大氣污染物二氧化硫的熒光檢測(cè)技術(shù)研究進(jìn)展

鄒耀民 楊義文

1浙江浙能嘉華發(fā)電有限公司運(yùn)行部（浙江嘉興 314201）2嘉興學(xué)院生物與化學(xué)工程學(xué)院（浙江嘉興 314001）

在世界的許多地方，二氧化硫都是主要的大氣污染物之一。它主要來源于含硫化石礦物燃料（如煤、石油和天然氣）的燃燒、火山噴發(fā)、含硫礦物的冶煉和焙燒等自然或生產(chǎn)過程。二氧化硫不僅會(huì)形成酸雨，腐蝕生產(chǎn)設(shè)備和建筑物，還會(huì)對(duì)環(huán)境安全、動(dòng)植物和人體健康造成嚴(yán)重危害。人體若過度吸入二氧化硫氣體，不僅會(huì)引發(fā)哮喘病、慢性支氣管炎、肺氣腫、肺癌等呼吸系統(tǒng)疾病，還會(huì)引發(fā)神經(jīng)系統(tǒng)和心血管等疾病[1]。為了保護(hù)人類的健康和安全，美國(guó)職業(yè)安全與健康管理局將大氣中二氧化硫質(zhì)量濃度的警戒線定為2 mg/L。針對(duì)二氧化硫?qū)Νh(huán)境安全和人類健康所造成的嚴(yán)重危害，我國(guó)已經(jīng)把治理二氧化硫污染、減小二氧化硫的排放量列為環(huán)境治理的首要任務(wù)，并將長(zhǎng)時(shí)間嚴(yán)格執(zhí)行下去。今后，對(duì)排放源特別是二氧化硫排放比較多的地方（如燃煤火力發(fā)電廠、鋼鐵廠等）進(jìn)行有效控制，并采用可靠、快捷、準(zhǔn)確、高效的檢測(cè)方法對(duì)大氣中二氧化硫的含量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，顯得尤為重要。

目前，二氧化硫的檢測(cè)方法主要包括分光光度法[3]、滴定分析法[4]、電化學(xué)檢測(cè)法[5]、極譜法[6]、物理或化學(xué)吸收法[7]、化學(xué)發(fā)光法[8]、流動(dòng)注射法[9]和離子色譜法[10]等。雖然這些方法對(duì)二氧化硫具有一定的靈敏度和選擇性，但不少方法不可避免地存在成本高、操作費(fèi)時(shí)、過程煩瑣等缺點(diǎn)。熒光分析法具有檢出限低、靈敏度高、快速、儀器簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，將其用于二氧化硫的實(shí)時(shí)檢測(cè)，可以發(fā)展可靠、快捷、高靈敏度的分析方法，實(shí)現(xiàn)溶液乃至大氣中二氧化硫的準(zhǔn)確、快速、高效檢測(cè)。本文對(duì)二氧化硫的熒光檢測(cè)技術(shù)研究進(jìn)展進(jìn)行了綜述。

1 熒光分析法的基本原理

某些物質(zhì)被紫外光照射后處于激發(fā)態(tài)，當(dāng)其從激發(fā)態(tài)回到基態(tài)時(shí)，過剩的能量便以電磁輻射的形式發(fā)射出去，這一過程被稱為發(fā)光，這種光被稱為熒光。根據(jù)熒光光譜的特征及強(qiáng)度可以對(duì)物質(zhì)進(jìn)行定性或定量分析。由于有些物質(zhì)本身不發(fā)射熒光（或熒光很弱），這就需要將它們與某些試劑結(jié)合生成熒光較強(qiáng)的物質(zhì)，從而使體系熒光強(qiáng)度增大，這一過程被稱為熒光增強(qiáng)過程。還有些物質(zhì)本身會(huì)發(fā)射熒光，當(dāng)它們與某些物質(zhì)接觸或反應(yīng)時(shí)，會(huì)導(dǎo)致它們的熒光強(qiáng)度下降或消失，這一過程被稱為熒光淬滅。無(wú)論是物質(zhì)受光照射后發(fā)出熒光，還是熒光增強(qiáng)、熒光淬滅過程，都可利用它們對(duì)物質(zhì)進(jìn)行定性或定量分析。

