激光痕量分析实现单原子和单分子的检测

激光痕量分析实现单原子和单分子的检测

单原子和单分子的检测，是分析化学家多少年来梦寐以求的理想，今天，终于由激光光谱分析技术实现了。它标志着分析化学检测限推进到了一个新的里程碑。
　　激光的高强度和窄带宽，赋予激光光谱分析方法以灵敏、准确、选择性和无损测量的特点，成为无机、有机及生物样品痕量、超痕量分析的强有力武器。激光电离光谱、激光诱导荧光光谱、激光光声和光热光谱分析方法在痕量、超痕量分析中各有所长，各具特色。
　　激光共振电离（laser resonance ionization , LRD 方法具有单原子探测和计数原子的能力。它利用激光的高单色性，高选择性地将原子激发到某一特定的能级上，然后电离处于这种特定能级布居的每一个原子，用计数热电子的方法探测电离出的自由电子，从而达到计数原子和单原子探测的目的。使用目前商品可调谐激光器，对周期表中所有基态原子（He 、Ne 除外），都可以找到一种实现单原子探测的共振电离方式。单原子探测技术虽然设备复杂、昂贵，未曾进入普通分析实验室，但它在许多重大课题中发挥着重要的作用。例如，探测太阳中微子以研究太阳内部情况；探测稀有气体同位素（如⁸¹Kr ,³⁹Ar ）用以判定极冰帽年代；研究海洋环流，测定海洋翻转速率；测定超重元素（如²⁴²Am , ²⁵²Cf ) ，进行自发裂变等核物理研究等。虽然这些课题超出了分析化学范围，但是，这种超高灵敏和超高选择性的技术，无疑是解决分析化学中超痕量分析难题的最有力武器。现在，已有人用它来检测高纯硅中极有害的超痕量钠，检测土壤中怀的污染，以及监测环境中汞的污染等。
　　将激光选择性激发原理用于火焰原子化器的元素分析，发展了另一种激光电离光谱技术? 激光增强电离光谱（laser enhanced ionization , LEI ）。下图是LEI 典型实验装置示意图。当火焰中的原子被可调谐激光选择性地激发到接近电离连续态的高能态时，受激原子的热碰撞电离效率将显著增加，产生电子和正电荷离子。通过置于火焰两旁的高压电极收集所形成的离子，便得到光电离信号。经过多年研究，LEI 技术已趋成熟，而且已扩展到石墨炉、等离子体以及微波等原子化器。多数元素的检测限在ng/ml～Pg/ml 范围，灵敏度比石墨炉原子吸收光谱（graphite furance atomic absorption spectroscopy, GFAAS）高1～2 个数量级，与激光诱导原子荧光光谱分析的灵敏度处于同一水平。LEI 检测的是电流信号，具有检测效率高、不受散射光等杂散光背景干扰的优点，是非常有发展前途的激光痕量分析方法之一。鉴于LEI 方法已足够成熟和用途广泛，许多学者认为，现在应是LEI 走出激光实验室，步入普通分析实验室的时候了。

