同体积溶剂内溶解的PVA量较少时，溶液粘度太低，无法在载玻片上成膜或者形成的膜片柔韧性太低。当相同体积溶剂内溶解的PVA量过多时，溶液粘度过高，涂膜在载玻片老化干燥过程中会形成较多的气泡，影响膜片的性能。

3.2 氧敏剂浓度的影响

在涂膜量相同的条件下，以1,3-丁二醇为试样，分别测定八乙基铂卟啉的浓度为1.0×10-6、1.0×10-5、1.0×10-4、1.0×10-3、1.0×10-2mol/L时，氧敏感膜在N2饱和与O2饱和的有机溶剂中的荧光强度，并计算氮氧猝灭比I0/I值，分别为2.15、4.24、6.30、12.57和12.25。当PtOEP浓度为1.0×10-3、1.0×10-2mol/L时I0/I值较大，说明在这两个浓度下的荧光强度较高。当氧敏剂浓度较低时，荧光强度较弱，测量误差大且灵敏度低；当氧敏剂浓度过高时可能会导致荧光的自猝灭行为。本实验选用八乙基铂卟啉的浓度为1.0×10-3mol/L。

3.3 氧敏剂加入量的影响

在同等的实验条件下，分别将1.0×10-3mol/L的PtOEP溶液0.2、0.5、1、1.5、2、2.5和3 mL加入体系，制备得到氧敏感膜后分别进行荧光响应的检测，其I0/I值分别为3.35、4.87、8.38、11.64、13.48、14.07和14.75。实验结果表明，荧光强度随着氧敏剂浓度的增大而升高，I0/I值也在逐渐增大。但是当氧敏剂加入量达到2 mL，荧光响应值最大，当氧敏剂加入量达到3.5 mL时发生了荧光自猝灭，荧光响应值有部分下降。而且当氧敏剂加入量达到2.5 mL后制成的膜片指示剂开始分散不均匀，局部呈现出聚集状态，且测量误差较大。本实验中选择PtOEP的加入量为2 mL。

3.4 膜厚度的影响

图2 氧敏感膜在N2饱和及O2饱和状态下的响应时间及可逆性Fig.2 Response time and reversibility of the sensing film for the nitrogen saturated and oxygen saturated organic solvents

氧敏感膜的厚度对于其响应灵敏度也有一定的影响，在确定了氧敏剂的浓度以及加入量后，再分别对其涂膜量为0.2、0.4、0.5、0.6、0.8 mL进行考察(相对应的膜厚度约为40、55、75、90、100 μm)。实验结果表明，随着涂膜量的增加，氮氧猝灭比会有所升高，但当涂膜量为0.2 mL和0.4 mL时干燥后的膜片太薄，膜片颜色也较浅，使得膜片灵敏度过低，当涂膜量达到0.6 mL时制备的膜片容易产生气泡，膜片表面也会出现不均匀的情况；当涂膜量为0.8 mL时，干燥过程容易产生气泡，造成测量结果的不准确。为了保证测量的准确度以及膜片的均匀透明性，选择涂膜量为0.5 mL。

3.5 氧敏感膜的响应时间及可逆性

图2为PtOEP/PVA氧敏感膜在测定N2饱和以及O2饱和的1,3-丁二醇溶剂时的荧光响应曲线。结果表明，该膜片在N2饱和及O2饱和的溶剂中有良好的响应稳定性和可逆性。对N2饱和溶剂的响应时间约为25 s，对O2饱和溶剂的响应时间约为12 s，且对它们荧光响应值的相对标准偏差分别为0.79%和1.25%。由此可见，所制备的氧敏感膜在N2饱和以及O2饱和状态下对溶解氧有快速准确的响应及可逆性，且灵敏度较高。

图3 氧敏感膜在不同浓度溶解氧(%)中的荧光光谱图Fig.3 Fluorescence spectra of sensing film in dissolved oxygen with different concentrations (a) 1,3-butanediol;(b) chloroform;(c) toluene;(d) DMF,1-11:5%,10%,20%,30%,40%,50%,60%,70%,80%,90%,100%.

3.6 氧敏感膜的荧光响应曲线

将制备的氧敏感膜置于不同氧浓度的1,3-丁二醇、甲苯、DMF和三氯甲烷中测定其荧光强度，结果见图3。可以很明显地观察到荧光强度随着O2浓度的升高而降低。氧敏感膜片的氮氧猝灭比I0/I随着氧浓度变化而呈现线性相关，结果表明氧敏感膜对不同溶解氧浓度的荧光响应较好符合Stern-Volmer曲线[18]，氧敏感膜在不同有机溶剂中的特征分析参数见表1，其Stern-Volmer曲线见图4。

表1 氧敏感膜在不同有机溶剂中的分析特性Table 1 Analytical characteristics of the sensing film in different organic solvents

3.7 氧敏感膜的稳定性

图4 氧敏感膜的Stern-Volmer曲线Fig.4 The Stern-Volmer plots of the sensing film

将制得的氧敏感膜分别放置于以上四种有机溶剂中，每周测定一次荧光响应值，并通过其氮氧猝灭比来考察膜片的稳定性。实验结果发现在经过40周的保存后，保存于甲苯中的膜片其氮氧猝灭比由6.45降至6.41，降低了0.62%。保存于三氯甲烷中的膜片氮氧猝灭比由8.41降至8.36，降低了0.59%。保存于1,3-丁二醇中的膜片氮氧猝灭比由11.25降至11.22，降低了0.27%。保存于DMF中的膜片氮氧猝灭比由12.57降至12.52，降低了0.40%。由上述实验结果可以看出，所制备的氧敏感膜具有较好的稳定性，且重复利用率较高，可循环使用。