邻菲咯啉钌是一类具有荧光活性的有机-钌络合物。它具有量子效率高、激发态寿命长、可见光吸收系数大、吸收波长与发射波长差值(Stokes位移)大、光化学稳定性好等特点，是荧光法溶氧传感器中常见的荧光指示剂^[1]。聚二甲基硅氧烷(PDMS)是一种透氧性极佳的聚合物材料，其透氧系数高达6.0×10^-8 cm³·cm/cm²·s·cmHg，且具有良好的成膜性和光化学稳定性^[2]。以PDMS包埋邻菲咯啉钌荧制备氧敏感荧光膜，应是克服凝胶吸附荧光膜中指示剂流失问题的有效方法。然而，强极性的邻菲咯啉钌在非极性的PDMS中的溶解性差。直接混合时邻菲咯啉钌分子易在PDMS基体内聚集，使所得荧光膜的荧光响应和灵敏度不佳。改善荧光指示剂分子在包埋材料中的分散性成为提高此类氧敏感荧光膜性能的关键。Lu Xin等^[3]则采用纳米二氧化硅吸附八乙基卟啉铂，然后包埋到PDMS中，用以制备氧敏感荧光膜，发现随着二氧化硅用量增加，指示剂的荧光寿命延长，但是灵敏度却有所降低。Dan Xiao等^[4]以硅凝胶颗粒吸附荧光指示剂，然后包埋在硅橡胶薄膜中制备氧敏感荧光膜。

白炭黑粒子拥有丰富的硅羟基和巨大的比表面^{[5, 6]}，可以很好地吸附水溶性的邻菲咯啉钌。MQ树脂是一类由单硅氧烷(M)单体与和四硅氧烷(Q)单体合成的具有SiO₂核和硅烷壳的有机硅树脂。可以认为MQ树脂是经硅烷改性的纳米SiO₂粒子。MQ树脂的粒径、密度、极性以及粘度等性质会随着M组分与Q组分的摩尔比的不同而改变。一般来说，当M/Q摩尔比低于0.7时，MQ树脂极性较大，可溶于醇类等极性溶剂^{[7, 8]}，应该可吸附强极性的邻菲咯啉钌荧光指示剂；同时，与有机硅胶保持较好的相容性。本文分别以沉淀白炭黑、气相白炭黑和甲基MQ树脂载负荧光指示剂Ru(dpp)₃Cl₂，以分光光度法和荧光光谱仪分析SiO₂载体对荧光指示剂吸附性和荧光特性的影响。并将载负的荧光指示剂填充到PDMS中，制备氧敏感荧光膜，研究载体对氧敏感荧光膜性能的影响。 1 实验部分 1.1 主要仪器与试剂

Spectrumlab 22PC可见光分光光度计(上海棱光技术有限公司)，F-4600荧光光谱仪(日本Hitachi公司)，TG16-WS高速离心机(湖北湘仪实验仪器公司)，KYO-01溶氧仪(新会康宇测控仪器仪表有限公司)，SB-5200YDTD超声波清洗机(广州从源仪器设备公司)。

三(4,7-联苯-1,10-邻菲咯啉)钌(Ru(dpp)₃Cl₂)，荧光级，阿拉丁试剂；六甲基二硅氧烷(HMDSO)，分析纯，阿拉丁试剂；正硅酸乙酯(TEOS)，分析纯，广州化学试剂厂；沉淀白炭黑，工业级，福建远翔化工；气相白炭黑，工业级，广州吉必盛科技；聚二甲基硅氧烷(PDMS)，工业级，粘度为2000 cps，深圳红叶杰科技；二月桂酸二丁基锡，分析纯，阿拉丁试剂；盐酸，分析纯，广州化学试剂厂；无水乙醇，分析纯，广州化学试剂厂；氮气(N₂工业级，99.9%)，氧气(O₂工业级，99.9%)。 1.2 甲基MQ树脂的合成

