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評述了近年來熒光分光光度計的發展, 介紹了國內熒光分光光度計的研制及生產情 況, 綜述了熒光分析技術的應用。
近來 , 我國在熒光分光光度分析技術 領域的研究取得了許多新的進展。如熒光總 發光光譜技術 、熒光探針、光纖熒光傳感器、 激光誘導時間分辨發光技術 、熒光薄層掃描 技術 、動力學熒光法等。因此 ,對熒光分光光 度計的要求不斷提高 。目前國內生產熒光分 光光度計的廠家較少, 國外廠商提供的都是 中的熒光分光光度計 。研制和生產性能 可靠的國產熒光分光光度計具有重要意義。 1 基本原理 當激發光照射某些物質時 ,處在基態的 分子吸收激發光后躍遷為激發態 ,這些激發 態分子在因轉動 、振動等損失一部分激發能 量后 ,以躍遷下降到低振動能級 ,再從 低振動能級下降到基態, 在此過程中激發態 分子將以光的形式釋放出它們所吸收的能 量,這種光稱之為熒光,所得到的光譜稱為熒 光光譜。熒光光譜能夠反映熒光物質的特 性。熒光分光光度計是基于物質的這種性質 而對其進行定性及定量分析的一種分析儀 器。 熒光定量分析的數學處理比分子吸收光 譜復雜。一般來講, 熒光強度 If 等于分子所 吸收輻射的光強度 I a與量子效率 的積[ 1] ,即 If = f·I a = f I0(1 -10 -εbc)。如果熒光 物質的濃度足夠低 ,則 If =2 .3 f I 0εbc =kc 。 這就是熒光定量分析的理論公式, 式中 ε、 b 、c 分別是摩爾吸光系數 、液池厚度及被測 物質的濃度。 2 熒光分光光度計的基本結構 熒光輻射是從樣品發生的 ,其在所有方 向發射都相同 ,原則上可以從任何角度進行 觀測 。但從儀器設計和應用的觀點來看, 90° 角度是方便且是目前使用較為廣泛的方 式。 熒光分光光度計的基本結構是 : 光源 ※單色器或濾光片※樣品池※單色器或 濾光片※檢測器。 目前熒光分光光度計的常用光源為氙 燈,單色器多用光柵 ,檢測器主要用光電倍增 管,普通熒光分光光度計的激發和發射波長 一般在 200 ~ 900 nm 。
3 熒光分光光度計的分類 3.1 濾光片式熒光計 3.1.1 單光束濾光片熒光計 單光束濾光片熒光計的工作原理是第 1 濾光片允許紫外線(激發光)通過, 第 2 濾光片可以透射熒光輻射, 但它吸收了任何能向 光電池散射的光 ,對于這類儀器來講,光電管 及燈的穩定性要求比較高, 否則會引起較大 測量誤差 。 3.1.2 雙光束濾光片熒光計 貝克曼比例熒光計屬于此種類型儀器, 它是采用一種特殊設計的汞蒸氣燈, 具有斬 光器作用,使樣品和標準各接收 60 Hz 的相 同輻射脈沖并為短的暗間隔所分開, 從而保 持一個恒定的參比水平。這類儀器消除了由 于線路電壓波動所引起的變化 ,具有較高的 穩定性。 3.2 熒光分光光度計 3.2.1 單光束熒光分光光度計 在熒光光譜定量分析中 ,濾光片式熒光 計由于有較高的輻射照到樣品上而具有較高 的靈敏度, 但因它易引起光譜干擾而逐漸被 熒光分光光度計所取代。 早, 單光束熒光分光光度計作為紫外 可見分光光度計的一個附件儀器 ,從光源到 探測器只有一束測量光。在測量時, 參比和 樣品交替進行, 因而較易引起測量誤差 。 3.2.2 雙單色器單光束熒光分光光度計 這類熒光分光光度計是 90°角照射樣 品,結合兩個光柵單色器的單光束儀器。它 是由氙燈發出激發光, 經過激發單色器分出 的單色光照射到樣品上, 然后使發射單色器 接收熒光到檢測器。 