激光痕量分析實(shí)現(xiàn)單原子和單分子的檢測

激光痕量分析實(shí)現(xiàn)單原子和單分子的檢測

單原子和單分子的檢測，是分析化學(xué)家多少年來夢寐以求的理想，今天，終于由激光光譜分析技術(shù)實(shí)現(xiàn)了。它標(biāo)志著分析化學(xué)檢測限推進(jìn)到了一個新的里程碑。
　　激光的高強(qiáng)度和窄帶寬，賦予激光光譜分析方法以靈敏、準(zhǔn)確、選擇性和無損測量的特點(diǎn)，成為無機(jī)、有機(jī)及生物樣品痕量、超痕量分析的強(qiáng)有力武器。激光電離光譜、激光誘導(dǎo)熒光光譜、激光光聲和光熱光譜分析方法在痕量、超痕量分析中各有所長，各具特色。
　　激光共振電離（laser resonance ionization , LRD 方法具有單原子探測和計數(shù)原子的能力。它利用激光的高單色性，高選擇性地將原子激發(fā)到某一特定的能級上，然后電離處于這種特定能級布居的每一個原子，用計數(shù)熱電子的方法探測電離出的自由電子，從而達(dá)到計數(shù)原子和單原子探測的目的。使用目前商品可調(diào)諧激光器，對周期表中所有基態(tài)原子（He 、Ne 除外），都可以找到一種實(shí)現(xiàn)單原子探測的共振電離方式。單原子探測技術(shù)雖然設(shè)備復(fù)雜、昂貴，未曾進(jìn)入普通分析實(shí)驗室，但它在許多重大課題中發(fā)揮著重要的作用。例如，探測太陽中微子以研究太陽內(nèi)部情況；探測稀有氣體同位素（如⁸¹Kr ,³⁹Ar ）用以判定極冰帽年代；研究海洋環(huán)流，測定海洋翻轉(zhuǎn)速率；測定超重元素（如²⁴²Am , ²⁵²Cf ) ，進(jìn)行自發(fā)裂變等核物理研究等。雖然這些課題超出了分析化學(xué)范圍，但是，這種超高靈敏和超高選擇性的技術(shù)，無疑是解決分析化學(xué)中超痕量分析難題的最有力武器�，F(xiàn)在，已有人用它來檢測高純硅中極有害的超痕量鈉，檢測土壤中懷的污染，以及監(jiān)測環(huán)境中汞的污染等。
　　將激光選擇性激發(fā)原理用于火焰原子化器的元素分析，發(fā)展了另一種激光電離光譜技術(shù)? 激光增強(qiáng)電離光譜（laser enhanced ionization , LEI ）。下圖是LEI 典型實(shí)驗裝置示意圖。當(dāng)火焰中的原子被可調(diào)諧激光選擇性地激發(fā)到接近電離連續(xù)態(tài)的高能態(tài)時，受激原子的熱碰撞電離效率將顯著增加，產(chǎn)生電子和正電荷離子。通過置于火焰兩旁的高壓電極收集所形成的離子，便得到光電離信號。經(jīng)過多年研究，LEI 技術(shù)已趨成熟，而且已擴(kuò)展到石墨爐、等離子體以及微波等原子化器。多數(shù)元素的檢測限在ng/ml～Pg/ml 范圍，靈敏度比石墨爐原子吸收光譜（graphite furance atomic absorption spectroscopy, GFAAS）高1～2 個數(shù)量級，與激光誘導(dǎo)原子熒光光譜分析的靈敏度處于同一水平。LEI 檢測的是電流信號，具有檢測效率高、不受散射光等雜散光背景干擾的優(yōu)點(diǎn)，是非常有發(fā)展前途的激光痕量分析方法之一。鑒于LEI 方法已足夠成熟和用途廣泛，許多學(xué)者認(rèn)為，現(xiàn)在應(yīng)是LEI 走出激光實(shí)驗室，步入普通分析實(shí)驗室的時候了。

