Design and Fabrication of a Ratiometric Planar Optode for Simultaneous Imaging of pH and Oxygen

一種用于同時成像pH值和氧氣的比率測量平面光度計的設(shè)計和制造

來源：Sensors 2017, 17, 1316;

 

論文摘要總結(jié)

本文提出了一種基于比率式平面光極的簡單、高分辨率成像方法，用于同時測量溶解氧（DO）和pH。該光極由多層結(jié)構(gòu)組成：氧敏感層（PtOEP氧指示劑和QDs參考染料嵌入聚苯乙烯PS）、pH敏感層（5-Fluorescein pH指示劑嵌入Hydromed D4基質(zhì)）和光學(xué)隔離層。系統(tǒng)使用405 nm LED激發(fā)光源和3CCD相機，通過比率測量（紅/藍通道用于氧，綠/藍通道用于pH）減少交叉干擾。實驗表明，光極在溶解氧0-12 mg/L和pH 6-8范圍內(nèi)動態(tài)響應(yīng)良好，交叉敏感性低，并具備高光穩(wěn)定性和長期穩(wěn)定性。應(yīng)用實驗?zāi)M降雨對海水的影響，成功實現(xiàn)了pH和氧的二維時空成像。

研究目的

本研究的主要目的是開發(fā)一種新型比率式平面光極系統(tǒng)，以解決傳統(tǒng)方法（如微電極或單CCD相機）在同時測量pH和溶解氧時的局限性：

 

克服強度測量法對激發(fā)光波動、背景干擾和染料分布不均的敏感性。

避免壽命測量法對復(fù)雜硬件（如高精度相機）的依賴。

 

通過3CCD相機和比率設(shè)計，實現(xiàn)低交叉干擾、高精度的雙參數(shù)同步成像，適用于海水等環(huán)境監(jiān)測。

 

研究思路

研究思路遵循以下步驟：

 

材料設(shè)計與合成：

 

合成疏水性量子點（QDs）作為參考染料（發(fā)射藍光），其光穩(wěn)定性高且對pH/氧不敏感。

 

選擇PtOEP（發(fā)射紅光）作為氧指示劑，5-Fluorescein（發(fā)射綠光）作為pH指示劑。

 

光極制備：

 

采用刀涂法逐層制備：先在聚酯支撐箔上涂覆氧敏感層（~5 μm厚），再覆蓋pH敏感層（~15 μm厚），最后添加碳粉摻雜的光學(xué)隔離層（~7 μm厚）以減少背景干擾。

 

層狀設(shè)計確保各染料空間分離，最小化光譜重疊。

 

測量系統(tǒng)搭建：

 

使用3CCD相機（JAI AT-200GE）分離紅、綠、藍通道，分別捕獲PtOEP、5-Fluorescein和QDs的發(fā)射光，避免單CCD相機插值導(dǎo)致的分辨率損失。

 

通過MATLAB和ImageJ處理圖像，計算比率值（R/B用于氧，G/B用于pH）。

 

性能驗證：

 

校準光極的氧（基于Stern-Volmer方程）和pH（基于Boltzmann方程）響應(yīng)曲線。

測試交叉敏感性、響應(yīng)時間、光穩(wěn)定性和長期穩(wěn)定性。

 

應(yīng)用實驗：模擬降雨對海水pH/氧分布的影響，驗證實地適用性。

 

測量數(shù)據(jù)及研究意義

 

染料光譜數(shù)據(jù)（來自圖3）：

 

數(shù)據(jù)內(nèi)容：PtOEP、5-Fluorescein和QDs的發(fā)射峰分別位于650 nm（紅）、520 nm（綠）和460 nm（藍），光譜重疊可忽略。

 

研究意義：證實3CCD通道可獨立捕獲各染料信號，為比率測量提供基礎(chǔ)；QDs作為參考染料增強信號穩(wěn)定性。

 

校準曲線數(shù)據(jù)（來自圖4）：

 

數(shù)據(jù)內(nèi)容：氧校準曲線符合修正Stern-Volmer方程（R2 > 0.99），pH校準曲線符合S型Boltzmann方程（pKa ≈ 6.95）；在氧0-12 mg/L和pH 6-8范圍內(nèi)響應(yīng)非線性但可靠。

 

研究意義：量化光極的檢測范圍和精度；顯示低交叉敏感性（氧測量在pH 4.5-9.0幾乎無干擾，pH測量在氧<6 mg/L時干擾可忽略）。

 

