浅谈荧光分析法的特点及在环境分析中的应用

荧光分析法的特点及在环境分析中的应用摘要：论文综述了荧光分析法的特点及在环境分析中的应用。

重点分析了荧光分析法的原理、特点，以及常用的荧光分析法的讨论。

分析了荧光分析法在环境监测中的应用，测定范围和发展情况。

关键词：荧光分析；环境分析；应用1.引言环境中分析、监测的对象往往是微量、超微量的物质，有很多还具有时间性和空间性，因此对分析技术要求越来越高。

荧光分析法和分光光度法以其灵敏度高、检测限低、准确性好等优点在近年来得到了迅速发展。

荧光分子探针的设计合成以及荧光分析法在环境分析化学中的应用是方兴未艾的研究方向[1]。

分子荧光分析具有检测限低，灵敏度高，选择性好，取样量少，方法简捷快速等特点，是一种重要的光谱化学分析手段，其中荧光分子探针检测技术在环境分析化学中占有重要的地位[2]。

因此，在对环境的分析中，荧光分析法应用非常广泛，从天然水、饮用水到废水、污水；从土壤、大气到动植物；从人的头发、骨骼、血液到内脏等各个器官，涉及到的样品和应用范围几乎无所不有[3]。

2.荧光分析法的原理和特点2.1.荧光分析法2.1.1荧光及荧光分析荧光是荧光化合物在受到紫外光、电和化学等能量激发后，电子从基态跃迁到激发态，然后通过辐射衰变释放出光子而回复到基态，即产生荧光。

这些物质会在极短的时间内(8-10秒)发射出各种颜色和不同强度的可见光，而当紫外光停止照射时，所发射的光线也随之很快地消失。

荧光分析是指利用某些物质在紫外光照射下产生荧光的特性及其强度进行物质的定性和定量的分析的方法。

1852年G.G.斯托克斯(G.G.Strokes)发现荧光，真正的荧光光谱测量则始于本世纪60年代。

2.1.2荧光激发光谱和发射光谱荧光是一种光致发光现象，由于分子对光的选择性吸收，不同波长的入射光便具有不同的激发效率。

如果固定荧光的发射波长不断改变激发光的波长，并记录相应的荧光强度，所得到的荧光强度对激发波长的谱图称为荧光的激发光谱。

如果使激发光的波长和强度保持不变，而不断改变荧光的测定波长并记录相应的荧光强度，所得到的荧光强度对发射波长的谱图则为荧光的发射光谱。

激发波长反映了在某一固定的发射波长下所测得的荧光强度对激发波长的依赖关系；发射光谱反映了在某一固定的激发波长下所测量的荧光的波长分布。

激发光谱和发射光谱可用以鉴别荧光物质，并可作为进行荧光测定时选择合适的激发波长和测定波长的依据。

2.1.3荧光分析法的原理大多数分子在室温时均处在电子基态的最低振动能级，当物质分子吸收了与它所具有的特征频率相一致的光子时，由原来的能级跃迁至第一电子激发态或第二电子激发态中各个不同振动能级。

其后，大多数分子常迅速降落至第一电子激发态的最低振动能级，在这一过程中它们和周围的同类分子或其他分子撞击而消耗了能量，因而不发射光。

分子在第一电子激发态的最低振动能级停留约9-10秒之后,直接下降至电子基态的各个不同振动能级，此时以光的形式释放出多余的能量，所发生的光即是荧光。

某些荧光物质分子在降落到第一电子激发态的最低振动能级后，通过另一次无辐射跃迁降落至亚稳的三重线态，又受到热激活作用再回到第一电子激发态的各个振动能级，最后由第一电子激发态的最低振动能级降落至电子基态而发出荧光。

