薄膜荧光传感器研究进展.docx

薄膜荧光传感器研究进展.docx

《薄膜荧光传感器研究进展.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《薄膜荧光传感器研究进展.docx（28页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

薄膜荧光传感器研究进展

薄膜荧光传感器研究进展

高莉宁

吕凤婷

胡

静

房

喻∗

（陕西师范大学化学与材料科学学院,大分子科学陕西省重点实验室,西安

710062

摘要:

按薄膜荧光传感器的制备方法,从物理薄膜、化学薄膜和自组装单层膜等三个方面综述了近年来薄膜荧光传感器的研究进展.在此基础上,展望了薄膜荧光传感器的研究前景.关键词:

荧光;薄膜传感器;自组装单层膜中图分类号:

O647

ProgressintheStudiesofFluorescentFilmSensors

GAOLi⁃NingLÜFeng⁃TingHUJingFANGYu∗

（KeyLaboratoryforMacromolecularScienceofShaanxiProvince,SchoolofChemistryandMaterialsScience,ShaanxiNormalUniversity,Xi′an710062,P.R.ChinaAbstract:

Recentprogressinthestudiesoffluorescentfilmsensorswasreviewedaccordingtothepreparationmethodsofthefilmsensors,whichhavebeenclassifiedintophysicalmethod,chemicalmethod,andmethodbasedonself⁃assembledmonolayers（SAMtechnique.Furthermore,thefutureoftheresearchinthisfieldisenvisaged.KeyWords:

Fluorescence;Filmsensor;Self⁃assembledmonolayer

[Review]

物理化学学报（WuliHuaxueXuebao

ActaPhys.⁃Chim.Sin.,2007,23（2:

274-284

February

Received:

July27,2006;Revised:

September18,2006.∗

国家自然科学基金（20373039,20543002,教育部重大项目（306015和教育部博士点基金（20040718001资助项目

ⒸEditorialofficeofActaPhysico⁃ChimicaSinica

荧光传感器以灵敏度高,可采集信号丰富及使用方便等优点倍受人们关注,近年来得到了迅速发展[1].荧光传感器主要分为两类,即在溶液中使用的均相荧光传感器和易于重复使用且能进行气相传感的薄膜荧光传感器.均相荧光传感器因灵敏度高,选择性好,广泛应用于金属离子、阴离子和中性分子[1],特别是生物分子的检测和识别中[2].然而,均相荧光传感器所固有的易于污染待测体系,只能一次性使用等缺点,也限制了其应用.如将均相荧光传感器固定于基质表面制备成薄膜荧光传感器则基本可以克服上述缺点,实现传感器的重复使用,减少污染.因此,近年来薄膜荧光传感器的研究受到人们的特别关注.

本文拟根据薄膜荧光传感器的制备方法,从物理薄膜、化学薄膜和自组装单层膜（self⁃assembled

monolayers,SAMs等三个方面,对近年来薄膜荧光传感器的研究进展进行综述,以期促进国内相关工作的开展.

1物理薄膜荧光传感器

用于制备薄膜荧光传感器的物理方法主要有高分子包埋、溶胶⁃凝胶（sol⁃gel包埋、Langmuir⁃Blod⁃gett（LB膜以及层层组装（layer⁃by⁃layer,LBL等方法.1.1高分子包埋法

高分子包埋法是将传感元素分子按一定比例掺杂在易于成膜的高分子（如壳聚糖、聚乙烯醇等溶液中,然后通过旋涂或流延在固体基质表面成膜,得到高分子包埋的复合膜.

本实验室以戊二醛交联壳聚糖（chitosan,CS膜为载体,芘为介质极性探针,制备了一种对醇⁃水混

274

No.2高莉宁等:

薄膜荧光传感器研究进展

合溶剂极性敏感的传感薄膜[3],利用该膜可以检测水溶液中十二烷基硫酸钠（SDS和十二烷基磺酸钠（SLS胶束的形成.Mishra等[4]将富电子的苯并[k]荧蒽（BkF物理包埋于戊二醛交联的聚乙烯醇膜中,利用硝基芳烃类化合物（NACs缺电子的特性,得到了NACs传感薄膜.实验表明,其它有机小分子不干扰该膜对NACs的响应.Misra等[5]将供体⁃受体对吖啶

黄和罗丹明6G包埋于Nafion茵

R

中,得到了一种对溶液pH敏感的薄膜荧光传感器.以类似的方法人们

还得到了对Fe3+[6]和湿度[7]敏感的薄膜荧光传感器.

