專利名稱：可實(shí)時(shí)監(jiān)測血液pH值的熒光光纖傳感器及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種可實(shí)時(shí)檢測血液pH值的熒光光纖傳感器及其制備方法，用于持 續(xù)監(jiān)測血液pH的實(shí)時(shí)變化。
背景技術(shù)：
pH值的測定在各類科學(xué)研究和實(shí)際應(yīng)用中是很重要的。在臨床醫(yī)學(xué)上，危重病人 的搶救中血液pH值的快速和連續(xù)測定至關(guān)重要，血液pH值是判定患者代謝狀態(tài)的非常關(guān) 鍵的指標(biāo)，許多臨床治療措施往往根據(jù)患者血液的PH而定。pH檢測儀的研制也因此備受關(guān) 注。目前醫(yī)學(xué)上使用最廣泛的PH檢測儀是血?dú)夥治鰞x，它以玻璃電極法為原理，但存在需 要采集血樣、非連續(xù)、檢測報(bào)告滯后等缺陷。光纖pH傳感器針對(duì)玻璃電極檢測法的不足有了很大的改進(jìn)。在光纖pH傳感器的 研究中，由于熒光法固有的靈敏度與選擇性，熒光測量信號(hào)的豐富及設(shè)計(jì)的簡便，基于熒光 原理的傳感器研究異常活躍。文獻(xiàn)己報(bào)道了許多熒光PH傳感器，主要是通過測量熒光強(qiáng)度 的變化、熒光壽命的長短或兩個(gè)波長處熒光強(qiáng)度比率的改變來實(shí)現(xiàn)溶液中的PH測定。但由 于多數(shù)熒光物質(zhì)穩(wěn)定性差或由于熒光檢測設(shè)備復(fù)雜、費(fèi)用高，在實(shí)際應(yīng)用中受到限制，尤其 是在血液PH6. 8-7. 8的酸堿度范圍內(nèi)有靈敏反應(yīng)的熒光物質(zhì)更少。在傳感器研發(fā)中的另一 個(gè)突出難題是熒光物質(zhì)的固定，文獻(xiàn)報(bào)道中多數(shù)是基于物理包埋的方法，利用高分子材料 聚合后形成的致密網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)阻止熒光物質(zhì)流失，但在實(shí)際應(yīng)用中，由于熒光物質(zhì)分子較小 及大多數(shù)為水溶性，穩(wěn)定性差。少數(shù)傳感器是利用共價(jià)鍵連接的固定法，固定較牢靠，但此 類熒光物質(zhì)必須有可供鍵合的雙鍵，這種對(duì)PH敏感的熒光染料還很少。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種反應(yīng)快、選擇性及可靠性好、 靈敏度高，可持續(xù)感受血液pH的熒光光纖傳感器及其制備方法。為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是提供一種可實(shí)時(shí)檢測血液pH值的熒光 光纖傳感器，包括計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)通過USB連線連接光譜儀的輸出端，光譜儀的輸入端連接 Y形的光纖的一個(gè)頭端，光纖的另一頭端連接光源，尾端形成探頭，其特征在于，所述探頭包 括去除有機(jī)包層后的光纖以及設(shè)于該光纖外側(cè)的感受膜，感受膜中含有萘二甲酸酐衍生物 類敏感熒光染料，所述萘二甲酸酐衍生物類敏感熒光染料與光纖表面采用共價(jià)鍵連接。所述的萘二甲酸酐衍生物類敏感熒光染料為N-烯丙基-4-哌嗪-1，8-萘酰亞胺。本發(fā)明還提供了上述熒光光纖傳感器的制備方法，其特征在于，包括在光纖的尾 端形成探頭，將光纖的二個(gè)頭端分別與光源和光譜儀的輸入端連接，將光譜儀的輸出端連 接計(jì)算機(jī)，其特征在于，所述探頭的形成方法如下第一步將甲基丙烯酸羥乙酯1重量份或聚乙二醇二丙烯酸酯1重量份溶于去離 子水0. 1 5重量份中配成溶液；將萘二甲酸酐衍生物類敏感熒光染料1重量份溶于上 述溶液10 200重量份中；加入偶氮二異丁腈1 X 10_4 2X 10_4重量份，或亞硫酸氫鈉5 X 10_5 7 X 10_5重量份和過硫酸鉀0. 5 X 10_5 1. 