以正硅酸乙酯和六甲基二硅氧烷为原料，合成M/Q投料比为0.6的甲基MQ树脂。在干燥洁净的三口烧瓶中加入2.05 g无水乙醇、6.42 g去离子水和2.05 g盐酸。升温至60 ℃，再加入4.86 g(0.03 mol)六甲基二硅氧烷，搅拌15 min。滴加20.8 g(0.1 mol)正硅酸乙酯，继续反应1.5 h，得MQ树脂溶液。 1.3 荧光指示剂载负

将荧光指示剂Ru(dpp)₃Cl₂配成1‰的乙醇溶液后加入一定量的载体，超声分散20 min，60℃干燥，得载负1%Ru(dpp)₃Cl₂的白炭黑或甲基MQ树脂粉。敏感膜荧光强度与Ru(dpp)₃Cl₂浓度关系表明，此载负量接近荧光强度-浓度线性响应范围的上限^[9]。 1.4 氧敏感荧光帽制备

取0.1 g载负Ru(dpp)₃Cl₂的白炭黑或甲基MQ树脂粉，与1 g PDMS混合，研磨均匀后加入0.2 g TEOS和5 mg二月桂酸二丁基锡，混合均匀，即得缩合型荧光胶。

取50 mg炭黑与1 g PDMS研磨混合，再加入0.2 gTEOS和5 mg二月桂酸二丁基锡，混合均匀，即得缩合型黑色保护胶。

取30 mg荧光胶涂于透镜表面，待荧光胶表面干后，取20 mg黑色保护胶涂于荧光胶表面，室温固化12 h，即得氧敏感荧光帽。 1.5 荧光指示剂吸附量测定

配制浓度为2～50 ppm的Ru(dpp)₃Cl₂乙醇溶液，用可见光分光光度计测其在460 nm处的吸光度，绘制标准曲线如图1。然后取0.1 g载体加入10 g、浓度为50 ppm的Ru(dpp)₃Cl₂乙醇溶液中，超声分散处理30 min。室温静置2 h，于10000 r/min离心分离15 min，测上层液体在460 nm处的吸光度，测量3次取平均值。根据标准曲线计算溶液浓度的变化，即可求得Ru(dpp)₃Cl₂在载体上的吸附量。

图 1

Fig. 1

图1 荧光指示剂Ru(dpp)3Cl2的标准曲线 Standard curve of absorbance against Ru(dpp)3Cl2 concentration

以F-4600荧光光谱仪测量样品的激发光谱和发射光谱。荧光指示剂Ru(dpp)₃Cl₂配成10^-4 mol/L乙醇溶液测量；对载负1%Ru(dpp)₃Cl₂的白炭黑和甲基MQ树脂样品，研磨后将粉末样品填满仪器的粉末样品池空腔，旋紧样品池旋钮，将粉末样品压实成约1 mm厚的圆片，以45°的入射角激发试样测量。激发和发射夹缝为5.0 nm，光电管负高压为600 V，响应时间为0.5 s，扫描速度为240 nm/min。激发光谱的测量范围为400 nm～580 nm，发射光谱的测量范围为530 nm～700 nm。指示剂Ru(dpp)₃Cl₂溶液的荧光发射光谱以其最大吸收波长460 nm为激发源波长，粉末样品的荧光发射光谱以507 nm为激发源波长。 1.7 氧敏感荧光膜性能分析

将荧光帽装于KYO-01溶氧仪传感器。荧光膜受调制460 nm LED蓝光激发，发射荧光；荧光经610 nm滤光片到达光电管，转化为电信号。溶解氧猝灭激发态指示剂分子，导致荧光强度、寿命或相位φ发生变化，从荧光信号的变化可求得溶解氧含量^[10]。本实验采用荧光强度测量模式，将荧光帽分别浸入氮气饱和水和氧气饱和水，读取溶氧仪的输出值，将稳定输出值扣除测量仪的背景输出，即得荧光膜的荧光输出响应值。