以高分子包埋法制备的薄膜荧光传感器在气相氧和溶解氧检测方面获得了广泛应用.例如,Kostov等人[8]利用dppe⁃Pt2P（图1的荧光各向异性对氧气敏感的性质,将其物理包埋于塑性高分子膜中,制备了用于气相氧测定的薄膜荧光传感器.类似地,将铂或钌的卟啉络合物包埋于聚苯乙烯或其它共聚物膜[9]中,利用氧气对卟啉铂荧光的动态猝灭,也可以实现对氧气的传感.以聚砜包埋Ru（dpp3Cl2所得到的薄膜可用于测定细胞耗氧量[10].值得一提的是,Schoenfisch等[11]以芘⁃苝作为能量给体⁃受体对,将其按照一定比例包埋于硅橡胶膜中,得到生物相容性氧气传感薄膜.

虽然高分子包埋方法简单,成本低廉,但当在溶液中使用这些薄膜时,均存在传感分子的泄漏问题.所得到的荧光信号往往是结合态与溶解态荧光分子的复合信号,导致信号失真,影响获取信息的质量.此外,这类薄膜的使用寿命也有限.与高分子包埋法不同,用sol⁃gel法包埋荧光传感元素可以大大减少荧光物种的泄漏,延长薄膜荧光传感器的使用寿命.1.2溶胶⁃凝胶包埋法

sol⁃gel技术主要用来制备均匀的金属氧化物粉

体,其基本原理是,易水解的前驱体（如硅烷化试剂、金属醇盐等在某种溶剂（水或有机溶剂中与水发生反应,通过水解和缩聚反应制得溶胶,进一步缩聚得到凝胶,再通过加热除去有机物得到金属氧化物粉体.利用这一技术制备薄膜荧光传感器,则是将荧光传感元素按一定比例加入到前驱体中形成预聚液,

再通过浸渍提拉、旋涂、喷涂、刷涂或流延等方法将形成的溶胶转移到固体基质表面,缩聚形成凝胶,经过一定的热处理除去有机溶剂,即可得到sol⁃gel薄膜荧光传感器.

陈曦等[12]利用sol⁃gel技术包埋荧光物种铝⁃桑色素,制备了对水体中PO3-4离子有较好响应的光纤光化学传感薄膜.当把该传感膜浸于含有PO3-4离子的水溶液时,PO3-4离子在膜表面逐渐富集并与桑色素发生对Al3+离子的竞争络合,竞争结果为PO3-4离子夺取铝⁃桑色素中的Al3+离子,导致桑色素分子的刚性减弱而发生荧光猝灭.此外,他们还利用甲基硅氧烷和二甲基二甲氧基硅烷为共聚前驱体,制备了五种改性的包埋有不同钌配合物的sol⁃gel薄膜,系统研究了配体、溶剂等对薄膜荧光行为和薄膜对氧气传感行为的影响[13].类似地,Jorge等[14]以钌配合物作为传感元素得到的sol⁃gel薄膜,可以同时用于气相氧和溶解氧的测定.沈家骢等[15]以甲基丙烯酸丙酯基三甲氧基硅烷为单体,制备了包埋有Ru（bpy2+3染料的sol⁃gel薄膜,研究了此种薄膜对气态氧气的传感性质.Brennan等[16]将色氨酸包埋于sol⁃gel膜中,研究了各种荷电猝灭剂对色氨酸荧光发射强度、荧光寿命和荧光各向异性的影响.Dunbar等[17]还系统研究了含芘sol⁃gel薄膜对氧气传感性能的时间依赖性,结果发现,薄膜传感性能随时间显著衰减.

Higgins等[18]将pH敏感的染料SNARF⁃1（结构参见图2包埋于sol⁃gel膜中,利用SNARF⁃1质子化和去质子化时的发射位置不同（分别为580nm和640nm,可以确定薄膜的局部酸度（图2给出了不同pH值时该膜的荧光光谱.类似地,Hupp等[19]将乙醇脱氢酶（ADH和烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NADH共同包埋于sol⁃gel膜中,利用NADH和NAD+的荧光发射强度不同,实现了对水、有机溶剂和气相中短链醇和醛的检测.