　　激光誘導(dǎo)熒光光譜（laser-induced fluorescence , LIF ）作為超高靈敏度的分析方法，早已廣為人知。無論對原子或分子，LIF 都有非常高的靈敏度。70 年代初，就有人用激光作激發(fā)光源進(jìn)行原子熒光光譜分析，是激光技術(shù)在分析化學(xué)中的最早應(yīng)用之一。20 多年來，大量研究結(jié)果表明，對大多數(shù)元素，激光誘導(dǎo)原子熒光（laser-induced atomic fluorescence , LIAF ）的靈敏度優(yōu)于GFAAs 和ICP-MS（等離子體-質(zhì)譜）。如果說10 年前在LIAF 又獻(xiàn)中，用于實(shí)際樣品分析的還不足10％的話，而今已有自動化的LIAF 商品儀器問世了，可見它已進(jìn)入成熟和實(shí)用階段。
　　近年來，在DNA 快速序列分析，微柱分離組分檢測等許多熱點(diǎn)研究課題中，對分析靈敏度的要求越來越高，因而激起了單分子激光誘導(dǎo)熒光檢測的研究。至今，已有許多有關(guān)單分子檢測的理論和實(shí)驗報道，顯示了激光誘導(dǎo)分子熒光（laser-induced molecular fluorescence , LIMF）分析技術(shù)的超高靈敏度水平。不過，所研究的體系還僅局限在Reg染料和藻紅蛋白等少數(shù)樣品上。
　　雖然LIMF 有很高的靈敏度，但在溶液痕量物質(zhì)測定中，由于室溫下熒光線的寬帶性質(zhì)，大大地降低了它的選擇性，在許多情況下，不能滿足復(fù)雜樣品（如環(huán)境中的多核芳烴碳?xì)浠�合物，polycyclicaromatic hydrocarbons , PAHs ）分析的要求。因此，LIMF 分析方法的關(guān)鍵問題是提高選擇性。圍繞這個間題，相繼建立了許多高選擇性的LIMF 方法。它們是基于提高光譜分辨率和時間分辨率，采用多維技術(shù)和雙共振或多光子激發(fā)技術(shù)等途徑來實(shí)現(xiàn)的。其中，最主要的途徑是提高光譜和時間分辨率。低溫?zé)晒夤庾V和分子束熒光光譜屬于前一種，采用時間門選通技術(shù)則屬后一種。
　　將樣品分子在液氦溫度下凍結(jié)在合適的溶劑中或與緩沖氣體（基質(zhì)）一起沉積在低溫表面上，吸收線和熒光線就會由寬帶變成類似原子線的窄帶，當(dāng)用高單色性激光選擇性激發(fā)時，就可得到極高的光譜選擇性。文獻(xiàn)中報道的щполскии光譜，熒光線變窄光譜，基體隔離熒光光譜都屬于低溫?zé)晒夤庾V。在復(fù)雜多組分痕量PAHs 分析中得到成功的應(yīng)用。
　　超聲分子束熒光光譜分析，是將氣體（或蒸氣）樣品用高壓惰性氣體（如He）作載體，以超聲速度通過一個噴嘴進(jìn)入真空室中，當(dāng)它在真空中急劇膨脹時，氣體就被急劇冷卻到低至IK 的轉(zhuǎn)動溫度（內(nèi)冷），大分子復(fù)雜結(jié)構(gòu)的光譜被簡化到像原子光譜那樣的少數(shù)銳線，光譜分辨率提高2～3 個數(shù)量級，F(xiàn)WHM 達(dá)1～3cm^-1，分析的選擇性得到極大的提高。
　　分子束技術(shù)是一種通用技術(shù)，近年來有很大進(jìn)展，不僅用于LIF分析，而且亦用于質(zhì)譜分析、光熱光譜分析和拉曼光譜分析。
　　采用超短脈沖激光和時間門選通測量技術(shù)的時間甄別和時間分辨熒光光譜分析，利用樣品分子熒光壽命的差異來實(shí)現(xiàn)高選擇性檢測，使那些光譜上分辨不好或根本無法分辨的熒光測量得以順利實(shí)現(xiàn)。
