张巍巍;史凯兴;赵小兵;秦朝菲
【摘 要】本文对有机染料罗丹明B(RhB)的荧光光谱受温度、应力以及pH值等物理或化学量的影响进行了研究.实验采用波长为405 nm的激光激发RhB/H610胶黏剂复合材料或RhB水溶液,得到其荧光发射谱,用谱峰频移及新型表征方法“谱带重心频移法”分析了环境参数对谱带位置的影响,并通过线性拟合得到了RhB荧光谱带重心λB传感温度、压应力以及pH值的传感方程.结果表明,谱带重心频移法有效抑制了光强涨落的白噪声,能够显著提高传感的精度和稳定性.在测量范围中间值附近,重心法对温度、压应力以及pH值传感的相对灵敏度分别为0.026％/℃,0.09 ％/MPa和0.34％.由于RhB具有很高的发光效率和优异的生物相容性,因此基于RhB荧光的传感方法在生物体系的检测表征方面具有较高的应用价值.%The influence of physical or chemical factors such as temperature,stress and pH value on the fluorescence spectrum of organic dye rhodamine B (RhB) was researched experimentally.An RhB/H610-resin composite and aqueous solutions of RhB were excited under a diode laser with a wavelength of 405 nm.Then,the fluorescence spectra were obt ained.The peak shift and the newly proposed barycenter shift of the emission band were employed to characterize the effect of the environmental factors on the band location.The sensing functions of waveband barycenter λB with temperature,stress and pH value were respectively fitted linearly.The result shows that the barycenter method can effectively eliminate the random noise which mainly originated from the fluctuation of fluorescence intensity and light detector.Hence a finer precision was achieved in comparison with the peak shift method.The relative sensitivities of the barycentric method to the temperature,compressive stress and pH value are 0.026％/℃,0.09％/MPa and 0.34％ respectively.Taking the advantages of the high fluorescence efficiency and biological histocompatibility of RhB,the fluorescent sensing with RhB is a promising candidate for characterization of biological samples.Particularly,it is suitable for applications in the real-time monitoring of microwave treatment.
【期刊名称】《光学精密工程》
【年(卷),期】2017(025)003
【总页数】6页(P591-596)舌骨
【关键词】261医院荧光传感;罗丹明B;频移;温度;应力;pH值
竹塑【作 者】张巍巍;史凯兴;赵小兵;秦朝菲