在sol⁃gel形成中引入具有手性的化合物,这样得到的薄膜可以识别手性化合物.例如,Fireman⁃

Shoresh等[20]将具有两个手性中心的阳离子型表面活性剂DMB（结构参见图3包埋于混合硅烷溶胶中,

图1dppe⁃Pt2P的结构[8]

Fig.1Chemicalstructureofdppe⁃Pt2P

[8]

275

ActaPhys.鄄Chim.Sin.,2007

Vol.23

旋涂得到sol⁃gel膜.然后将此薄膜通过溶剂抽提,除去多余的DMB,得到包含手性区域的凝胶薄膜.该薄膜对不同手性分子结合能力不同,据此实现了对手性分子的识别.

Seliskar等[21]将一种聚电解质溶胶旋涂于基片表面作为基础,利用静电相互作用将8⁃羟基⁃1,3,6⁃

三芘磺酸钠固定于其上,得到了一种响应快、寿命长的pH传感薄膜.Graham等人[22]将分子印迹技术与sol⁃gel技术相结合,以极性敏感荧光物种NBD（7⁃nitrobenz⁃2⁃oxa⁃1,3⁃diazole为探针,制备了对农药DDT及其类似物响应良好的传感薄膜.该薄膜工作的原理是,NBD的荧光量子产率强烈依赖于介质极性,极性小,荧光量子产率高,反之,荧光量子产率低.实验表明,DDT的存在会大大降低NBD的微环境极性,因而使薄膜荧光急剧增强.1.3LBL膜和LB膜

以物理包埋和sol⁃gel包埋法制备薄膜大多采用旋涂或流延技术.这种技术所得薄膜厚度难以控制,膜的制备重复性比较差.与之相比,以层层组装技术（layer⁃by⁃layer,LBL技术所得薄膜要均匀得多.LBL技术制膜过程是在预先活化的带有一定电荷的固体基质表面交替吸附聚阴离子和聚阳离子,从而得到均匀规整且厚度可控的高分子膜.将荧光传感元素引入LBL多层膜中,可以得到厚度均匀的薄膜荧光传感器.

Tripathy等人[23]以芘的衍生物1⁃羟基芘⁃3,6,8⁃三磺酸（HPTS作为传感元素,将HPTS与聚丙烯酸（PAA混合作为聚阴离子,以聚烯丙胺的盐酸盐（PAH作为聚阳离子,利用LBL技术使其交替沉积在带有负电荷的玻璃基质表面,利用HPTS质子化

和去质子化时的发射位置不同,得到对pH敏感的传感薄膜.同以上方法类似,将HPTS化学键合到PAA链上作为聚阴离子,利用HPTS和金属离子（如Fe2+、Hg2+或2,4⁃二硝基苯之间可发生电子转移的性质,可得到对金属离子和2,4⁃二硝基苯具有良好传感性能的传感薄膜.Leblanc等[24]利用带正电荷的CS和带负电荷的聚噻吩⁃3⁃乙酸（PTAA制备CS/PTAA多层膜,然后将有机磷水解酶吸附于该多层膜上,可实现对溶液中对氧磷（paraoxon的检测.Laschewsky等[25]将荧光小分子香豆素（courmarin的两种具有能量转移给体⁃受体对特征的衍生物分别化学修饰于聚乙烯苯季铵盐酸盐的侧链上,将其作为聚阳离子,通过与聚阴离子之间的静电作用,以LBL技术实现两种荧光小分子在聚电解质膜中的固定化,并对其荧光共振能量转移作了系统研究.类似地,利用这一技术,Yu等[26]得到对溶液中石胆酸敏感的传感薄膜.

LB膜是指将长链脂肪酸等两亲性分子在气液界面紧密有序排列所形成的单分子层通过外力转移到固体基质表面所形成的单分子膜[27].以LB技术得到的膜厚度、膜内分子的结构和有关功能分子的位置均可人工调控,因此,将荧光传感元素化学修饰到脂肪酸分子链上,然后通过LB技术将该荧光标记脂肪酸转移到固体基质表面,可得到传感元素在薄膜中有序排列的薄膜荧光传感器.

Leblanc等[28]将丹磺酰修饰的多肽分子化学结合到硬脂酸末端,利用LB膜技术将其组装到固体基质表面得到丹磺酰修饰的硬脂酸单层膜.图4分

别给出了几种多肽的结构和Cu2+离子对LB膜的两种猝灭机理.在由多肽分子A制成的LB膜中,离

子

图2CarboxySNARF⁃1的质子化和去质子化结构（上

以及在不同pH时薄膜的荧光光谱（下[18]

Fig.2ChemicalstructuresofcarboxySNARF⁃1initsprotonatedanddeprotonatedforms（up,anditsfluorescencespectrameasuredatdifferentpH（down[18

]

图3DMB的结构[20]

Fig.3ChemicalstructureofDMB[20]

