小中大1.3 荧光猝灭法
荧光猝灭法的测定是基于氧分子对荧光物质的猝灭效应原理,根据试样溶液所发生的荧光的强度来测定试样溶液中荧光物质的含量。通过利用光纤传感器来实现光信号的传输,由于光纤传感器具有体积小、重量轻、电绝缘性好、无电火花、安全、抗电磁干扰、灵敏度高、便于利用现有光通信技术组成遥测网络等优点,对传统的传感器能起到扩展、提高的作用,在很多情况下能完成传统的传感器很难甚至不能完成的任务,因此非常适合于荧光的传输与检测。从80年代初起,人们已开始了探索应用于氧探头的荧光指示剂的工作。早期曾采用四烷基氨基乙烯为化学发光剂,但由于其在应用中对氧气的响应在12小时内逐渐衰减而很快被淘汰。芘、芘丁酸、氟蒽等是一类很好的氧指示剂[8],如1984年Wolfbeis等报告了一种对氧气快速响应的荧光传感器,就是以芘丁酸为指示剂,固定于多孔玻璃。这种传感器的优点是响应速度快(可低于50ms),并有很好的稳定性。1989年,Philip等[9]将香豆素1、香豆素103、香豆素153三种荧光指示剂分别固定于有机高聚物XAD-4、XAD-8及硅胶三种支持基体中进行实验。从灵敏度、发射强度和稳定性几个方面进行比较,得出了香豆素102固定于XAD-4支持基体中是作为一种灵敏可逆的光纤氧传感器的中介的最佳选择的结论。使用这种荧光指示剂的光纤氧传感器的应用范围相当广泛。
后来过渡金属(Ru、Os、Re、Rh和Ir)的有机化合物以其特殊的性能受到关注,对光和热以及强酸强碱或有机溶剂等都非常稳定。一般选用金属钌铬合物作为荧光指示剂即分子探针。金属钌铬合物的荧光强度与氧分压存在一一对应的关系,激发态寿命长,不耗氧,自身的化学成份很稳定,在水中基本不溶解。钌铬合物的基态至激发态的金属配体电荷转移(MLCT)过程中,激发态的性质与配体结构有密切关系,通常随着配体共轭体系的增大,荧光强度增强,荧光寿命增大,例如在荧光指示剂中把苯基插入到钌的配位空轨道上,从而增强络合物的刚性,在这样的刚性结构介质中,钌的荧光寿命延长,而氧分子与钌络合物分子之间的碰撞猝灭机率提高,从而可增强氧传感膜对氧的灵敏度。目前的研究中,钌化合物的配体一般局限于2,2'-联吡啶、1,10-邻菲洛啉及其衍生物。Brian[10]在实验中比较了在不同pH值介质条件下制得的Ru(bpy)2+3与Ru(ph2phen)2+3两种不同涂料的传感器性能,结果显示在pH=7时Ru(ph2phen)2+3显示了更高的灵敏度。为延长敏感膜在水溶液中的工作寿命,较长时间保持其灵敏性,吕太平[11]等合成Ru(Ⅱ)与4,7-二苯基-1,10-邻菲洛啉的亲脂性衍生物生成的新的荧光试剂配合物Ru(I)[4,7-双(4'-丙苯基)-1,10-邻菲洛啉]2(ClO4)2和Ru(Ⅱ)[4,7-双(4'-庚苯基)-1,10-邻菲洛啉]3(ClO4)2。Kerry[12]等合成Ru(Ⅱ)[5-丙烯酰胺基-1,10-邻菲洛啉]3(ClO4)2。实验均发现随着配体碳链的增长,荧光试剂的憎水性增大,流失现象减少,可延长膜的使用寿命。Ignacy[13]等研究还发现极化后的[Ru(dpp)3Cl2]氧传感膜对氧具有更高的灵敏度。吸附在硅胶60上的钌(Ⅱ)络合物在蓝光的激发下发出既强烈又稳定的粉红色荧光,该荧光可以有效地被分子氧淬灭。
其检测原理是根据Stern-Vlomer的猝灭方程[14]:F0/F=1+Ksv[Q],其中F0为无氧水的荧光强度,F为待检测水样的荧光强度,Ksv为方程常数,[Q]为溶解氧浓度,根据实际测得的荧光强度F0、F及已知的Ksv,可计算出溶解氧的浓度[Q]。
实验证明这种检测方法克服了碘量法和电流测定法的不足,具有很好的光化学稳定性、重现性,无延迟,精度高,寿命长,可对水中溶解氧进行实时在线监测。其测量范围一般为0~20mg/L,精度一般≤1%,响应时间≤60s。