廣范pH試紙的熒光pH傳感特性及應用

張巍巍，趙小兵，徐如輝

(南昌航空大學 江西省光電檢測技術工程實驗室, 江西 南昌 330063)

1 引 言

在石油化工、環保監測、生物醫學、食品及釀造等諸多領域，pH值是過程及最終檢驗的一個重要參數[1-4]。目前，pH的測量方法主要有電化學法、指示劑法及光學傳感器法等，其中尤其是電化學法以及指示劑法較為常見。電化學法的局限性包括：不適于極端pH測量和活體pH監測、傳統玻璃電極的阻抗高、易破損且易受含氟溶液腐蝕、在高堿性環境中有“鈉誤差”[5-7]。指示劑法包括使用石蕊、酚酞等人們所熟知的顯色試劑，另外最常用、最便捷、最廉價的方式是使用pH試紙。各種pH試紙的成分略有不同，其中常見的廣范pH試紙使用甲基紅、溴甲酚綠、百里酚藍的混合物作指示劑。pH試紙通常的使用方法是，將浸漬了被測液體后變色的濕潤的試紙迅速與標準色卡比對顏色，讀取對應的pH值。但人眼對同一顏色的響應因人而異、環境光的顯色指數也會影響對顏色的判斷、標準色卡及試紙可能會褪色，這些因素導致以人工方式來判別pH值的精度較低。此外，由于廣范pH試紙本身的特性，在測量弱緩沖溶液及低濃度酸堿溶液pH值時，顏色變化不明顯。因此，在相應pH范圍內試紙的應用受到了限制。相對地，光學法pH檢測在以上電化學方法及指示劑法的各自局限方面顯示出獨特的優勢。

光學原理的傳感方法以其高的靈敏度和準確性已被廣泛應用于壓力傳感[8-10]、溫度傳感[9-13]、濃度檢測[14]等方面。近幾年光學pH傳感日益受到重視，相關研究的一個重點方向是以熒光物質為pH敏感材料的熒光pH探針，其中又以熒光素衍生物類[15]、羅丹明衍生物類[10,16-18]、萘酰亞胺類[19]、香豆素類[20]和蒽類[21]等熒光物質較常見。這些物質熒光的pH敏感性多數可歸因于“turn-on-off”機理，需要設計合成具有特殊分子結構的pH敏感材料，對實驗條件要求較高。而對于未經改性處理的有機染料，例如羅丹明B，其本身的熒光往往也具有pH敏感性但較不明顯，用特殊的信號處理方法分析熒光信號也能歸納出pH傳感規律[10,17]。pH試紙使用的pH指示劑是混合的有機染料，具有熒光特性且熒光受pH影響，這就使得它與自動化光譜儀器相結合成為可能，從而可以構成一種新型熒光pH檢測裝置。

本文搭建了一種熒光pH傳感系統，對廣范pH試紙在pH為2.20～12.50范圍內的熒光特性進行探索，分析其熒光發射光譜數據，采用譜帶峰值位置和新型參數“譜帶重心”[9-12,17]為pH傳感信號，最終得出pH試紙的熒光pH傳感規律。這種新型的熒光pH值傳感方式使得pH值的檢測不再依賴于有主觀判斷性的操作人員，而是可重復的儀器設備。此外，本文的傳感方式是將濕潤的試紙晾干后測量，有效地消除了試紙褪色對測量的影響；試紙樣品可保存，實驗可在同一試紙上重復、數據可追溯。該方法相較于應用上相對成熟的微電極、吸收光譜等幾種pH值精密檢測方法有著更好的便利性、穩定性和靈敏度，同時還能拓展廣范pH試紙在弱緩沖溶液及低濃度酸堿溶液pH值檢測方面的功能，并有免疫電磁干擾、可遠程檢測、受有色溶液顏色的影響較小等一些突出優點。

2 敏感材料及傳感系統

2.1 實驗材料

用檸檬酸(上海申博化工有限公司，分析純)與磷酸氫二鈉(西隴化工有限公司，分析純)配制pH值在2～8之間、間隔為1的一系列pH緩沖溶液；用碳酸氫鈉(恒興試劑，分析純)和氫氧化鈉(浦東化學試劑廠，分析純)配制pH值在9～12.5之間、間隔為1的一系列pH緩沖溶液。向蒸餾水中混合溶解實驗藥品時，使用精度為0.05的筆型pH計實時標定溶液的pH值。將B-廣范pH試紙(上海三愛思試劑有限公司產品)均勻地浸漬配制好的pH緩沖溶液，等完全潤濕顯色后取出與標準色卡比對，然后靜置于空氣中自然晾干備用。

