收藏本站
收藏 | 手机打开
二维码
手机客户端打开本文

基于CCD的小型光谱分析仪器与化学发光新技术

何艺桦  
【摘要】: 绿色化学由于其环境友好性和经济效益,近年来引起了广泛的关注。分析化学作为一门定性和定量的科学,不仅是绿色化学的的重要组成部分,也是其仲裁,这就要求分析化学本身也要绿色化。光谱分析所具有的特点(如仪器简单、使用范围广等)使它成为绿色分析化学的最佳选择之一。 概略来说,光谱分析仪器主要由光源/激发源系统、样品系统和检测系统三部分组成,对这三个系统的改进和革新,就有可能提高现有光谱分析仪器的性能,甚至导致新技术的出现,如小型化分析仪器。有些技术革新可能使光谱分析向绿色化迈进一大步。 基于这种思想,本论文从两方面研究了光谱分析新方法:一是使用新的原子化技术和微型CCD光谱仪组装了小型光谱分析仪器,二是建立了新的化学发光技术而扩展了该技术的应用范围。 原子化无疑是原子光谱这一分析技术的核心部分。实现原子化的技术有很多,如电弧火化、火焰、电热技术和等离子体技术等。但无论采取任何一种方式,当前实现原子化都是通过获取高温使物质解离而达到原子化。为了获取高温,就不可避免地使分析仪器产生一定的缺陷,因此,寻找一种更简单和有效的方法,甚至在常温下实现原子化在原子光谱仪器小型化/便携化的研究中是非常有前景的。本论文探讨了两种有望实现小型化的原子化技术,包括钨丝电热原子化技术和光诱导溶液中原子化技术。 随着半导体工业的发展,CCD检测器在分析仪器中的应用越来越广泛。目前,集成了一个光栅和一个CCD检测器的微型CCD光谱仪已经很容易地可以获得,它可以应用在小型化/便携式仪器的发展上。虽然这种微型CCD光谱仪由于体积限制而使其灵敏度不如光电倍增管,但是其多道检测能力、可长时间连续工作和节能等优点,使它更适合于小型化/便携式分析仪器的研究,以及连续多组分分析和野外/现场监测的研究。本论文的前三个工作均使用一块微型CCD光谱仪作为检测器。 化学发光最大的优势在于它的低,甚至无背景,以及它的高灵敏度。其高灵敏度、选择性、快速、简单而便宜的仪器装置使它成为一种应用广泛的分析技术。然而传统化学发光系统的缺点也是比较明显的,即所能测定的物质有限。为了拓展这一分析方法的应用范围,本论文研究了两种新型的化学发光体系,包括催化发光和介质阻挡放电诱导化学发光(DBD-CL)两个体系。这两个体系,尤其是DBD-CL体系,可以对更多的物质产生响应。 具体包括以下几方面的研究工作: (1)基于钨丝电热原子化器和一个微型CCD光谱仪,建立了一套钨丝电热原子吸收光谱分析系统。与传统的石墨炉电热原子吸收光谱仪相比,钨丝电热原子吸收系统不仅简化了仪器结构,而且减小了仪器体积,降低了仪器成本以及运行成本,但是仪器性能却与石墨炉电热原子吸收系统相当。与之前研究钨丝电热原子吸收光谱的工作不同,本文详细考察了Ar载气中H2含量对这一系统的影响。本工作还应用这一系统测定了生物样品中的镉、铜和铅。这一系统有望成为石墨炉电热原子吸收光谱法的有益补充。 (2)我们的实验发现,氯化甲基汞和甲酸在UV辐射下反应的初期产物是汞自由原子。所得到的Hg0不经气-液分离而在反应介质中使用基于微型CCD光谱仪的原子吸收光谱法进行了直接测定,发现由于水合作用,得到的是最大吸收峰约为255 nm、半峰宽约为15 nm的宽带吸收。该法实现了在室温和常压下的原子化,并且不经过气-液分离对汞原子进行了直接测定,有望发展成小型化的新型原子吸收光谱仪。实验结果还表明,在持续的UV辐射下,将产生多种与甲酸光诱导降解产物有关的Hg物质,而使吸收逐渐变得没有波长选择性,这一现象与计算结果相吻合。这一实验结果表明这一反应的产物是与反应时间有关系的。进一步实验发现,UV辐射可以充当“光开关”的角色,有效地控制这一反应的进程。通过实验结果和计算结果,对这一反应作了相关的讨论。 (3)基于一个微型CCD光谱仪,我们构建了一个简单而小巧的分子荧光仪用于在线监测有机污染物的光降解过程。这个系统使用同一个高压汞灯既作为有机污染物的UV光降解辐射源,同时也作为荧光激发源。苯酚和2-萘酚被选做这一工作的典型分析物。此外,还研究了不同均相光催化体系的降解效率进行了研究,包括单独的UV辐射、UV/H_2O_2和UV/Fe~(3+)三个体系。动力学模型表明降解过程符合Langmuir-Hinshelwood模型。实验结果表明,这个方法仪器简单、小型,既可以应用于在线实时监测,也适用于野外分析。 (4)使用多孔γ-Al_2O_3和Fe_2O_3材料作为催化剂,提出了使用催化发光作为气相色谱(GC)检测器,并对这一体系作为室内污染气体的分析进行了研究。通过选择合适的气相色谱分离条件和催化发光检测条件,甲醛、苯、甲苯二甲苯和H2S这五种常见的室内污染气体可以被良好地分离检测。虽然所提出的催化发光检测器的灵敏度有待进一步提高,然而其独特的特点,如对有机和无机物质都能响应、简单、工作条件温和、成本低等等,将使它有望成为气相色谱的有力检测器。 (5)基于一个常压下的介质阻挡放电(DBD)装置,提出了一种可以对更多物质产生响应的新化学发光技术。利用介质阻挡放电激发/剪切被测物质,产生的活性物质和鲁米诺溶液反应产生化学发光。基于这一现象,我们提出了一种新的光学检测器,并对其作为气相色谱的检测器作了初步的研究。这一新型检测器的优点在于:直接检测、灵敏度高、响应范围广(对多种物质响应)、结构简单、体积小巧、功耗低(小于5W)。实验表明,化学发光信号正比于待测物质的浓度,而且受DBD的工作参数影响很大。在最佳条件下,甲醇、乙醇、丙醇、甲醛和乙醛这五种代表分析物的检出限都在ng级。这一工作是DBD在分析化学中的全新应用,化学发光也首次以这种方式产生。进一步实验还表明,这个体系可以用作气相色谱的检测器。


知网文化
 快捷付款方式  订购知网充值卡  订购热线  帮助中心
  • 400-819-9993
  • 010-62982499
  • 010-62783978