2 二氧化硫的熒光檢測(cè)方法研究進(jìn)展

2.1 基于化學(xué)反應(yīng)的熒光檢測(cè)方法

讓有熒光的物質(zhì)與二氧化硫及其衍生物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成無(wú)熒光或熒光很弱的產(chǎn)物，利用體系熒光下降強(qiáng)度與二氧化硫及其衍生物的濃度成正比的原理，可檢測(cè)出二氧化硫的濃度；或者讓無(wú)熒光或熒光很弱的的物質(zhì)與二氧化硫及其衍生物發(fā)生反應(yīng)生成有熒光的物質(zhì)，利用體系熒光上升強(qiáng)度與二氧化硫及其衍生物的濃度成正比的原理，也可檢測(cè)出二氧化硫的濃度。

早在1970年，Axelrod等[11]就利用熒光淬滅原理檢測(cè)模擬樣品中二氧化硫的濃度。先將樣品溶于四氯汞鈉溶液生成四氯汞鈉-SO2絡(luò)合物，然后讓四氯汞鈉-SO2絡(luò)合物與甲醛反應(yīng)生成羥基甲磺酸，再加入5-氨基熒光素（有熒光的物質(zhì)）與之反應(yīng)，得到無(wú)熒光或熒光很弱的產(chǎn)物（見圖1），在此過程中實(shí)現(xiàn)了熒光淬滅，其熒光下降強(qiáng)度與二氧化硫的質(zhì)量濃度成正比。該方法檢測(cè)限可達(dá)0.02μg/mL。雖然該方法為二氧化硫的檢測(cè)提供了一種新的思路，但尚不能用于實(shí)際樣品的檢測(cè)。

圖1 5-氨基熒光素與羥基甲磺酸的反應(yīng)機(jī)理

2002年，Santhanalakshmi等[12]發(fā)現(xiàn)，水合二氧化硫與四磺化酞菁鋅(II)熒光體會(huì)發(fā)生配位反應(yīng)而產(chǎn)生熒光淬滅現(xiàn)象（見圖2），并在0.1～1.0 mmol/L濃度范圍內(nèi)與熒光下降的強(qiáng)度具有良好的線性關(guān)系。該方法最低檢測(cè)限可達(dá)1×10-4mol/L，適合于水合二氧化硫樣品的檢測(cè)，尚不能用于實(shí)際氣體樣品的檢測(cè)，且靈敏度有很大提高空間。

圖2 二氧化硫與四磺化酞菁鋅(II)的反應(yīng)機(jī)理

2005年，Chang等[13]提出了一種基于微芯片、可用于在線檢測(cè)空氣中微量二氧化硫的方法。當(dāng)空氣中的二氧化硫穿過薇芯片的多孔玻璃材料后，會(huì)被三乙醇胺溶液吸收生成亞硫酸根負(fù)離子（SO32-），后者進(jìn)一步與N-(9-吖啶基)馬來酰亞胺反應(yīng)，定量生成強(qiáng)熒光的物質(zhì)，亞硫酸根負(fù)離子在1.5～30μmol/L的濃度范圍內(nèi)與體系熒光上升的強(qiáng)度具有良好的線性關(guān)系（相關(guān)系數(shù)R2=0.995），檢測(cè)限達(dá)1.4μmol/L。雖然微芯片技術(shù)具有檢測(cè)試劑消耗少、樣品用量小、污染少、可集成小型化與自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)，但目前該核心技術(shù)仍缺乏規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，技術(shù)難題有待突破，且生產(chǎn)成本昂貴。