这种荧光因受激发光至发生荧光的时间较长,故称为迟滞荧光。

产生荧光的第一个必要条件是该物质的分子必须具有能吸收激发光的结构，通常是共轭双键结构；第二个条件是该分子必须具有一定程度的荧光效率。

所谓荧光效率是荧光物质吸光后所发射的荧光量子数与吸收的激发光的量子数的比值。

2.2. 荧光分析法的类型[4]2.2.1荧光生成法在荧光生成的测定中,新有机试剂合成依然比较活跃,并向灵敏度高、方便实用方向发展。

如8-氨基喹啉类、腙类等荧光试剂。

但具有特异选择性及用于特定目的的新试剂依然不多见。

2.2.2荧光猝灭法基于金属离子对荧光试剂或荧光配合物的荧光猝灭作用的检测方法相对较多。

一般说来,荧光猝灭法的灵敏度比直接荧光测定的方法要高,但其线性范围和选择性通常不如荧光生成的好，赵保卫等人研究了Hg离子对2-(2′-羟基苯基)苯并咪唑的荧光具有熄灭作用,体系荧光熄灭度与Hg量呈线性关系,据此建立了测定痕量Hg的高灵敏方法[5]。

2.2.3催化荧光法催化荧光动力学分析法是荧光动力学分析法的重要方向之一,它是以催化反应为基础来测定物质含量的方法。

由于测量对象非被测物本身,而是经“化学放大”了的其它物质,因此灵敏度极高,检测限可达ng级或pg级。

在生命相关的重金属的分子荧光法测定中,相对荧光猝灭和生成,催化荧光法所占的比例依然较小,因此仍有广阔的发展前景。

因此寻求新颖,高灵敏的反应体系尚需要进一步的探索,且依然具有一定的理论和实践的意义。

3 荧光分析法的特点3.1 荧光定量分析的各种条件[6]在荧光定量分析中，必须根据试样的种类、待测成分的浓度、共存物质的种类及其浓度选择适当的荧光反应类型和操作条件，选择准则一般是荧光强度高、影响荧光强度的因素少、分析的精密度高等。

为了确定荧光分析的最佳工作条件，应考察pH值、温度、试剂用量、溶剂种类与用量、荧光化合物的稳定性等因素的影响及其消除方法。

试剂的纯度也是不可忽视的因素，此外还必须准确测定待测组分的激发和发射光谱。

2.3.1溶剂同一种荧光物质在不同的溶剂中，其荧光光谱的位置和荧光强度都可能有显著的不同。

如果溶剂和荧光物质之间形成了化合物或溶剂使荧光物质的电离状态改变，则荧光峰的波长和荧光强度都会发生很大的变化。

从应用的角度来讲，对于溶剂主要考虑三个因素：溶剂的选择要适当；溶剂应有足够的纯度；溶剂特别是混合溶剂，有时往往更有利于提高荧光物质的荧光强度。

2.3.2试剂荧光分析所用的试剂纯度是十分重要的，即使是特级试剂，其中极少量的杂质有时也会与荧光分子探针反应，并产生荧光或猝灭荧光而造成错误的分析结果；试剂长期放置有时会分解，溶解在试剂溶液中的氧具有猝灭荧光作用，从而影响荧光光谱的形状和荧光强度。

因此，实际工作中往往需要针对各种试剂的特征，认真研究它们的保存条件。

实验中各种试剂一般都需要提纯，要注意做空白试验，配制水溶液时必须使用去离子水或二次蒸馏水。

2.3.3 pH值溶液的pH值对荧光物质的荧光光谱以及荧光强度具有很大影响，进行定量分析时，必须选择最佳pH范围。

荧光物质为弱碱或弱酸时，溶液的pH值的改变，会使其电离状态发生变化，从而影响其荧光光谱和荧光强度。

对于金属离子与有机试剂形成的荧光络合物，溶液的pH值改变还会影响到络合物组成的改变，从而影响到它们的荧光性质。

2.3.4温度一般来说，溶液随温度降低而荧光效率升高、荧光强度增大，这是由于温度降低时，介质的粘度增大，荧光物质分子与溶剂分子的碰撞随之减少的缘故。

由于激发光源产生的热量，容易导致温度的变化，有时一分钟可以上升8～10℃，因此，在精确测定时应备有恒温池架，以恒定温度。

实际工作中，一般控制在20～25℃范围内。

需要注意的是，有时有些反应速度较慢，往往要加热才能使反应完全。

2.3.5.荧光物质的稳定性在激发光的直接照射下，有些荧光物质不稳定，当连续地用激发光照射时，因荧光物质的光分解或聚合，会使荧光强度减弱。

对于这些荧光强度不太稳定的成分应尽快测定，不要经常开启光闸，使光分解现象尽量减少。

生成荧光物质的反应速度和荧光物质的稳定性及其化学结构有关，不同结构之间的差别较大。

在定量测定之前，必须认真考察荧光物质的稳定性。

2.3.6.共存物质的影响在定量分析中，共存物质的干扰主要有以下几个方面：共存物的荧光猝灭作用，共存物质产生背景荧光，共存物质与荧光物质发生反应、共存物质吸收激发光或荧光使荧光强度减弱等。