【作者单位】南昌航空大学江西省光电检测技术工程实验室,江西南昌330063;南昌航空大学江西省光电检测技术工程实验室,江西南昌330063;南昌航空大学江西省光电检测技术工程实验室,江西南昌330063;南昌航空大学江西省光电检测技术工程实验室,江西南昌330063
呜莎测试【正文语种】中 文
【中图分类】O657.31
荧光光谱分析方法与吸收光谱、散射光谱等相比，能级选择性好、灵敏度高，相应地对荧光物质的环境变化也较敏感，因此在传感温度、应力、化学气氛等方面有较广泛的应用。例如，对于某些有机荧光材料，环境改变其荧光基团的物理、化学性质，其荧光信号的变化反映了环境参数的变化[1]。这种荧光传感方法免疫电磁干扰、响应快速实时，适于非接触测量[2-3]，具有良好的应用前景和产业化价值。
罗丹明类染料是典型的有机发光材料，具有摩尔吸光系数高、光稳定性好、波长范围宽以及量子产率高等优点，是分析化学和生物医学等领域中常用的有机染料，广泛应用在分子生物学、细胞生物学、荧光标记、荧光探针等方面[4]。作为一种常见的罗丹明类染料，罗丹明B(RhB)衍生物材料廉价易得、毒性小，其荧光在可见光波段，便于探测，已知该材料对pH[5-6]、温度[7-8]等物理或化学量变化非常敏感，但它受应力影响的光谱特性则未见相关报道。
本文针对未作任何改性处理的RhB，研究了RhB/胶粘剂复合材料或RhB水溶液的荧光光谱受温度、应力以及pH值等物理或化学量的影响。实验中测量不同形态样品的荧光发射谱，用谱峰频移以及所提出的“谱带重心频移法”[9](以下简称重心法)分别分析各环境参数对谱带位置的影响，总结得到了荧光传感温度、压应力以及pH值的传感方程。实验结果表明，重心法能有效地消除光强信号涨落的白噪声，显著提高传感精度和稳定性[10]。
2.1 敏感材料的处理与制备
对应于不同的物理量或化学量，将RhB作为基础敏感材料直接使用或与H610胶黏剂混合固化为复合材料后构成不同的材料形态A、B、C，如图1所示，分别用于温度、应力、pH值
的传感检测。在测温实验中，取0.05 g的RhB粉末溶于50 mL乙醇，将所配醇溶液与H610胶黏剂按5∶1(V/V)配比均匀混合后涂覆在加热板上，在室温空气中静置12 h以上，待H610彻底固化，得到RhB/H610复合材料最终形态A。在应力传感实验中，将相同成分比例的RhB/H610复合材料裁剪成片状(3 mm×3 mm×1 mm，材料形态B)。在pH值传感实验中，则把50 mg的RhB粉末溶于500 mL蒸馏水，渐次向溶液中加入甘氨酸连续改变其pH值，用磁力搅拌器搅拌均匀并在恒温加热台上保持溶液温度稳定，即为溶液形态C。
2.2 传感系统
2.2.1 温度传感
以中心波长为405 nm的半导体激光器激发敏感材料A，探头发射的荧光经滤光片过滤掉散射及反射的激发光成份后，耦合进入光纤光谱仪(型号：AvaSpec-2048TEC-USB2)。在一块加热板上获得25～65 ℃的温度变化，用一个精度为0.1 ℃的K型热电偶温度计比对标定荧光温度敏感材料。
2.2.2 应力传感
以中心波长为405 nm的半导体激光器激发复合材料B，保持原位测量荧光光谱，敏感材料夹持在推力计和BK7玻璃片之间。探头发射的荧光经滤光片过滤掉散射及反射的激发光成份后，耦合进入光纤光谱仪。在恒定温度(室温)下，渐次增大样品的压应力，记录材料B随压应力变化的光谱。
2.2.3 pH传感
溶液恒定在25 ℃，用中心波长为405 nm的半导体激光照射材料C，溶液的荧光经滤光片过滤掉散射的激发光成份后，耦合进入光纤光谱仪。pH值为5.9～6.6，间隔0.1测试荧光光谱，用精度为0.05的pH计进行比对标定。
3.1 温度传感
如图2插图所示，随着温度的升高，复合材料的发射谱积分面积(即荧光强度)总体表现为先升高再下降，因此不能用单一的温度猝灭荧光现象来描述及解释。该现象的起因是有机物复合材料较显著的热膨胀效应，该效应导致RhB的分散程度随温度的升高而持续增大，RhB分子间的能量传递相应地被弱化，客观上降低了能量传递过程中与猝灭中心发生作用
的几率。当温度升高到一定程度，分子碰撞剧烈，温度猝灭效应的影响占据主流，荧光光强随之下降。
荧光强度直接用于温度传感的现有方案是稳态荧光强度法。该方法通过检测荧光发射强度相对于标准温度下参考光强的变化来反映温度变化[7]，其测量结果易受光源功率波动和光路稳定性的影响，精度不高。在本实验中，因为光强随温度的变化本身不是一个单调函数，所以RhB/H610复合材料不适于这种荧光强度式的温度传感。