5 X 10_5重量份的混合物；再加入Y -甲 基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷1X 10_4 10X 10_4重量份得到敏感熒光染料溶液；第二步將第一步得到的敏感熒光染料溶液涂敷于硅烷化的光纖上，在氮?dú)獗Ｗo(hù) 下加熱至40 120°C維持3 20小時(shí)，然后用雙蒸水和甲醇反復(fù)沖洗光纖，室溫干燥，形成 探頭。本發(fā)明的原理是1、利用熱聚合法將硅烷化的光纖與敏感熒光染料N-烯丙 基-4-哌嗪-1，8-萘酰亞胺以及甲基丙烯酸羥乙酯或聚乙二醇二丙烯酸酯共價(jià)連接，一方 面，使得敏感熒光染料與光纖表面采用共價(jià)鍵結(jié)合，改善了結(jié)合的穩(wěn)定性和牢固性，另一方 面，甲基丙烯酸羥乙酯或聚乙二醇二丙烯酸酯可在光纖表面形成一層凝膠膜，敏感熒光染 料位于其中，不易脫落。2、N-烯丙基-4-哌嗪-1，8-萘酰亞胺經(jīng)395nm波長的光源激發(fā)后， 發(fā)出518nm波長的熒光，此熒光的強(qiáng)度受溶液pH的影響，酸性溶液使其熒光增強(qiáng)，堿性溶液 減弱其熒光。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是1、N-烯丙基-4-哌嗪-1，8_萘酰亞胺引入端基雙鍵，使之能共 聚在硅烷化處理過的光纖上，實(shí)現(xiàn)了共價(jià)固定敏感染料的熒光PH傳感器的制備，有效防止 熒光載體的流失，延長傳感器的使用壽命。2、固定后的N-烯丙基-4-哌嗪-1，8-萘酰亞胺 的熒光強(qiáng)度在酸性溶液中增強(qiáng)，在堿性溶液中熒光猝滅，表現(xiàn)出良好的pH線性關(guān)系。傳感 器的反應(yīng)時(shí)間短，重復(fù)性和可逆性良好。因此共價(jià)固定敏感染料，用敏感染料的熒光強(qiáng)度的 作為測量信號(hào)可以準(zhǔn)確地反映溶液pH的變化。3、本發(fā)明的傳感器可用于血液中的pH測定， 且血液中易波動(dòng)的無機(jī)離子、有機(jī)物及膠體和晶體滲透壓在病理生理范圍內(nèi)幾乎不干擾測 定。因此，該傳感器具有對(duì)氫離子特異敏感性，可以準(zhǔn)確測定血液PH的快速變化。


圖1為熒光光纖傳感器結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為探頭的剖面圖；圖3為熒光強(qiáng)度隨緩沖溶液pH值變化的曲線圖；圖4為本傳感器在不同PH緩沖溶液中，其熒光強(qiáng)度隨時(shí)間變化的曲線圖；圖5為熒光強(qiáng)度隨動(dòng)脈血流pH值變化的曲線圖；圖6為傳統(tǒng)血?dú)夥治鰞x測量的動(dòng)脈血液pH值與由本發(fā)明的光纖熒光傳感器測算 的動(dòng)脈血液pH值之間做的Bland-Altman分析圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合實(shí)施例來具體說明本發(fā)明。實(shí)施例1N-烯丙基-4-哌嗪-1，8-萘酰亞胺的合成將1.5g 4-溴-1，8萘二甲酸酐加入0.2ml丙烯胺中，溶于50ml乙醇中回流5小 時(shí)。反應(yīng)結(jié)束，待溶液冷卻后用乙醇沖洗，干燥后得到1. 0g淡黃色固體。將該黃色固體溶于 15ml乙二醇甲醚中，然后加入1.8g無水磷酸哌嗪，回流3小時(shí)。反應(yīng)結(jié)束后，產(chǎn)物冷卻，加 入20ml雙蒸水，過濾，雙蒸水沖洗后干燥，得到的黃色固體為N-烯丙基-4-哌嗪-1，8-萘 酰亞胺。
光纖的硅烷化將普通石英光纖浸入體積百分?jǐn)?shù)為75%的硫酸和體積百分?jǐn)?shù)為25%的過氧化氫 混合溶液中浸泡30min，再用雙蒸水沖洗干凈，將1ml 甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅 烷與1000ml乙醇和1滴37%的鹽酸混合，攪拌混勻。將上述光纖浸入此溶液2h，最后用乙 醇和雙蒸水沖洗干凈，120°C干燥得到硅烷化的光纖。實(shí)施例2如圖1所示，為熒光光纖傳感器結(jié)構(gòu)示意圖，所述的熒光光纖傳感器，包括計(jì)算機(jī) 1，計(jì)算機(jī)1通過USB連線連接光譜儀2的輸出端，光譜儀2的輸入端連接Y形的光纖3的 一個(gè)頭端，光纖3的尾端形成探頭5、另一個(gè)頭端連接光源4，如圖2所示，為探頭的剖面圖， 所述探頭5包括去除光纖包層6后的光纖3以及設(shè)于光纖3外側(cè)的感受膜7，感受膜7中含 有按照實(shí)施例1方法合成的N-烯丙基-4-哌嗪-1，8-萘酰亞胺。