3.2.3 雙單色器雙光束熒光分光光度計 這類儀器將從光源來的輻射在穿過 個單色器照射到液池之前分成兩路, 這可用 斬波器或光束分離器來完成。分光后一部分 輻射通過液池及第二個單色器照在檢測器 上,而另一束輻射從液池及第二單色器的側 旁經過照在檢測器上。如果以斬波器來分 光,則可使用一個單獨檢測器輪流測定來自 兩光束的輻射;如果使用光束分離器,則需要 第二個檢測器來測量參比光束的強度。在這兩種情況下 , 熒光光譜都由測得的來自樣品 的發射強度與作為波長函數的參比光束強度 的比值組成 。 FRS_100 型熒光分光光度計分別屬于上述兩 種情況。 還有一類雙光束熒光分光光度計是將從 光源輻射的光分為兩束, 一束通過液池而另 一束用作參比 。第二束往往要通過一個參比 溶液或在測定前作強度衰減 , 在許多儀器中 采用了零點測定法, 即利用衰減器將參比光 束在檢測器上的響應值調節到與樣品的發射 在檢測器上的響應值相同, 然后讀得衰減器 上此時所調定的值, 可利用同一檢測器交替 測量這兩光束 ,或以不同的檢測器同時測定 。 第三類雙光束熒光分光光度計是以美國 Turner 公司生產的 210 型熒光分光光度計 為代表。它具有激發光光源和參比燈的兩道 光束 ,交替地照射于測量輻射器上 ,參比燈在 固定波長的強度是可變的, 由光平衡系統調 節參比燈的能量使其與激發光的能量相同 , 從參比燈發出的另外一束光通過衰減器到達 光電倍增管檢測器 。衰減器是由一個與發射 單色器聯結的傳動輪所驅動 , 這使得光電倍 增管的光譜感應與發射單色器的光譜特性的 組合得到補償 ,因此交替照射于光電倍增管 上的是一束經過校正的能量恒定的光束和一 束由試樣發射的熒光, 在整個掃描的波長范 圍內記錄兩道光束在每一波長的比率所得到 的曲線就是熒光光譜 。 3.2.4 激發和發射均為雙單色器的熒光儀 Spex 公司的 Fluorolog_2 系列儀器的激 發和發射均為雙單色器, 這種儀器減少了雜 散光的干擾 , 對于生物樣品等光散射比較強 的樣品測定十分有利。這類儀器靈敏度非常 高,穩定性十分好。
4 熒光分光光度計的發展 由于熒光分光光度計靈敏度高 、特異性 強,因此應用范圍較為廣泛 。但由于它對樣 品有一定要求 ,所以目前還不屬于實驗室的 常規儀器 ,一般用于科研工作 ,目前使用的熒 光分光光度計以國外中儀器為主。 4.1 國外熒光分光光度計 目前進入中國市場的外國廠商主要有日 立公司 、島津公司以及美國的 PE 公司等。 這些公司的儀器性能指標如表 1 所示。 表 1 國外熒光分光光度計性能指標比較 參數項 日立F_4500 PE LS_50B 島津 RF_5301PC 光源 150 W 氙燈 8 .3W/ 50Hz 氙燈 8 .9W/ 60Hz 氙燈 150W 氙燈 掃描范圍 λex 、λem 200 ~ 900 nm λe x 200 ~ 800 nm λem 200 ~ 900 nm λex 、λem 220~ 900 nm 分辨率 1.0 nm 2.5 nm 1 .5 nm 波長精度 ±2 nm ±1 .0 nm ±1.5 nm 少取樣量 0 .6 mL 2 mL 2 mL 從表 1 可以看到使用脈沖作為光源是 PE 公司 LS_50B 的特點 , 該光源的使用可降 低氙燈的功率, 節約能源 ,延長使用壽命 。而 波長掃描速度的改觀在日立公司儀器中具有 明顯的優勢。另外日立公司推出的 F_4500 型熒光分光光度計采用水平光束測量, 樣品 量只需 0 .6 mL ,這對痕量分析大有益處 。