[发明专利]一种pH荧光传感膜及碱性沉积物pH二维动态分布检测方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种平板电极pH测定技术，具体涉及一种pH荧光传感膜及碱性沉积物pH二维动态分布检测方法，通过荧光分析方法，实现对湖泊或海洋碱性沉积物pH的二维、动态分布信息实时在线获取，同时适合水体及土壤中碱性范围pH的检测。

背景技术

沉积物作为湖泊营养物质重要的储蓄库，是水体营养物质的重要来源。沉积物中污染物或营养盐的迁移转化过程是环境微观领域中研究最活跃的研究方向之一，研究沉积物-水界面营养盐及污染物环境行为一直受到研究者的重视。

pH是评估湖泊、海洋沉积物中各种生物地球化学过程的主要参数，不仅控制沉积物微生物生命代谢过程，而且影响沉积物中营养盐和污染物的迁移转化，对维持生物地球化学循环和生态系统平衡发挥了极其重要作用。沉积物-水界面过程的发生大都以微尺度体现沉积物微环境下的物理、化学和生物效应。沉积物中的生物化学反应以及矿物溶解-沉淀反应会导致沉积物-水界面强烈的pH梯度变化。采用高分辨的技术准确反映pH分布信息及动力学变化是了解沉积物生物地球化学循环的关键。

电化学或化学测量技术是目前使用最广泛、最成熟的pH测量方法，这一方法简单、易操作，但是测量对象仅限于溶液等均匀性流体基质，不适用于沉积物和土壤的测量。微电极法和光纤传感器是近年来新发展的pH检测手段，具有高分辨率，高精确度和原位测量的特点，虽适合于沉积物以及上覆水pH检测，但仅能实现单点测量，且微电极价格昂贵、操作繁琐，无法实时获取沉积物pH二维分布信息。因此，现有的pH测量技术已不能适应现代环境分析检测的要求。

随着科技的发展，基于荧光分析原理的平板电极技术应运而生。平板电极技术突破了光谱技术和电化学分析的传统模式，将新型有机功能材料通过溶胀吸附、物理包埋、化学键合或者共聚结合等方式固定在薄膜基材上，结合光学数字成像技术对目标物和干扰物进行识别，实现对环境样本的原位、无损和在线监测。由于荧光响应时间极短(毫秒-秒级)，线性范围宽，使用平板型传感膜可以获得二维空间的实时动态信息。另外，平板电极设备简单，操作简便，重现性及精准性高，因此该技术具有传统技术无法比拟的巨大优势。尽管如此，当前大多数荧光pH指示剂多集中于酸性(如FITC：pH 4～6)或接近中性区域(如HTPS：pH 5.5～8.6)，严重制约了平板电极技术的应用。碱性沉积物pH监测技术难题体现在两个方面：1)缺乏良好的碱性pH荧光传感膜，且对pH变化响应灵敏；2)如何消减沉积物背景、光源衰减、薄膜漂白等因素干扰，因而针对碱性沉积物pH测量的平板电极技术尚未见报道。

发明内容

本发明针对碱性沉积物pH平板电极测定技术存在的上述问题，旨在提供一种pH荧光传感膜，所述的传感膜pH检测灵敏度、空间分辨率高，对pH变化响应灵敏，适用于检测pH在碱性区间的变化，扩宽了pH平板光电极的适用范围。

本发明的另一目的还在于提供一种碱性沉积物pH二维动态分布检测方法，采用基于荧光分析原理的平板电极技术，通过荧光比率定量减少光学干扰，如光源衰减、沉积物背景值干扰、染料流失或者漂白带来的数据误差，基于所述的碱性pH平板电极，实现对湖泊或海洋碱性沉积物pH的二维、动态分布信息实时、原位获取，该方法也适用于水体及土壤中碱性范围pH的检测。

概括地说，本发明首先合成具有共轭结构的希夫碱化合物4-((1E，3E)-3-((4-氯苯基)亚氨基)-1-丙烯基)-N，N-二甲氨基苯胺(C₁₇H₁₇ClN₂，CPIPA)，然后利用该化合物光致变色效应，对pH为6.0～10.5碱性区间响应进行荧光光谱学分析检测；其次，将CPIPA染料，与具有参比效应和增亮效应的另一种荧光染料-荧光黄10-GN，按照优化比例进行充分混合，然后通过化学包埋法将两种染料固定在薄膜基材上制得pH荧光传感膜。将pH荧光传感膜置于沉积物中，通过成像装置，在特定激发光照射下获得两种染料光谱信息，通过计算和转化可以获得到沉积物pH的分布特征。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种pH荧光传感膜，包括薄膜基材，其特征在于，将荧光染料CPIPA和荧光黄10-GN均匀混合，通过化学包埋法将两种荧光染料固定在薄膜基材表面。

所述的CPIPA和荧光黄10-GN的重量比为1∶1～4，优选1∶2。本发明将不同比例的CPIPA染料与具有参比效应和增亮效应的另一种荧光染料-荧光黄10-GN混合作为荧光指示剂，通过化学包埋法固定在基材表面后，得到适中的信号强度来表征pH值的高低。