2.2 實驗系統

如圖1所示，實驗系統的核心是一臺分辨率為5.4nm、光譜范圍180～1330nm的光纖光譜儀(型號：Ava Spec-EDU-UV/Vis)。采用中心波長為405nm的激光照射試紙樣品，樣品的熒光先經入射光纖端口處的濾色片過濾掉混入的反射激發光成分，然后耦合到光譜儀，在電腦上記錄不同樣品的熒光發射光譜數據。實驗中為了保證測試光路不變，用雙層玻璃夾具輔助限制樣品在被測時的位置，制備好的pH試紙樣品夾持在雙層玻璃片之間。

圖1 實驗系統示意圖Fig.1 Schematic diagram of the experimental setup

3 結果與討論

3.1 pH試紙檢測

將試紙浸入已由pH計標定了pH值的不同緩沖溶液中，半秒鐘后取出，通過肉眼與標準比色卡比較讀出剛浸濕狀態下的顯色狀況下的pH值。如圖2(a)所示，pH試紙常規用法的測試結果與pH計的標定數值基本一致，但精度較低。這也是為什么一般僅在測試精度要求不是太高的情況下采用pH試紙。當pH差異較小時，采用該目測方法存在明顯的判斷困難。例如，pH計讀數分別為5.00和6.00的溶液，人工肉眼觀察或從照片上觀察比較濕潤的試紙，顏色基本相同，難以判斷這兩個被測溶液的pH值是否存在差異。即使大量使用pH試紙多次重復測試也不能避免這些實際問題。

待試紙自然晾干后，由于自然光照降解等各種原因導致試紙自然褪色，如圖2(b)所示，這種狀態的pH試紙樣品不適合再次與標準比色卡比對讀取pH值。不僅如此，在pH值不同的液體中顯出不同顏色的試紙，它們干燥后的顏色變得更加相近。在堿性范圍(pH比色卡原始讀數9～12)尤為明顯，各試紙最終樣品的顏色變得幾乎完全相同。也就是說，在完成一次pH測試后，保存用過的pH試紙沒有意義，它既不能再通過比色讀出pH值，又不能記錄或還原出原始的實驗條件。

圖2(a)不同pH值緩沖液浸漬后的廣范pH試紙；(b)繼續自然晾干后的顯色狀態。
Fig.2(a) Color of the wet pH-indicator paper strips.(b) Aired dry strip samples.

可見，pH試紙的常規使用方式、試紙自身的性能在很大程度上限制了它的應用，導致它一般只能用于半定量或定性判斷液體的酸堿度。

3.2 pH試紙的熒光發射譜分析

由于水在熒光物質表面形成的氫鍵對熒光的猝滅作用，濕潤的pH試紙熒光較弱，不適宜作熒光分析。但干燥后，pH試紙的熒光光譜測量較準確、客觀、重復性好，可以消除由個人判斷造成的主觀誤差，且無需多次復測。圖3插圖為激發光功率穩定的情況下，經不同pH值緩沖液顯色并晾干后pH試紙的熒光發射光譜。從圖中可見，隨著實驗液體pH值的增大(2.2～12.5)，試紙最終樣品的熒光強度(對應于譜帶積分面積)近似單調下降，但規律性不顯著。如圖3所示，線性擬合該熒光強度變化規律，擬合優度(R2)僅0.6，二次多項式擬合的擬合優度也僅為0.8，這兩種擬合結果均與實測數據有著較大的偏差。這一方面反映了pH試紙上混合染料發光的復雜性，因為如果是單一染料，熒光強度受pH影響的規律一般是比較明顯的，例如羅丹明B熒光強度與pH值的關系[10,16-17]；另一方面也表明光強漲落對光強重復測試的精度影響很大，最終決定了試紙的熒光強度不適宜作為pH傳感信號。

圖3浸漬了不同pH值緩沖液并干燥后的pH試紙發射光譜(插圖)及光強變化
Fig.3Emission intensity of the pH-indicator paper strips depending on various tested pH values.Inset：emission spectra of the dried strips.