　　激光诱导荧光光谱（laser-induced fluorescence , LIF ）作为超高灵敏度的分析方法，早已广为人知。无论对原子或分子，LIF 都有非常高的灵敏度。70 年代初，就有人用激光作激发光源进行原子荧光光谱分析，是激光技术在分析化学中的最早应用之一。20 多年来，大量研究结果表明，对大多数元素，激光诱导原子荧光（laser-induced atomic fluorescence , LIAF ）的灵敏度优于GFAAs 和ICP-MS（等离子体-质谱）。如果说10 年前在LIAF 又献中，用于实际样品分析的还不足10％的话，而今已有自动化的LIAF 商品仪器问世了，可见它已进入成熟和实用阶段。
　　近年来，在DNA 快速序列分析，微柱分离组分检测等许多热点研究课题中，对分析灵敏度的要求越来越高，因而激起了单分子激光诱导荧光检测的研究。至今，已有许多有关单分子检测的理论和实验报道，显示了激光诱导分子荧光（laser-induced molecular fluorescence , LIMF）分析技术的超高灵敏度水平。不过，所研究的体系还仅局限在Reg染料和藻红蛋白等少数样品上。
　　虽然LIMF 有很高的灵敏度，但在溶液痕量物质测定中，由于室温下荧光线的宽带性质，大大地降低了它的选择性，在许多情况下，不能满足复杂样品（如环境中的多核芳烃碳氢化合物，polycyclicaromatic hydrocarbons , PAHs ）分析的要求。因此，LIMF 分析方法的关键问题是提高选择性。围绕这个间题，相继建立了许多高选择性的LIMF 方法。它们是基于提高光谱分辨率和时间分辨率，采用多维技术和双共振或多光子激发技术等途径来实现的。其中，最主要的途径是提高光谱和时间分辨率。低温荧光光谱和分子束荧光光谱属于前一种，采用时间门选通技术则属后一种。
　　将样品分子在液氦温度下冻结在合适的溶剂中或与缓冲气体（基质）一起沉积在低温表面上，吸收线和荧光线就会由宽带变成类似原子线的窄带，当用高单色性激光选择性激发时，就可得到极高的光谱选择性。文献中报道的щполскии光谱，荧光线变窄光谱，基体隔离荧光光谱都属于低温荧光光谱。在复杂多组分痕量PAHs 分析中得到成功的应用。
　　超声分子束荧光光谱分析，是将气体（或蒸气）样品用高压惰性气体（如He）作载体，以超声速度通过一个喷嘴进入真空室中，当它在真空中急剧膨胀时，气体就被急剧冷却到低至IK 的转动温度（内冷），大分子复杂结构的光谱被简化到像原子光谱那样的少数锐线，光谱分辨率提高2～3 个数量级，FWHM 达1～3cm^-1，分析的选择性得到极大的提高。
　　分子束技术是一种通用技术，近年来有很大进展，不仅用于LIF分析，而且亦用于质谱分析、光热光谱分析和拉曼光谱分析。
　　采用超短脉冲激光和时间门选通测量技术的时间甄别和时间分辨荧光光谱分析，利用样品分子荧光寿命的差异来实现高选择性检测，使那些光谱上分辨不好或根本无法分辨的荧光测量得以顺利实现。
　　时间分辨测量技术亦是一种通用技术，它不但用于荧光分辨测量，也用于拉曼光谱分析中消除样品和杂质的荧光干扰，提高拉曼光谱测量灵敏度，而且更重要的还是动力学分析、超快过程检测的有力工具。
　　表面增强拉曼散射效应的发现，使拉曼光谱（Raman spectrometry , RS ）的灵敏度提高了10⁴～10⁷倍。原来灵敏度很差的RS ，一跃加入到痕量分析的行列，成为生物、药物、环境痕量分析中的一项新技术。表面增强拉曼光谱（surface enhanced Raman spectrometry , SERS）多用于环状结构，特别是含氮杂环化合物的分析，对DNA 、蛋白质的结构功能亦进行过研究，检测限低于10^-5mol / L 。转速计| 水份计| 分析仪| 溶氧计| 电导度计| PH计| 酸碱计| 糖度计| 盐度计| 酸碱度计| 电导计| 水分测定仪| 浊度计| 色度计| 粘度计| 滴定仪| 密度计| 热流计| 浓度计|
　　与上述基于微观量子效应的探测方法相比，激光光声（laser photoacoustic , LPA）和光热光谱（photothermal spectrometry , PTS）分析方法说不上是超灵敏的，但它仍然算得上是高灵敏的。一般情况下，可测定低至10^-8至10^-6的光吸收，比常规吸收法的检测限要低2～3 个数量级。若用吸收系数为10⁵cm^-1mol^-1L的鳌合物，检测限可达10^-12～10^-13或pg 水平，因此在许多领域有着重要的应用。例如，在大气中现场监测超低浓度气体，在核工业中监测放射性核燃料及裂变产物中的放射性元素，在半导体工业中非破坏性测量Si 片的离子掺杂剂量等，都具有重要的实用意义。近年来，荷兰一些科学家在大气条件下对农业上感兴趣的一些气体如C₂H₄ 、O₃、NH₃ 、H₂S 等，进行了快速和灵敏的检测，这对农业实践有非常重要意义，因为这些气体即使在低浓度下，对农作物的生态系统亦起着重要作用。例如C₂H₄，来自汽车排放废气及各种工业燃烧过程，是重要的大气污染气体，同时它又来自植物本身，充作气体荷尔蒙（激素），影响果实成熟，花朵枯萎和叶子脱落。C₂H₄在植物储存、运输过程中的积累，将使植物受到损坏。在作者实验室，用激光光声-酶联免疫吸附法（LPA-ELISA）测定乙肝表面抗原，检测限达1pg / ml ，比常规ELISA 法低2～3 个数量级。Dovichi 采用交叉束热透镜（crossed beam thermal lens，CBTL）技术，紧密聚焦泵浦束，在0.2pl探测束体积内，检测出120 个1, 10-菲咯琳-铁分子，是光热光谱分析达到高空间分辨率和高灵敏度的一个典型例子。