光譜分析在環境及生物化學分析中的應用

賈珺(山西忻州職業技術學院，山西 忻州 034000)

0 引言

隨著人類社會的不斷發展和進步，帶來了環境問題，土壤以及水體中的重金屬、空氣中的氮氧化物以及大顆粒物質、固體液體廢棄物等具有極大的危害性[1]。同時土壤、大氣中的部分元素進入人體，會造成一定的危害，這就需要借助光譜分析快速檢測、分析以及評估。目前在環境監測中一般應用原子熒光光譜技術[2]，該技術是光譜分析重要的組成部分，是測定水質、土壤和水系沉淀物中砷、汞、鉛等元素的國家標準。同時光譜分析技術同樣應用于生物化學分析中，快速便捷地檢測相關成分。

1 光譜分析的概念及原理

1.1 光譜分析的概念及分類

光譜分析指的是依據物質自身光譜特征測定其化學組分和含量的方法，顯著特點是在測定的過程中具有高靈敏度和較快的測定速度。化學發展史上如：銫、氦等元素都是通過光譜分析測定發現的。光譜分析按照分析原理可以分為發射和吸收光譜分析；依據其被監測目標的形態，可分為原子光分析、光譜分析和分子光譜分析。當被監測目標為原子結構時，光譜監測稱為原子光譜；監測目標為分子結構時，光譜分析稱為分子光譜。

1.2 光譜分析法的內涵及原理

光譜分析法(spectral analysis或spectrum analysis)指的是依據不同結構的物質具有不同的光譜特征的原理，通過監測不同物質特殊的光譜測定其化學組分或是結構的方法[3]。其監測過程可分為：(1)監測能源提供監測動能；(2)發射源提供的能量激發被監測物質，與被監測物質發生相關作用；(3)被監測物質能量的監測和接受。

發射光譜分析是根據被測原子或分子在激發狀態下發射的特征光譜的強度計算其含量。吸收光譜是根據待測元素的特征光譜，通過樣品蒸汽中待測元素的基態原子吸收被測元素的光譜后被減弱的強度計算其含量。它符合郎珀-比爾定律：

式中：I為透射光強度；Io為發射光強度；T為透射比；L為光通過原子化器光程。由于L是不變值，所以A=KC。物理原理為：原子的構成為原子核和圍繞原子核運動的電子組成，核外電子依據能量高低分布在不同的能級軌道，單個原子核具有多個能級狀態。能級最低的狀態稱為基態能級，其余能級屬于激發態能級，一般情況下，原子處于基態，核外電子圍繞原子核在最低基態繞核運動。若將一定能量給予基態原子，該能量恰好與基態原子的能量差相符，則可激發外層電子躍遷，導致原有的光經分光后譜線中缺少了一些特征光譜線，因而產生原子吸收光譜。同時原子吸收能量后躍遷至較高的能級，其激發電子不穩定，激發電子會自動返回原基態，電子躍遷將能量以光的形式釋放，此過程為原子發射光譜。

1.3 光譜分析法的分類及其優缺點

光譜分析法包括經典的熒光分析法和共振光散射分析法，在諸多領域有著廣泛的應用。熒光分析法特點在于靈敏度高，可選擇性廣，但是其缺點在于其被分析的目標物體需具備產生熒光發射的特殊結構，因此其應用范圍相對較窄。而共振光散射分析法不需要被分析的目標物體需具備產生熒光發射的特殊結構，試驗操作相對簡單，準確性高，但是同樣存在不足，其被監測目標的選擇范圍相對較窄。兩個分析方法在試驗測定的過程中容易受到被監測目標的介質以及試驗條件的影響，其穩定性和重復性需要提升。隨著光譜分析研究的不斷深入，有必要對其應用的局限性進行不斷改善，以拓寬其應用范圍。

2 光譜分析在環境監測中的應用

環境監測一般包括水質監測、大氣環境監測、土壤廢棄物監測等。在環境監測中一般應用原子熒光光譜技術，該技術是光譜分析重要的組成部分，是測定水質、土壤和水系沉淀物中砷、汞、鉛等元素的國家標準。

2.1 絡合熒光分析法

采用間接法監測環境中絡合熒光法是最常用的方法，其原理是被監測物質在無熒光或是熒光較弱的環境下與有機試劑發生絡合反應而不添加其他的試劑進行測定[4]，具體的測試如表1所示。

表1 絡和熒光法可測定的環境中的物質

2.2 催化熒光法

由于部分被監測物無法與試劑形成絡合物，熒光萃取法主要在降低熒光輕度的條件下進行，被監測物質中元素的離子在部分金屬離子作用下，將有機試劑或是金屬離子奪取電子，形成趨于穩定的配合物或者難溶于水的化合物，這樣可以有效地降低熒光強度，從而相對容易測定元素含量。在環境監測中應用催化熒光法可以測定水體中各種衡量元素。

2.3 同步熒光法

同步熒光法指的是其測定的熒光強度信號與其對應的激發波長形成的光譜圖，與其他熒光測定方法比較，其最大的區別在于它能夠同時激發和發射兩個單色器波長，可以分為恒波長分析法、恒能量分析法、可變角分析法和恒基體分析法。目前，環境中的多環芳烴是一種較為危險的污染物，其主要危害在于具有較強的致癌性，目前在關于監測多環芳烴的相關研究中，多是采用同步熒光法測定，相比于其他監測方法，其顯著特點是簡單、易操作。

3 光譜分析在生物化學分析中的應用

3.1 熒光技術在蛋白質分析中的應用

蛋白質(protein)是由氨基酸以“脫水縮合”的方式組成的多肽鏈經過盤曲折疊形成的具有一定空間結構的物質，是組成人體一切細胞、組織的重要成分。維持著生命體的正常生命活動，如酸堿平衡、中心法則以及物質代謝等。蛋白質的異常表達會導致有機體的病變，例如表皮生長因子受葉酸等的影響出現過量表達，就會導致血小板凝集功能異常，嚴重情況下會出現大出血，引發生命危機。為此，監測蛋白質含量顯得尤為重要。隨著經濟社會的發展和生命科學的進步，目前對于蛋白質的監測不斷創新，監測方法日新月異，目前應用最為廣泛的是熒光分析方法。

3.2 共振光散射法測定鉛元素

鉛是一種重金屬元素，在進入人體后與可溶性磷酸或者甘油磷酸形成化合物，隨著血液循環流經人體各個部分，有部分可溶性磷酸氫鉛或甘油磷酸鉛流入骨骼形成磷酸鉛。隨著年齡的增長，磷酸鉛過量的積累就會導致體內相關平衡系統失衡，發生鉛中毒的現象。目前測定鉛元素的方法較多，但是最常用的是分光光度法和原子光譜法。

3.3 雙波長共振光散射比率法在生物化學上的應用

雙波長比率法較單波長方法的顯著優點在于能夠有效地降低外界環境條件對監測產生的影響，其抗干擾能力較強。雙波長共振光散射比率法廣泛應用于脫氧核糖核酸、氨基酸和氫離子濃度指數等的測定。其測定原理是共振光散射技術源于雙向掃描激發和發射單色器獲取光散射信號建立起來的技術體系。

4 結語

光譜分析顯著特點是在測定的過程中具有高靈敏度性和較快的測定速度。光譜分析法包括經典的熒光分析法和共振光散射分析法，各有優缺點，就目前來說，共振光散射技術更為成熟，在不同的領域發揮著重要的作用。光譜分析在環境監測中的應用主要有絡合熒光分析法、催化熒光法和同步熒光法，是測定水質、土壤和水系沉淀物中砷、汞、鉛等元素的常用方法。