除了試紙的熒光光強，與pH值有關的熒光特性還有熒光光譜的輪廓特征，或稱為譜型。為了清晰地觀察樣品發光的譜型隨pH值的變化，將圖3插圖的光譜按它們的峰值強度作歸一化處理得到圖4。從圖4上可以很方便地觀察到，干燥處理后的pH試紙樣品的熒光發射譜帶位置能反映原始浸漬液pH值的影響，表現為對應的頻移。圖4的插圖展示了試紙樣品的熒光波長位置差異較大的幾個譜峰的對比。

圖4不同pH值下顯色并干燥的pH試紙的歸一化發射譜
Fig.4Normalized emission spectra of the dried pH-indicator paper strips

通常在分析熒光發射譜的頻移時用峰值波長描述譜帶或譜線的位置。本文同時采用光譜特征參數“譜帶重心”[9-12,17]來表征發光譜帶的位置。pH值變化引起的熒光譜的頻移是熒光材料的本征特性，無論用譜帶重心還是譜帶峰值波長描述，兩個參數的物理含義一致，均為發光譜帶的位置變化。如圖5所示，可以直觀地看出譜帶重心與譜峰位置隨所檢液體pH值的變化趨勢的確一致，二者隨pH值變化均非單調移動，在pH2.2～4.0范圍及pH9.0～11.0范圍紅移，在常用弱酸堿性范圍內(pH值約4～9)實驗試紙樣品的熒光譜帶位置隨pH增大而藍移。但在不同的單調變化區間內，兩個特性參數各自擬合直線的線性、斜率、不確定度等有明顯的差別。

以上得到的譜帶位置隨pH值變化的擬合規律可以作為經驗的pH傳感方程?？紤]到水質、體液等分析多在弱酸至弱堿性范圍，pH=4～9的熒光藍移區間十分適合用于這類pH傳感。形成鮮明對比的是，廣范pH試紙的使用說明中強調它不適用于弱的緩沖溶液和濃度低于0.01%的酸堿溶液測試。pH在4.0～9.0范圍內試紙樣品熒光發射譜帶的位置(譜峰位置、重心波長位置)隨pH的變化近似線性，線性擬合得出其譜峰位置λP的經驗pH傳感方程為λP=627.6-7.8pH，擬合優度為0.94，斜率(靈敏度)擬合相對不確定度為12.8%，以中性檢測物(pH為7)的熒光峰位作參考，其相對靈敏度為1.4%/pH；發射譜帶重心λB的經驗pH傳感方程為λB=603.8-4.09pH，擬合優度為0.99，斜率擬合相對不確定度為6.1%，以中性檢測物的熒光譜帶重心作參考，其相對靈敏度為0.71%/pH。這兩個經驗傳感方程擬合優度都較高，譜帶重心數據的擬合優度略好于譜峰位置的擬合優度，這是由于染料的熒光對環境的極性和熒光團的運動很敏感，這些因素均可導致光強的漲落，造成峰位波長讀數偏差。而譜帶重心的取值不直接讀數，代之以數學累加計算的方法對熒光發射譜面積數據進行均分處理[9-12,17]，這種累加計算起到類似于取樣平均法降噪的效果，可以顯著提高譜帶位置的定位精度。

圖5pH值對顯色后干燥的pH試紙發射譜帶的重心(實線)及峰值位置(虛線)的影響
Fig.5Effect of pH values on emission band location(solid line：barycenter position; dashed line：peak position) of the dried pH-indicator paper strips

由此可知，熒光法結合肉眼比色讀數，能以接近實驗所用標準pH計(筆型pH計)的分辨力測量液體的pH值，這大大提高了廉價的廣范pH試紙的測試精度；同時，熒光法在弱酸堿性區間可以應用，這又擴展了廣范pH試紙的測量范圍。

3.3 傳感系統特性分析

在規定同等實驗環境條件下，實驗傳感系統熒光譜帶重心和譜帶峰值pH傳感的3組重復測試結果如圖6所示。傳感系統在整個測量范圍內的標準偏差為：

(1)

其中，Si為子樣偏差。

重復性ξR定義為：

(2)

根據式(2)基于圖6的數據分別計算得出：譜帶重心法傳感的重復性為9.4%FS；譜帶峰值位置傳感的重復性為21.5%FS。計算結果表明，該傳感系統采用熒光譜帶重心信號分析pH值時，穩定性、重復性已經達到實用程度。