2014年，Wang等[14]在碳納米點(diǎn)(CDs)的表面連接了一個(gè)花青染料分子，該分子可選擇性地和亞硫酸氫根負(fù)離子（HSO3-）反應(yīng)。在溶液中沒有亞硫酸氫根負(fù)離子時(shí)，由于花青染料分子和碳鈉米點(diǎn)存在熒光共振能量轉(zhuǎn)移(FRET)，碳鈉米點(diǎn)的能量被轉(zhuǎn)移，導(dǎo)致碳鈉米點(diǎn)熒光很微弱。而在溶液中加入亞硫酸氫根負(fù)離子后，花青染料分子與之反應(yīng)，花青染料分子和碳鈉米點(diǎn)之間的熒光共振能量轉(zhuǎn)移路徑被切斷，碳鈉米點(diǎn)的能量不會(huì)被轉(zhuǎn)移，從而使碳納米點(diǎn)保持較強(qiáng)的熒光（見圖3）。通過該熒光增強(qiáng)原理，Wang課題組成功實(shí)現(xiàn)了溶液中亞硫酸氫根負(fù)離子的高選擇性檢測(cè)，檢測(cè)限可達(dá)1.8μmol/L，并且溶液中的其他組分不會(huì)對(duì)檢測(cè)過程造成影響。此外，該方法還可用于空氣中二氧化硫氣體的檢測(cè)。雖然該方法選擇性較好，但靈敏度仍有待提高。

圖3 HSO3-與花青染料反應(yīng)導(dǎo)致的熒光增強(qiáng)機(jī)理

2015年，Wang等[15]又通過量子點(diǎn)（QDs）與3-氨丙基三乙氧基反應(yīng)，在量子點(diǎn)表面修飾了氨基。該氨基可通過靜電吸引與香豆素-3-羧酸進(jìn)行連接，導(dǎo)致香豆素-3-羧酸的熒光減弱，而使體系熒光比較微弱。當(dāng)在體系中加入二氧化硫后，由于二氧化硫可與量子點(diǎn)表面的氨基發(fā)生反應(yīng)生成穩(wěn)定的電荷轉(zhuǎn)移復(fù)合物，導(dǎo)致氨基與香豆素-3-羧酸分離。香豆素-3-羧酸脫離量子點(diǎn)表面后，其熒光得到恢復(fù)，從而使體系熒光增強(qiáng)（見圖4）。通過該熒光增強(qiáng)原理，對(duì)二氧化硫氣體進(jìn)行了高選擇性的檢測(cè)，檢測(cè)限可達(dá)6 μg/L，取得了良好的檢測(cè)效果。

圖4 二氧化硫與量子點(diǎn)表面的氨基反應(yīng)導(dǎo)致的熒光增強(qiáng)機(jī)理

2.2 紫外熒光檢測(cè)方法

在紫外光的照射下，二氧化硫分子會(huì)發(fā)出熒光，其熒光強(qiáng)度與自身濃度成正比，因而可通過該原理檢測(cè)出二氧化硫的濃度。

1973年，Okabe等[16]通過紫外熒光的方法對(duì)二氧化硫的濃度進(jìn)行了檢測(cè)。研究發(fā)現(xiàn)，在鋅燈照射下，空氣中的二氧化硫在0.1～500 mg/L的范圍內(nèi)與熒光強(qiáng)度具有良好的線性關(guān)系。而在鎘燈照射下，其線性質(zhì)量濃度范圍為0.1～1600 mg/L，最低檢測(cè)限為20μg/L。其中O3，H2S，NO2/CO2，CO和H2等氣體對(duì)檢測(cè)過程無(wú)干擾。而高質(zhì)量濃度的CS2（SO2質(zhì)量濃度的500倍）、NO（SO2質(zhì)量濃度的500倍）或C2H4（SO2質(zhì)量濃度的4000倍）會(huì)對(duì)檢測(cè)過程造成干擾。該方法雖然選擇性較好，但靈敏度仍有待提高。

2005年，Matsumi等[17]通過紫外激光誘導(dǎo)熒光技術(shù)對(duì)大氣中的二氧化硫氣體進(jìn)行了檢測(cè)。在60 s的積分時(shí)間內(nèi)靈敏度高達(dá)0.005μg/L。此外，由于二氧化硫獨(dú)特的光譜特征，大氣中的其他氣體組分基本不會(huì)對(duì)檢測(cè)造成影響，因而該方法具有高選擇性。雖然激光誘導(dǎo)熒光技術(shù)對(duì)二氧化硫氣體的選擇性及靈敏度都較高，但存在儀器昂貴、成本高、激發(fā)波長(zhǎng)單一、激發(fā)波長(zhǎng)不可調(diào)等缺點(diǎn)。