所述的光纖3為直徑為 50 ii m lcm的石英光纖。所述的感受膜8的厚度為5 y m 100 y m。探頭6直徑0. 6mm, 長 lcm。上述熒光光纖傳感器的制備方法，包括在光纖3的尾端形成探頭5，將光纖3的頭 端與光源4和光譜儀2的輸入端連接，將光譜儀2的輸出端連接計(jì)算機(jī)1，所述探頭5的形 成方法如下第一步將甲基丙烯酸羥乙酯1重量份溶于去離子水5重量份中配成溶液；將萘 二甲酸酐衍生物類敏感熒光染料1重量份溶于上述溶液10重量份中；加入偶氮二異丁腈 1. 5X 10_4重量份；再加入、-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷1 X 10_4重量份得到敏感 熒光染料的聚合溶液；第二步將第一步得到的敏感熒光染料溶液1ml涂敷于按照實(shí)施例1的方法制得 的硅烷化的光纖3上，在氮?dú)獗Ｗo(hù)下加熱至40°C維持20小時(shí)，然后用雙蒸水和甲醇反復(fù)沖 洗光纖，室溫干燥，形成探頭5。實(shí)施例3熒光光纖傳感器及其制備方法類似于實(shí)施例2，區(qū)別在于所述探頭5的形成方法 如下第一步將聚乙二醇二丙烯酸酯1重量份溶于去離子水0. 1重量份中配成溶液； 將萘二甲酸酐衍生物類敏感熒光染料1重量份溶于上述溶液200重量份中；加入亞硫酸氫 鈉6X10—5重量份和過硫酸鉀1X10—5重量份的混合物；再加入甲基丙烯酰氧基丙基三 甲氧基硅烷10X 10_4重量份得到敏感熒光染料的聚合溶液；第二步將第一步得到的敏感熒光染料溶液0. 5ml涂敷于按照實(shí)施例1的方法制 得的硅烷化的硅烷化的光纖3上，在氮?dú)獗Ｗo(hù)下加熱至120°C維持3小時(shí)，然后用雙蒸水和 甲醇反復(fù)沖洗光纖，室溫干燥，形成探頭5。實(shí)施例4熒光光纖傳感器及其制備方法類似于實(shí)施例2，區(qū)別在于所述探頭5的形成方法 如下第一步將甲基丙烯酸羥乙酯1重量份溶于去離子水1重量份中配成溶液；將萘 二甲酸酐衍生物類敏感熒光染料1重量份溶于上述溶液100重量份中；加入偶氮二異丁腈 1. 5X 10_4重量份；再加入Y -甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷5 X 10_4重量份得到敏感
5熒光染料的聚合溶液；第二步將第一步得到的敏感熒光染料溶液0. 5ml涂敷于按照實(shí)施例1的方法制 得的硅烷化的硅烷化的光纖3上，在氮?dú)獗Ｗo(hù)下加熱至80°C維持10小時(shí)，然后用雙蒸水和 甲醇反復(fù)沖洗光纖，室溫干燥，形成探頭5。應(yīng)用例1使用實(shí)施例4中的熒光光纖傳感器，在暗環(huán)境中進(jìn)行熒光測量，光源4為395nm LED，光譜儀2為USB2000型。將探頭5固定于裝有緩沖溶液的檢測裝置中。光源4發(fā)出的 輻射通過光纖3傳輸?shù)教筋^5上，并激發(fā)探頭5中的敏感熒光染料，發(fā)射的熒光返回到光譜 儀2，進(jìn)行測定。在檢測裝置中置入不同pH值的HEPES緩沖溶液，pH值在6. 0-8. 0范圍內(nèi)的HEPES 緩沖溶液用0. 1M的NaOH溶液滴定10M的HEPES溶液來制備，探頭5固定于檢測裝置的同 一位置，固定激發(fā)波長395nm，發(fā)射波長518nm。記錄不同pH值下敏感染料的熒光強(qiáng)度。以 pH為橫坐標(biāo)，熒光強(qiáng)度為縱坐標(biāo)，用Excell軟件繪圖，可得到圖3所示的熒光強(qiáng)度隨緩沖溶 液PH值變化的曲線圖，在PH6-8范圍內(nèi)，熒光強(qiáng)度與pH呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系，以及較好的 可逆性。以時(shí)間為橫坐標(biāo)，熒光強(qiáng)度為縱坐標(biāo)，得到圖4所示的本傳感器在不同PH緩沖溶 液中，其熒光強(qiáng)度隨時(shí)間變化的曲線圖，傳感器具有很快的反應(yīng)速度和很好的可重復(fù)性。本 傳感器可檢測最低0. 075單位的pH值的變化。在緩沖溶液中加入多種臨床上重要的離子 并且造成不同的滲透壓，熒光強(qiáng)度被影響程度較低，對(duì)本傳感器檢測的最大影響為0. 