圖6實驗系統采用譜帶重心位置(a)及譜帶峰值位置(b)作pH傳感的重復性曲線
Fig.6Plot of repeated fluorescence tests of the pH-indicator paper strips against the emission band barycenter (a) and emission peak wavelength(b)

基于譜帶重心法pH傳感方程λB=603.8-4.09pH的擬合數據，其零次項為603.8±1.7，可以合理地將其不確定度1.7nm作為實驗系統的最小可分辨的譜帶重心波長移動，則由最小可分辨譜帶重心波長移動與靈敏度(4.09nm/pH)的比值計算得到實驗系統的最小可分辨pH值為0.4。這個pH傳感的分辨力遠遠優于肉眼觀察試紙比色直讀pH值的分辨力(廣范pH試紙比色卡的取值間隔為1)；用同樣的方式估算峰位移動方法的分辨力，譜峰位置pH傳感方程零次項為627.6±6.7，傳感系統的靈敏度為7.8nm/pH，則分辨力計算值約為1，精度略差。

4 應用與驗證

熒光pH傳感實驗系統用緩沖溶液作為標準pH源。為了驗證實驗傳感方法、傳感系統的實用性及所獲傳感函數在實際應用中的通用性，選取與日常生活密切相關的弱酸弱堿性樣液——自來水及尿素水溶液進行驗證試驗。取自來水和質量分數為8%的尿素水溶液，筆型pH計測得其pH值分別為7.04和7.26；將廣范pH試紙分別浸漬兩種液體，潤濕狀態下采用比色卡肉眼觀察對比得兩者pH值均在6左右。在自然環境下晾干后試紙顏色如圖7插圖所示，肉眼分辨不出兩試紙的顏色差異。采用本實驗傳感系統分別測得其熒光發射譜如圖7，可以看出譜輪廓與上述標定試驗測得的光譜相似，這是該實驗傳感系統具有重復性的一個證據。計算該熒光光譜的譜帶重心數據和峰位數據，分別代入之前獲得的重心和峰位傳感pH的經驗傳感方程，結果如表1。

圖7浸漬了尿素水溶液和自來水的廣范pH試紙及其干燥后的熒光光譜
Fig.7Fluorescence spectra of pH-indicator paper strips treated by urea solution and tap-water

表1不同方式測定尿素水溶液和自來水pH的結果
Tab.1 pH test results of urea aqueous solution and tap-water using different methods

尿素自來水傳感信號pH傳感信號pH譜帶重心位置/nm573.97.3575.46.9譜帶峰值位置/nm572.17577.86筆型pH計/7.26/7.04比色卡黃色6黃色6

從表1中可以看出，肉眼觀察比色的人工直讀方式誤差較大?；趯嶒灍晒鈖H傳感系統測得的pH值(譜帶重心分析)與筆型pH計測得的數據相當吻合，證明實驗搭建的熒光光譜測量與廣范pH試紙相結合的傳感系統具有實用性、通用性，可以應用于弱酸弱堿性水質監測。在本文中，電化學原理的筆型pH計是作為標準傳感器標定熒光pH傳感系統的。因此，實驗系統未能獲得超過筆型pH計的精度。光學測量結果與pH計測量結果仍存在細微差異，這有多方面的原因，包括所采用的pH計實際精度低于表觀精度、光譜儀器測量本身有不確定度、制備的樣品不夠理想均勻等。

5 結 論

本文設計了一種廣范pH試紙結合熒光傳感技術測量pH值的方案，探索了廣范pH試紙在2.2～12.5范圍內的熒光特性。發現溶液浸漬顯色再干燥后的pH試紙在pH 為4.0～9.0弱酸弱堿性范圍內的熒光譜帶隨pH值波長移動的規律近似線性，擬合得到熒光譜帶重心移動傳感pH值的經驗傳感方程為λB=603.8-4.09pH；以pH為7的中性樣品熒光譜帶重心作參考，其相對靈敏度為0.71%；實驗系統的pH分辨力約為0.4。這種結合pH試紙檢測的熒光pH傳感新型方法及系統使得試紙的運用更加精確可靠，且樣品可保存用于數據追溯。用自來水及尿素水溶液檢驗了該實驗系統，進一步驗證了實驗方法及系統的實用性與通用性。該方法及傳感系統有望在石油化工、科研教學、生物醫學工程、環境水質檢測等諸多領域得到應用。

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