雖 然熒光分光光度計近年來在光學系統和檢測 系統方面沒有明顯改觀, 但是隨著計算機軟 件的飛速發展 ,熒光分光光度計的應用軟件 系統不斷完善 ,各大公司均提供了許多用戶 歡迎的應用軟件 ,使儀器的操作及數據處理 自動化程度提高 。 4.2 國內熒光分光光度計的應用與研制 70 年代末期以來, 國內高等院校及科研 單位逐漸引進了中熒光分光光度計 。筆 者統計了 1996 年《分析化學》雜志刊載熒光分析方面的文章表明, 國外儀器使用率高達 85 %以上 。常用的儀器型號為日立 540 、日 立 RF_3010 、島津 RF_5000 ,的熒光分光光度計在國內市場中占有優 勢。 系統研究單位在 70 年代引 進國外熒光儀器 3 臺, 80 年代引進 13 臺 , 1990 ~ 1995 年引進 6 臺。由此情況可見國 內引進儀器形勢 。國外儀器的引進, 對 我國熒光分析技術的發展起到明顯的推動作 用。 國內熒光分光光度計的研制起步較晚 , 多為自行裝配 ,而商品化的儀器不多,已形成 商品化的儀器有 :天津光學儀器廠生產的 WFD 系列產品 , 廈門分 析儀器廠生產的 GFY 系列以及與廈門大學合作研制的 YF 型系列產品。另外上海第三分析儀器廠先后 生產幾種型號熒光分光光度計 ,如 970MC 型 熒光分光光度計 ,目前國內廈門大學化學系 對熒光儀的研制和開發做了大量工作 ;國內 有一些單位研究激光熒光光譜儀 ,如核工業 部化工冶金研究所研制的時間分辨激光熒光 光譜儀,靈敏度比普通熒光光度計高十幾倍 ;時間分辨熒光生化(免疫)分析儀, 采用鑭系 元素標液生化分析, 其靈敏度、特異性 、穩定 性均可與同位素標液方法相媲美。南開大學 開發一種便攜式熒光光譜儀采用光纖采樣輸 入,CCD 陣列接收 , 筆記本微機數據處理技 術,特別適合于在線和野外工作 。光纖熒光 傳感器的應用給熒光分析儀器注入活力, 而 電荷轉移檢測器的引入大大改善了熒光分析 儀器的性能。 5 熒光分光光度計的應用 5.1 無機分析 熒光分析法由于靈敏度高 、動態線性范 圍寬等優點, 在一些領域中應用廣泛。在無機元素分析中 ,主要是通過待測元素與有機 試劑(或熒光試劑)生成配合物或發生熒光猝 滅效應來測定元素的含量 。目前可以通過熒 光分析測定 70 多種金屬離子和陰離子 , 如 Ag 、Al 、As 、Au 、Be 、Bi 、 Ca 、Cu 、Ge 、Ga 、Hf 、 Hg 、In 、Ir 、Li 、Mg 、M n 、Nb 、Ni 、Os 、Pb 、Pt 、 Ru 、Sb 、Sc 、Si 、Sn 、Sr 、Ta 、Tl 、Th 、Ti 、V 、Y 、 W 、Zn 、Ce 、Dy 、Eu 、Gd 、La 、Lu 、Sm 、Cd 、Cr (Ⅵ )、Se 、Te 、Re 等。 增效試劑在無機物熒光分析中的應用仍 是一個十分活躍的研究領域。稀土元素的熒 光體系、催化動力學熒光分析 、新熒光試劑及 熒光探針試劑的合成均是目前研究的熱點, 而將分離手段與熒光光度法相結合, 將有效 地提高分析方法的適應性, 如氫化物與熒光 法、色層法與熒光法相結合,這將是微量技術 與痕量分析相結合提高分析方法的靈敏度、 改善選擇性和拓寬熒光分析法應用領域的途徑。 5.2 有機物分析 近年來有機物熒光分析研究在我國發展 迅速, 年文獻量不斷增加 。主要應用領域有 中西藥和臨床、食品營養和添加劑等試樣。 激光誘導熒光法診斷惡性腫瘤 ,顯微熒光法 研究藥物與細胞的相互作用 ,DNA 編序及含 量的熒光法測定均是目前受到關注的熱點問 題。 5.3 熒光分析技術研究 近年來 ,熒光分析技術在我國有了長足 的發展。