交叉敏感性數(shù)據(jù)（來自圖5）：

 

數(shù)據(jù)內(nèi)容：不同pH下氧校準曲線高度一致，僅在高氧（>8 mg/L）時出現(xiàn)輕微交叉；pH校準在氧變化時穩(wěn)定性高。

 

研究意義：驗證光極雙參數(shù)測量的可靠性；高氧下的交叉可能源于5-Fluorescein向PtOEP的能量轉(zhuǎn)移。

 

穩(wěn)定性數(shù)據(jù)（來自圖6）：

 

數(shù)據(jù)內(nèi)容：連續(xù)光照100分鐘后，各染料發(fā)光強度下降<10%（QDs:9.82%, 5-Fluorescein:4.70%, PtOEP:6.45%）；浸泡一周后強度下降<14%，比率變化<8.5%。

 

研究意義：光極具備高光穩(wěn)定性和長期穩(wěn)定性，比率測量比強度測量更抗干擾；需定期校準以保持精度。

 

應(yīng)用數(shù)據(jù)（來自圖7和圖8）：

 

 

數(shù)據(jù)內(nèi)容：模擬降雨40秒內(nèi)，海水表層（深0-23 mm）氧濃度上升2.3 mg/L，pH降至7.2；垂直和水平剖面顯示降雨對近界面化學(xué)梯度的顯著影響。

 

研究意義：證明光極能捕獲動態(tài)過程（如降雨引發(fā)的混合效應(yīng)），為環(huán)境監(jiān)測提供時空分辨率數(shù)據(jù)。

 

結(jié)論

 

技術(shù)可行性：成功開發(fā)了一種基于3CCD相機的比率式平面光極，可同步成像pH和溶解氧，交叉干擾低（<7%），動態(tài)范圍覆蓋環(huán)境相關(guān)條件（氧0-12 mg/L, pH 6-8）。

性能優(yōu)勢：比率設(shè)計克服了強度測量的不穩(wěn)定性；響應(yīng)時間快（氧：2-35秒，pH：~16秒），穩(wěn)定性高（強度衰減<10%），優(yōu)于傳統(tǒng)方法。

 

應(yīng)用價值：系統(tǒng)簡單、成本低，適用于海洋沉積物、生物膜等環(huán)境的實時監(jiān)測，為研究化學(xué)梯度提供新工具。

 

詳細解讀使用丹麥Unisense電極測量數(shù)據(jù)的意義

在研究中，丹麥Unisense O?微電極被用作溶解氧測量的參考標準，其數(shù)據(jù)意義如下：

 

校準驗證：

 

數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)：Unisense電極直接測量海水溶解氧濃度（如0.01-10.59 mg/L），與光極數(shù)據(jù)對比（表1顯示絕對誤差<0.78 mg/L，相對誤差<7.35%）。

 

研究意義：提供基準真值，驗證光極校準曲線的準確性（圖4a）；高精度電極數(shù)據(jù)確保光極在低氧（如0.01 mg/L）和超飽和條件下的可靠性。

 

誤差量化：

 

數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)：Unisense電極的測量結(jié)果用于計算光極的絕對誤差（AE）和相對誤差（RE）（如表1：氧濃度7 mg/L時，光極計算值7.432 mg/L，AE=0.432 mg/L）。

 

研究意義：明確光極在極端條件（如高氧>10 mg/L）下的誤差來源（如染料猝滅非線性），指導(dǎo)系統(tǒng)優(yōu)化。

 

環(huán)境應(yīng)用支撐：

 

技術(shù)互補：Unisense電極的點測量與光極的二維成像結(jié)合，提供空間驗證（如降雨實驗中海面氧梯度）；電極的高時間分辨率輔助光極響應(yīng)時間驗證（光極響應(yīng)時間2-35秒，與電極動態(tài)一致）。

 

研究意義：凸顯光極的優(yōu)勢——非侵入式、全場成像，而Unisense電極作為黃金標準確保數(shù)據(jù)可信度，尤其在校準和方法比對中不可或缺。

 

總之，Unisense電極的數(shù)據(jù)不僅強化了光極的可靠性，還體現(xiàn)了多技術(shù)融合在環(huán)境監(jiān)測中的價值：電極提供點精度，光極擴展至空間動態(tài)，共同推動對界面過程（如降雨-海水相互作用）的機制理解。