05個(gè) pH單位。實(shí)時(shí)監(jiān)測實(shí)驗(yàn)動(dòng)物血液的酸堿度將探頭6插入并固定于家兔頸動(dòng)脈的側(cè)支循環(huán) 中，人為造成家兔代謝性酸中毒或堿中毒，以傳統(tǒng)的血?dú)夥治鰞x所測得的動(dòng)脈血PH值作為 橫坐標(biāo)，以傳感器的熒光強(qiáng)度作為縱坐標(biāo)，可得到圖5所示的N-烯丙基-4-哌嗪-1，8-萘 酰亞胺的熒光強(qiáng)度隨動(dòng)脈血流PH值變化的曲線圖，在pH7. 1-7. 6范圍內(nèi)，熒光強(qiáng)度與pH呈 現(xiàn)良好的線性關(guān)系。如圖6所示，為傳統(tǒng)血?dú)夥治鰞x測量的動(dòng)脈血液pH值與由本發(fā)明的光 纖熒光傳感器測算的動(dòng)脈血液PH值之間做的Bland-Altman分析圖，本發(fā)明的熒光光纖傳 感器在體持續(xù)測量血液PH具有很高的準(zhǔn)確性。
權(quán)利要求
一種可實(shí)時(shí)檢測血液pH值的熒光光纖傳感器，包括計(jì)算機(jī)(1)，計(jì)算機(jī)(1)通過USB連線連接光譜儀(2)的輸出端，光譜儀(2)的輸入端連接Y形的光纖(3)的一個(gè)頭端，光纖(3)的另一頭端連接光源(4)，尾端形成探頭(5)，其特征在于，所述探頭(5)包括去除有機(jī)包層后的光纖(3)以及設(shè)于該光纖(3)外側(cè)的感受膜(7)，感受膜(7)中含有萘二甲酸酐衍生物類敏感熒光染料，所述萘二甲酸酐衍生物類敏感熒光染料與光纖(3)表面采用共價(jià)鍵連接。
2.如權(quán)利要求1所述的熒光光纖傳感器，其特征在于，所述的萘二甲酸酐衍生物類敏 感熒光染料為N-烯丙基-4-哌嗪-1，8-萘酰亞胺。
3.權(quán)利要求1所述的熒光光纖傳感器的制備方法，其特征在于，包括在光纖(3)的尾端 形成探頭(5)，將光纖(3)的二個(gè)頭端分別與光源(4)和光譜儀(2)的輸入端連接，將光譜 儀(2)的輸出端連接計(jì)算機(jī)(1)，其特征在于，所述探頭(5)的形成方法如下第一步將甲基丙烯酸羥乙酯1重量份或聚乙二醇二丙烯酸酯1重量份溶于去離子水 0. 1 5重量份中配成溶液；將萘二甲酸酐衍生物類敏感熒光染料1重量份溶于上述溶液 10 200重量份中；加入偶氮二異丁腈1 X 10_4 2 X 10_4重量份，或亞硫酸氫鈉5 X 10_5 7 X 10_5重量份和過硫酸鉀0. 5 X 10_5 1. 5 X 10_5重量份的混合物；再加入Y -甲基丙烯酰 氧基丙基三甲氧基硅烷1 X IO-4 IOX 10_4重量份得到敏感熒光染料溶液；第二步將第一步得到的敏感熒光染料溶液涂敷于硅烷化的光纖(3)上，在氮?dú)獗Ｗo(hù) 下加熱至40 120°C維持3 20小時(shí)，然后用雙蒸水和甲醇反復(fù)沖洗光纖，室溫干燥，形成 探頭(5)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種可實(shí)時(shí)監(jiān)測血液pH值的熒光光纖傳感器及其制備方法，所述的熒光光纖傳感器的探頭包括光纖以及設(shè)于光纖外側(cè)的感受膜，感受膜中含有萘二甲酸酐衍生物類敏感熒光染料，所述萘二甲酸酐衍生物類敏感熒光染料與光纖表面采用共價(jià)鍵連接。其制備方法中，所述探頭的形成方法如下將甲基丙烯酸羥乙酯或聚乙二醇二丙烯酸酯溶于去離子水中；將萘二甲酸酐衍生物類敏感熒光染料溶于上述溶液中；加入催化劑；再加入γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷得到敏感熒光染料溶液；將敏感熒光染料溶液涂敷于硅烷化的光纖上形成探頭。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是能有效防止熒光載體的流失，延長傳感器的使用壽命。
文檔編號(hào)C09D133/24GK101881732SQ20101019111
公開日2010年11月10日 申請(qǐng)日期2010年6月2日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月2日
發(fā)明者宋元林, 白春學(xué), 蔣進(jìn)軍, 金偉中 申請(qǐng)人:復(fù)旦大學(xué)附屬中山醫(yī)院