图 2

Fig. 2

图2 荧光溶氧传感器结构示意图 Diagram of fluorescent dissolved oxygen sensor

表1是不同载体从稀溶液吸附荧光指示剂Ru(dpp)₃Cl₂能力的比较。从气相白炭黑、沉淀白炭黑到甲基MQ树脂，载体对Ru(dpp)₃Cl₂的吸附量依次增减小，反映载体对Ru(dpp)₃Cl₂的吸附作用减弱。显然，气相白炭黑的粒径最小，比表面积最大，表面又有丰富的硅羟基，与水溶性的Ru(dpp)₃Cl₂相互作用最强，因而从相同浓度的溶液吸附Ru(dpp)₃Cl₂的量也最大。沉淀白炭黑的表面组成与气相白炭黑类似，但粒径较大，比表面积减少，对Ru(dpp)₃Cl₂的吸附性减弱。甲基MQ树脂外层富含甲基，表面硅羟基含量减少，表面极性和亲水性下降，从而与强极性Ru(dpp)₃Cl₂的相互作用减弱，从溶液吸附Ru(dpp)₃Cl₂的能力大幅下降。

表1

Table 1

表1

表1 载体从稀溶液吸附荧光指示剂Ru(dpp)3Cl2的能力比较 Adsorbing capacity of different carriers on Ru(dpp)3Cl2 from solution 载体种类 气相白炭黑 沉淀白炭黑 甲基MQ树脂 吸附量*/(mg·g-1) 1.416 1.141 0.358 *浸渍液：50 ppm的Ru(dpp)3Cl2乙醇溶液

表1 载体从稀溶液吸附荧光指示剂Ru(dpp)3Cl2的能力比较 Adsorbing capacity of different carriers on Ru(dpp)3Cl2 from solution

图3是Ru(dpp)₃Cl₂乙醇溶液的荧光发射光谱。由图可知，Ru(dpp)₃Cl₂的荧光发射峰值出现在600 nm，其Stokes位移达140 nm。以Ru(dpp)₃Cl₂为指示剂的荧光传感器，其光学系统在激发光源和荧光检测系统的可调节范围较大，有利降低噪音，提高信噪比，简化传感器的信号处理系统。

图 3

Fig. 3

图3 荧光指示剂Ru(dpp)3Cl2的荧光发射光谱 Fluorescence emission spectrum of Ru(dpp)3Cl2 in ethanol

图4是负载1% Ru(dpp)₃Cl₂的气相白炭黑和沉淀白炭黑的激发光谱。由图4可知，沉淀白炭黑和气相白炭黑负载Ru(dpp)₃Cl₂的激发光谱非常接近，其最大激发波长在505 nm左右，但气相白炭黑负载Ru(dpp)₃Cl₂的荧光强度稍高。气相白炭黑与沉淀白炭黑均为无机二氧化硅，表面组成和性质较为接近，对受激指示剂Ru(dpp)₃Cl₂分子的影响基本一致。但是气相白炭黑的粒径较沉淀白炭黑的小，比表面积相应较大，在1%的Ru(dpp)₃Cl₂载负量下，气相白炭黑载负的Ru(dpp)₃Cl₂分子分散得更好，指示剂聚集和自猝灭较少，故其荧光辐射较附着于沉淀白炭黑表面的为高^[9]。

图 4

Fig. 4

图4 白炭黑负载荧光指示剂Ru(dpp)3Cl2激发光谱 (a)沉淀白炭黑；(b)气相白炭黑 Excitation spectrum of Ru(dpp)3Cl2 adsorbed on (a)precipitated silica and (b) fumed silica

图5是以甲基MQ树脂负载1%Ru(dpp)₃Cl₂的激发光谱。与白炭黑负载Ru(dpp)₃Cl₂的激发光谱不同，甲基MQ树脂载负Ru(dpp)₃Cl₂的最大激发波长在470 nm左右，且荧光强度高出一个数量级。在甲基MQ树脂表面，甲基基团减少了载体表面的羟基含量和对Ru(dpp)₃Cl₂分子的作用，降低了受激Ru(dpp)₃Cl₂分子的能量转移。