从光谱图上计算的光强并不是荧光材料的固有特征，因为它一般是正比于激发光强度的。荧光材料的本征特征用于传感时具有更好的稳定性和重复性。荧光谱峰的(波长)位置是荧光材料的本征特性，它随温度的变化而频移。表征荧光谱峰的位置一般用峰值波长，即光谱上最大光强对应的波长位置。但相较于检测谱峰波长，谱带重心作为一种新的光谱定位特征，能更加精确地描述谱带的位置[9-10]。这是因为宽带谱的峰值波长读取精度受限于光谱仪的分辨率和荧光谱的信噪比，而重心法的数据处理过程中包含有谱带面积计算过程，这种累加计算起到了类似于取样平均法降噪的效果，能有效地降低白噪声的影响、提高信噪比。重心定义为谱带面积的均分波长。特别地，当谱型对称时，谱峰波长两侧的半峰面积相等，此时谱带重心和谱带峰值波长重合。
图3展示了敏感材料荧光发射谱带的重心波长λB及峰值波长位置λp随温度T变化而移动的规律，分别拟合得出各自的温度传感方程为：λB=600.79+0.16T，λp=598.6+0.06T。很明显，重心法的数据点分布平滑、规律，而峰位法的数据较为离散。以25 ℃的谱带重心及谱峰波长作参考，重心法与谱峰波长移动法的相对灵敏度分别为0.026%/℃和0.01%/℃，差别不大。重心法的显著优势是拟合相对误差(6.7%)比谱峰波长传感灵敏度的相对误差(27.5%)小得多。重心法得到的温度传感方程的置信系数达0.96，表明线性拟合的结果是正确的。絮凝剂
3.2 压应力传感
黎川县幼儿园样品B的原位发射光谱如图4所示。当加载外力时，样品厚度减小，单位承压面积的样品含有的荧光分子数量减少、分子平均距离也减小，导致荧光强度下降。如前所述，荧光强度的变化不属于敏感材料的本征特性，因此图中对荧光发射谱进行了强度归一化处理，以便于观察谱峰移动、展宽等谱型参数变化。
图5展示了敏感材料荧光发射谱带的位置(重心位置及谱峰波长位置)随压应力的移动。这种力敏频移通常被称为荧光压谱效应[11-14]。谱带重心λB与压应力σ呈现单调的二次函数关
系：λB=620.89-1.08σ+0.1σ2。当正压力为2.5 MPa 时，其灵敏度约为0.58 nm/MPa，相对灵敏度为0.09%/MPa。
由图5的重心传感曲线还可以看出，样品处于自由不受力状态的数据点与拟合曲线有一定偏离，这应为复合材料样品在制备过程中胶黏剂固化收缩产生的残余应力的影响。重心法传感与峰位法传感表现的差异与温度传感中相似，峰位变化数据点较离散，难以判定其规律。如果遵循其大致趋势采用线性拟合，拟合直线斜率的相对不确定度高达16.4%、拟合置信系数仅为0.8，由此表明这种传感方式的精度较低。谱带重心波长位置代替峰值位置用于传感，提高了传感精度和分辨力，不足0.05 MPa的微小应变变化也能被观测到。而荧光压谱技术中常用的标准物质红宝石的压谱系数仅为5.5 cm-1/GPa[11-12，15]，本实验方案得到的传感灵敏度与之相比提高了近3个数量级。
3.3 pH值传感
温度、应力等物理量能改变RhB分子的环境，从而影响其荧光峰的波长位置。除此之外，化学环境的变化也有类似效果。RhB的荧光受环境介质的极性影响，在RhB水溶液中，pH值影响RhB的荧光强度、峰位等发光性质。图6为激发光功率保持稳定时RhB/甘氨酸水溶
液的发射光谱。在实验条件稳定的情况下，荧光强度的变化可以反映pH值的变化，如图6插图所示，由此可以测量甘氨酸的浓度变化。这种传感方法在生物分析化学、细胞生物学(量度细胞内pH值)等方面具有潜在应用前景。不过这种以强度为基础的传感方式受光强涨落、环境变化等干扰较大，一般不适用于高精度传感。当测试稳定性要求较高时，仍然需要检测敏感材料荧光的本征参数，如峰位、线宽等。
图7中拟合给出了实验pH值范围内RhB荧光谱带重心传感pH值的经验传感方程。pH值为6.3时，重心法传感的相对灵敏度为0.34%。而峰位法几乎不能有效地观察到荧光峰值波长位置的变化，这与经验是吻合的，弱酸性环境中pH值的微小变化并不显著改变谱型。由此再次验证了与峰位法传感相比，谱带重心法用于表征谱带位置能极大改善传感精度、提高分辨力。
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