276

No.2高莉宁等:

薄膜荧光传感器研究进展

捕获单元和荧光报告基团丹磺酰通过酰胺键连接在同一分子中.此外,将报告基团丹磺酰和金属离子捕获单元分别连接在多肽C和多肽B中,制备得到混合LB膜.研究发现,Cu2+离子的存在均能有效地猝灭丹磺酰的荧光.对此,Leblanc等[28]提出了两种模型分别用以解释两种LB膜检测Cu2+离子的机理.他们认为,当荧光报告基团丹磺酰和离子捕获单元连接于同一分子多肽A上时,Cu2+离子的存在使得距离捕获单元很近的丹磺酰的荧光被猝灭;而将荧光报告基团丹磺酰和离子捕获单元分别连接于多肽C和多肽B上时,多肽B中的离子捕获单元首先将Cu2+离子捕获,然后通过离子捕获单元和荧光物种之间的跨空间（through⁃space作用猝灭丹磺酰的荧

光发射.此外,他们还制备了以荧光素异硫氰酸酯（FITC标记的磷酸脱水酶（OPAALB膜,用以进行二异丙基氟磷酸酯（DFP的检测[29].

除以上各种物理方法制备薄膜荧光传感器外,通过某种作用将荧光活性化合物沉积于基质表面,也可以得到薄膜荧光传感器.例如,本实验室曾经模拟生物矿化,在有机物调制下在CS表面通过异相成核生长制备了CS/CdS纳米颗粒复合薄膜[30].研究发现,CS/CdS纳米颗粒复合薄膜的荧光发射对水体中吡啶十分敏感,微量吡啶的存在会引起薄膜荧光发射急剧增强.除Cu2+离子和I-离子外,水体中其它常见离子对薄膜荧光发射没有显著影响.DeLuca等[31]将不连续的微米级卟啉颗粒通过紫外光照射沉积于SiO2基质表面,发现卟啉的吸收和荧光发射强烈依赖于酸性或碱性蒸气的存在.

2高分子薄膜荧光传感器

可以经由多种途径得到高分子薄膜荧光传感器.这些途径主要是:

①首先将传感元素化学结合到易于成膜的高分子链上,然后通过旋涂或流延使高分子在固体基质表面成膜,得到荧光高分子薄膜;②将含有活性功能基团的高分子通过旋涂或流延固定于固体基质表面,然后利用其所携带的功能基团将荧光传感元素固定于高分子膜表面;③以化学合成法制备共轭荧光高分子,或将可聚合荧光单体与非荧光单体共聚,得到荧光聚合物,然后以流延或旋涂法制备成膜.需要说明的是共轭荧光高分子薄膜荧光传感器是目前光学传感器研究的一大热点.本部分将从普通荧光高分子和共轭荧光高分子两方面介绍高分子薄膜荧光传感器研究现状.2.1普通荧光高分子薄膜荧光传感器

CS具有良好的成膜性,且带有大量氨基,反应活性高,交联后的CS膜对酸、碱及一般有机溶剂稳定,因此被广泛用作功能薄膜基质.

本实验室以CS膜为基础制备了多种薄膜荧光传感器.例如,将荧光小分子芘经由化学键结合到CS膜上[32],发现在高纯水中该膜荧光光谱稳定,而任意杂质（包括粉尘的引入都使该膜荧光急剧增强,从

而有望用于对水综合品质进行检测.在此基础上,引

入主客体化学概念,设计制备了对水体、

甲醇或乙醇中硝基甲烷敏感的传感薄膜[33].该膜是将传感元素芘和其主体化合物茁⁃环糊精同时共价结合于CS膜上.在水、甲醇或乙醇介质中,由于芘为疏水分子,

被

图4多肽分子A、B、C的结构（I和Cu2+

离子对LB膜的

两种猝灭机理（II

[28]

Fig.4ThestructuresoflipidsA,BandC（I,andthe

proposedmechanismsonthefluorescencequenching

ofLBmonolayerscausedbyCu2+（II[28]

（Itheintramolecularscheme,（IItheintermolecularscheme

277

ActaPhys.鄄Chim.Sin.,2007Vol.23

邻近的β⁃环糊精所包结,使得大部分猝灭剂分子不能接近荧光物种,因而难以猝灭固定化芘的荧光.然而当向体系中引入体积小又具疏水性的硝基甲烷分子时,芘的荧光急剧降低.这是由于硝基甲烷易于进入环糊精空腔中,得以和包结于环糊精空腔中的芘分子接近,