激光誘導和時間分辨熒光法在提高 分析靈敏度和改善選擇性方面具有獨到之 處;三維熒光光譜可以同時利用不同發光物 質間熒光波長和熒光壽命的差別 ,增加分析 方法的信息量。林竹光等將 Apple Ⅱ微機與 日立 659_103 熒光光度計聯接, 設計了一套 多功能軟件,除了可以得到常規熒光光譜、導數熒光光譜以外 ,還可以得到三維熒光光譜 及等高圖 。還有人把阿達瑪變換多通道成像 技術與熒光顯微鏡結合起來 , 可以得到阿達 瑪變換三維熒光圖象。 這些熒光技術的研 究,將對我國熒光分光光度計的研制和開發 起引導作用。 從表 2 統計的 369 篇有關熒光分析應用 文獻[ 2] 可見, 我國在熒光分析領域中目前仍 以無機分析為主 ,而熒光分析技術的研究也 占有相當高的比例, 這說明我國分析工作者 對熒光分光光度計的開發、改造以及研制極 為關注,這將大大推動我國熒光分光光度計 的發展。 表 2 熒光分析技術與應用領域論文統計 項 目 無機分析 有機分析 熒光分析技術 文章篇數 162 38 169 占比例(%) 44 10 46 6 熒光分光光度計與其它儀器聯用 熒光分析法因具有靈敏度高 ,線性動態 范圍寬等優點 ,愈來愈引起人們的重視 ,尤其 是近年來激光 、計算機、電子學等新技術的飛 速發展,加速了熒光分光光度計與其它技術 的結合而形成多種多樣的新型熒光分析儀。 熒光分光光度計的聯用技術與紫外可見 分光光度計的聯用技術有許多相似之處 。首 先它可以作為一種儀器的檢測器 ,其次可以 作為一個獨立的主體與其它附件相連接, 形 成一種新的測試系統, 后它還可以與其它 分析技術相結合構成一種新型的分析儀器。 6.1 熒光檢測與 HPLC 聯用 液相色譜檢測器種類很多 ,靈敏度較高 、 選擇性較好的熒光檢測器在進行微量分析中 經常使用 。如許多芳香族化合物如蒽、菲、芴 等在特定條件下發出特征熒光 , 利用 HPLC的熒光檢測 器可以同 時測定上 述物質。 Tanabe 等[ 3] 設計一種供 HPLC 用的多波長 熒光檢測系統 ,有 4 個干涉濾光片和光電倍 增管通道 ;Gluckman 等 [ 4] 研制的熒光檢測 器,流通池為 150 μL , 可用于毛細管 HPLC 和超臨界色譜, 其小檢測量為 0 .2 pg 。 6.2 熒光檢測與離子色譜聯用 M ho 等人[ 5] 研制一套供離子色譜用的 雙光束激光激發間接熒光檢測器 ,它用具有 熒光的淋洗離子維持恒定背景信號, 當待測 離子淋出時, 信息觀測信號減少。這種熒光 檢測器可以檢測納克級陰離子 ,方法靈敏度 非常高。 6.3 光導纖維與熒光分光光度計的聯用 光導纖維目前已被廣泛應用于許多領 域,章竹君等人已成功地將光導纖維制成熒 光光纖化學傳感器。有些廠家已有商品儀器 形成 ,如江蘇分析儀器廠生產的 8510 型多功 能光纖光度計。這類儀器由熒光分光光度計 引入兩支光纖導管, 一支光纖則將熒光信號 傳輸到熒光分光光度計中進行測量, 從而形 成了一種高靈敏度 、遙測痕量分析技術。光 纖便攜式熒光光譜儀的制成 , 特別適合在線 和野外工作。光纖多頻率相調制熒光計以及 液芯光纖熒光計是目前開發的新型光纖熒光 儀。 6.4 激光光源引入熒光分光光度計 激光光源引入熒光計在我國開發較早, 也是目前應用比較成熟的儀器之一, 如測鈾 儀就是其中的代表[ 6] 。時間分辨激光熒光 分光光度計的研制成功, 大大改善了熒光儀 器的性能 ,這類儀器已廣泛應用于環境監測、 稀土分析 、冶金、化工 以及生 化等 領域
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