图 5

Fig. 5

图5 甲基MQ树脂负载荧光指示剂Ru(dpp)3Cl2的激发光谱 Excitation spectrum of Ru(dpp)3Cl2 adsorbed on methyl MQ resin

图6是载负1% Ru(dpp)₃Cl₂的气相白炭黑和沉淀白炭黑的荧光发射光谱。由图6可知，以气相白炭黑为载体的荧光强度略高于以沉淀白炭黑为载体的荧光强度，但二者的荧光发射光谱峰值波长均在620 nm左右。与Ru(dpp)₃Cl₂稀溶液的荧光发射光谱相比，峰值波长红移了约20 nm。Lu等在研究SiO₂填料对PDMS氧敏感荧光膜荧光特性的影响时也发现纳米SiO₂填料使荧光发射光谱红移^[3]。指示剂与纳米SiO₂填料的相互作用大于与聚合物基体的相互作用而吸附于SiO₂颗粒表面应是出现发射光谱红移的关键。当Ru(dpp)₃Cl₂分子载负在白炭黑粒子表面时，因气相白炭黑和沉淀白炭黑的表面性质相近，Ru(dpp)₃Cl₂指示剂分子与这两种白炭黑之间的相互作用较为接近，所以其荧光发射光谱波形和红移相似。但气相白炭黑的粒径较沉淀白炭黑的粒径小，比表面积相对较大，所以气相白炭黑负载荧光指示剂的分散性较好，荧光强度略高。氧敏感膜荧光特性与指示剂浓度的关系研究表明^[9]，对气相白炭黑和甲基M/Q树脂填充体系，1%的载负量仍处于指示剂浓度-荧光输出关系的线性响应范围内，但此载负量开始偏离沉淀白炭黑填充体系的线性响应关系。对沉淀白炭黑载负体系而言，在1%的载负量下，指示剂分子聚集和自猝灭的机会大幅增加^[9]。

图 6

Fig. 6

图6 白炭黑负载荧光指示剂Ru(dpp)3Cl2的荧光发射光谱 (a)沉淀白炭黑；(b)气相白炭黑 Fluorescence emission spectrum of Ru(dpp)3Cl2 adsorbed on (a) precipitated silica and (b) fumed silica

图7是载负1% Ru(dpp)₃Cl₂甲基MQ树脂的荧光发射光谱。由图7可知，甲基MQ树脂载负Ru(dpp)₃Cl₂的荧光发射峰值波长在608 nm。与白炭黑载负Ru(dpp)₃Cl₂的荧光发射光谱相比，峰值波长蓝移了12 nm，且荧光强度高了将近一个数量级。其荧光发射峰值波长更接近Ru(dpp)₃Cl₂稀溶液的峰值波长600 nm。Lu等认为纳米SiO₂颗粒不但能从非极性的PDMS基体中吸附极性的荧光指示剂，也会吸附氧分子^[3]。受激指示剂分子更易向吸附氧转移激发能而猝灭。在甲基M/Q树脂载负体系中，MQ树脂表面的甲基部分取代SiO₂颗粒的羟基，降低SiO₂颗粒的表面极性，减弱SiO₂载体与Ru(dpp)₃Cl₂分子之的相互作用，减少受激Ru(dpp)₃Cl₂分子向吸附氧转移激发能的可能；SiO₂颗粒表面极性的降低也有助改善载体在PDMS基体的分散。所以，甲基MQ树脂载负荧光指示剂的荧光辐射大幅增加，峰值波长也较白炭黑载负的蓝移12 nm，趋近Ru(dpp)₃Cl₂稀溶液的荧光发射光谱。

图 7

Fig. 7

图7 甲基MQ树脂载负荧光指示剂Ru(dpp)3Cl2的荧光发射光谱 Fluorescence spectrum of Ru(dpp)3Cl2 adsorbed on MQ resin