　　時間分辨測量技術(shù)亦是一種通用技術(shù)，它不但用于熒光分辨測量，也用于拉曼光譜分析中消除樣品和雜質(zhì)的熒光干擾，提高拉曼光譜測量靈敏度，而且更重要的還是動力學(xué)分析、超快過程檢測的有力工具。
　　表面增強(qiáng)拉曼散射效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)，使拉曼光譜（Raman spectrometry , RS ）的靈敏度提高了10⁴～10⁷倍。原來靈敏度很差的RS ，一躍加入到痕量分析的行列，成為生物、藥物、環(huán)境痕量分析中的一項新技術(shù)。表面增強(qiáng)拉曼光譜（surface enhanced Raman spectrometry , SERS）多用于環(huán)狀結(jié)構(gòu)，特別是含氮雜環(huán)化合物的分析，對DNA 、蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)功能亦進(jìn)行過研究，檢測限低于10^-5mol / L 。轉(zhuǎn)速計| 水份計| 分析儀| 溶氧計| 電導(dǎo)度計| PH計| 酸堿計| 糖度計| 鹽度計| 酸堿度計| 電導(dǎo)計| 水分測定儀| 濁度計| 色度計| 粘度計| 滴定儀| 密度計| 熱流計| 濃度計|
　　與上述基于微觀量子效應(yīng)的探測方法相比，激光光聲（laser photoacoustic , LPA）和光熱光譜（photothermal spectrometry , PTS）分析方法說不上是超靈敏的，但它仍然算得上是高靈敏的。一般情況下，可測定低至10^-8至10^-6的光吸收，比常規(guī)吸收法的檢測限要低2～3 個數(shù)量級。若用吸收系數(shù)為10⁵cm^-1mol^-1L的鰲合物，檢測限可達(dá)10^-12～10^-13或pg 水平，因此在許多領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用。例如，在大氣中現(xiàn)場監(jiān)測超低濃度氣體，在核工業(yè)中監(jiān)測放射性核燃料及裂變產(chǎn)物中的放射性元素，在半導(dǎo)體工業(yè)中非破壞性測量Si 片的離子摻雜劑量等，都具有重要的實(shí)用意義。近年來，荷蘭一些科學(xué)家在大氣條件下對農(nóng)業(yè)上感興趣的一些氣體如C₂H₄ 、O₃、NH₃ 、H₂S 等，進(jìn)行了快速和靈敏的檢測，這對農(nóng)業(yè)實(shí)踐有非常重要意義，因為這些氣體即使在低濃度下，對農(nóng)作物的生態(tài)系統(tǒng)亦起著重要作用。例如C₂H₄，來自汽車排放廢氣及各種工業(yè)燃燒過程，是重要的大氣污染氣體，同時它又來自植物本身，充作氣體荷爾蒙（激素），影響果實(shí)成熟，花朵枯萎和葉子脫落。C₂H₄在植物儲存、運(yùn)輸過程中的積累，將使植物受到損壞。在作者實(shí)驗室，用激光光聲-酶聯(lián)免疫吸附法（LPA-ELISA）測定乙肝表面抗原，檢測限達(dá)1pg / ml ，比常規(guī)ELISA 法低2～3 個數(shù)量級。Dovichi 采用交叉束熱透鏡（crossed beam thermal lens，CBTL）技術(shù)，緊密聚焦泵浦束，在0.2pl探測束體積內(nèi)，檢測出120 個1, 10-菲咯琳-鐵分子，是光熱光譜分析達(dá)到高空間分辨率和高靈敏度的一個典型例子。