2.3 基于能量轉(zhuǎn)移的熒光檢測(cè)方法

讓二氧化硫與熒光物質(zhì)接觸，使熒光物質(zhì)的電子或能量發(fā)生轉(zhuǎn)移，從而導(dǎo)致體系熒光強(qiáng)度下降，利用體系熒光下降強(qiáng)度與二氧化硫的濃度成正比的原理，可檢測(cè)出二氧化硫的濃度。

1999年，Arnold等[18]以硅酮和羅丹明B異硫氰酸酯制成的傳感膜、調(diào)制的藍(lán)色LED燈以及光電二極管檢測(cè)器做成了固態(tài)熒光傳感器。由于二氧化硫能使羅丹明B異硫氰酸酯的熒光發(fā)生淬滅，因此可通過該原理對(duì)二氧化硫的濃度進(jìn)行檢測(cè)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在載氣流氮?dú)庵校趸虻臋z測(cè)限可達(dá)0.114%±0.009%，其中HCl，NH3，NO和CO2等氣體不會(huì)對(duì)檢測(cè)過程產(chǎn)生干擾，而氧氣會(huì)有一定的影響。由于空氣中的氧氣含量較多，該方法選擇性較差。

2017年，Wang等[19]報(bào)道了一種陰離子功能化的熒光離子液體，該離子液體可高容量地吸收二氧化硫，并可作為二氧化硫的熒光傳感器。和傳統(tǒng)的熒光傳感器相比，該離子液體不會(huì)因?yàn)榫奂l(fā)生熒光淬滅或發(fā)射現(xiàn)象。當(dāng)二氧化硫與離子液體發(fā)生物理吸附后，就能發(fā)生熒光淬滅現(xiàn)象。研究表明，該離子液體是一種優(yōu)秀的液體傳感器，它可對(duì)二氧化硫進(jìn)行定量和高選擇性的檢測(cè)，在0～0.23 mol/mol的濃度范圍內(nèi)與熒光下降的強(qiáng)度具有良好的線性關(guān)系。雖然該方法選擇性較好，但靈敏度偏低。

2018年，Qian等[20]通過“原位二次生長(zhǎng)”策略在普通玻璃表面構(gòu)建了Eu3+-有機(jī)結(jié)構(gòu)膜，并首次用于二氧化硫氣體的直接熒光感應(yīng)。由于二氧化硫和有機(jī)配體可發(fā)生分子間電荷轉(zhuǎn)移，Eu3+的熒光發(fā)射可快速、顯著地被二氧化硫氣體所淬滅。在短短6 s的感應(yīng)時(shí)間內(nèi)，檢測(cè)限可達(dá)0.65 mg/L。雖然該方法可對(duì)二氧化硫氣體進(jìn)行直接檢測(cè)，但方法的選擇性及靈敏度均有待提高。

3 結(jié)論與展望

熒光分析法是一種可靠、快速、靈敏度高和操作簡(jiǎn)便的方法，將其用于二氧化硫的檢測(cè)，已取得了較大的進(jìn)展。但同時(shí)也存在一定的不足，如某些方法的儀器昂貴，檢測(cè)成本高，大多數(shù)方法對(duì)二氧化硫分子的選擇性不夠理想，導(dǎo)致類似物質(zhì)對(duì)測(cè)定的干擾較大。今后，在二氧化硫的熒光檢測(cè)中，若能引進(jìn)分子印跡技術(shù)或核酸適配體技術(shù)[21-22]，提高熒光傳感器對(duì)目標(biāo)分子的選擇性，減小測(cè)定過程中的干擾，同時(shí)降低檢測(cè)成本，將有望實(shí)現(xiàn)二氧化硫分子的低成本和高選擇性檢測(cè)。