遇到这些情况必须采取相应的措施，消除其干扰。

共存物质的存在，会影响荧光分析的定量测定，实际工作中应认真分析其影响原因，不可轻易放过。

有时往往因此发现新类型的荧光反应。

3.2荧光分析法的优点灵敏度：在微量物质的各种分析方法中，应用最广泛的至今仍然首推比色法和分光光度法。

荧光分析法的灵敏度一般要比这两种方法高2～3个数量级。

选择性：荧光分析的另一个优点是选择性高。

这主要是指有机化合物的分析而言。

发荧光的物质彼此之间在激发波长和发射波长方面可能有所差异，因而通过选择适当的激发波长和荧光测定波长，便可达到选择性测定的目的。

此外，荧光的特性参数比较多，除量子产率、激发和发射波长之外，还有荧光寿命、荧光偏振等。

因此，还可以通过同步扫描，导数光谱、三维光谱，时间分辨和相分辨等一些荧光测定的新技术以进一步提高测定的选择性。

除灵敏度高和选择性好之外，动态线性范围宽，方法简便，重现性好，取样量少，仪器设备不复杂等等，也是荧光分析的优点。

当然，由于不少物质本身不发荧光，不能进行直接的荧光测定，从而妨碍了荧光分析应用范围的扩展。

因此，对于荧光的产生与化合物结构的关系还需要进行更深入的研究，以便合成为数更多的灵敏度高选择性好的新荧光试剂，使荧光分析的应用范围进一步扩大。

4 荧光分析法在环境中的应用4.1荧光分析法在环境分析中的测定范围在环境监测中应用荧光分析法，主要是用于对单项指标的测定。

在无机物的荧光分析中,经常用直接荧光法进行测定的元素主要有铍、铝、硼、镓、硒、镁、锌、镉及某些稀土元素等。

常采用荧光猝灭法测定的元素有氟、硫、铁、银、钴、镍、铜、钼、钨等。

采用动力学荧光法进行测定的有铜、铍、铁、钴、锇、银、金、锌、铝、钛、钒、锰、铒、过氧化氢和 CN-离子等。

日本、美国等除了采用荧光分析法进行单项指标的测定外，还将荧光分析法应用于环境有机物综合指标的测定。

在有机物的荧光分析中，脂肪族有机化合物本身会发荧光的不多，但有许多都能和某种有机试剂反应，其产物具有荧光特性，可进行荧光分析。

例如,醇、肼、醛、酮、有机酸、糖类等等。

芳香族有机化合物因具有共轭的不饱和体系，很多都能发生荧光，如：多环芳烃、芳族硝基化合物、芳族羰基化合物、酚和醌、杂环化合物、油[7]分等。

而用荧光分析进行有机物综合指标的测定，还未见相关的报道。

环境污染以有机污染为主，环境中有机物种类繁多，组成复杂，化学稳定性差，且含量较低，有的只是痕量浓度，因此除了针对需要测定单项指标外，还必须测定综合指标来反应环境中有机物的相对含量[8]。

4.2荧光分析法在水质分析中应用城市污水主要包括生活污水、工业废水和一部分城市地表径流。

传统表征污水的污染程度一般采用化学需氧量COD（Chemical Oxygen Demand ）、生化需氧量 BOD5（Biochemical Oxygen Demand ）这两项指标，由于该项指标测定周期长，过程繁杂，因而不能及时监测水质的变化[9]。

此外COD的测试受加入氧化剂的种类和浓度、反应溶液的pH值、反应温度和时间等条件的影响很大[10]。