将10份载负1% Ru(dpp)₃Cl₂的载体填充到PDMS，制备氧敏感荧光膜，测量其荧光输出响应值。表2列出了Ru(dpp)₃Cl₂含量为0.08 %，载体种类不同的氧敏感荧光膜在氮气饱和水中与氧气饱和水中的荧光输出响应值。由表2可见，SiO₂载体显著提高氧敏感荧光膜的荧光输出响应值，以甲基MQ树脂载负的氧敏感荧光膜的响应值最高，其次是气相白炭黑，沉淀白炭黑的最低。而载体氧猝灭比的顺序则刚好相反，但远远高于纯PDMS荧光膜的氧猝灭比。

表2

Table 2

表2

表2 载体对荧光膜荧光输出响应值的影响 Fluorescence output of oxygen-sensitive fluorescent membrane with different carriers 载体种类 无载体 气相白炭黑 沉淀白炭黑 甲基MQ树脂 氮气饱和水中荧光输出值/mV 4 62 57 174 氧气饱和水中荧光输出值/mV 3 8 7 28 氧猝灭比 1.33 7.75 8.14 6.21

表2 载体对荧光膜荧光输出响应值的影响 Fluorescence output of oxygen-sensitive fluorescent membrane with different carriers

Ru(dpp)₃Cl₂与有机硅胶的相容性差，在PDMS中溶解度低，直接添加会使得Ru(dpp)₃Cl₂分子在PDMS中成团聚集，导致激发光能吸收减少。在0.08%的浓度下，指示剂分子本身成为一种猝灭剂,猝灭受激指示剂分子，从而荧光膜的荧光输出低劣。以纳米二氧化硅颗粒载负，可提高Ru(dpp)₃Cl₂分子在PDMS中的分散性，提高对激发光的吸收，减弱指示剂分子的团聚和分子间激发能的转移，所得荧光膜的荧光效率也得到提高。气相白炭黑较沉淀白炭黑的粒径小，比表面积也较大，气相白炭黑载负荧光指示剂具有更好的分散性，制得的氧敏感荧光膜性能优于沉淀白炭黑填充的。甲基MQ树脂表面的有机基团减弱二氧化硅粒子表面与吸附Ru(dpp)₃Cl₂分子的相互作用，减少激发能向载体吸附氧转移。此外，MQ树脂表层的甲基改善了SiO₂核与PDMS的相容性^[8]，载体颗粒的聚集程度低，载负Ru(dpp)₃Cl₂分子在PDMS基体中分散得更好，Ru(dpp)₃Cl₂分子之间的能量转移减少，所得氧敏感荧光膜的荧光输出响应值也更高。然而，甲基M/Q树脂填充氧敏感荧光膜的氧猝灭比白炭黑填充的低。但甲基M/Q树脂大幅增加荧光膜的荧光输出，提高了信噪比，非常有益于提高氧传感器的灵敏度。 3 结论

1) 气相白炭黑对Ru(dpp)₃Cl₂分子的吸附性高于沉淀白炭黑；在二氧化硅载体表面引入硅烷基会显著减弱载体对Ru(dpp)₃Cl₂分子的吸附性和相互作用。

2)气相白炭黑与沉淀白炭黑载负Ru(dpp)₃-Cl₂的荧光发射光谱基本一致，其峰值波长在620 nm左右，较Ru(dpp)₃Cl₂稀溶液的发射光谱红移了约20 nm；在二氧化硅载体表面引入硅烷基可显著减少荧光发射的红移，提高荧光强度近10倍。

3)白炭黑有助改善Ru(dpp)₃Cl₂在PDMS中的分散性和氧敏感荧光膜的荧光输出；在二氧化硅载体表面引入硅烷基，可以提高载体颗粒及载负Ru(dpp)₃Cl₂分子在PDMS中的分散性，显著提高氧敏感荧光膜的荧光输出。