化学发光分析法

化学发光法在环境监测中的应用

（上海大学环境与化学工程学院）

摘要：化学发光分析的方法是在环境监测工作中应用较多的一种现代测试技术，由于其自身灵敏度高、线性范围宽、仪器设备简单等优越特点使得化学发光技术在环境监测中的应用范围不断扩展。本文综述了化学发光分析法的原理、优缺点和在环境监测中的一些应用并简介了化学发光分析的局限性和在此基础上改进后的化学发光分析法在环境检测中的拓展应用。结合毛细管电泳技术与化学发光分析的联用，举例说明了化学发光分析的优良特点与化学发光分析的发展方向。

关键词：化学发光分析法；环境监测；应用

Chemiluminescence applications in enviromental monitoring

Maguowen

(School of chemical and enviromental Engineering, Shanghai University)

Abstract:Chemiluminescence analysis method is a more modern testing technique commonly applied in environmental monitoring ,Because of its high sensitivity,wide linear range and simple equipment,chemiluminescence technology is in the ever-expanding range of applications in environmental monitoring.An reviewof the principle,advantage and disadvantage of chemiluminescence analysis and its improved application in enviromental monitoring is presented in this paper.discussed the characteristics and development of chemiluminescence analysis combined with capillary electrophoresis.

Key words: chemiluminescence analysis;enviromental monitoring;application

化学发光分析是根据化学反应产生的辐射光的强度或辐射总量来确定其相应组分含量的分析方法。自19世纪下半叶发现一般有机物的化学发光反应以来，化学发光反应便被应用到分析化学领域中，特别是近十年来化学发光分析取得了很大的进展。随着人们对环境保护的重视，对环境监测要求也愈来愈高，化学发光法的众多优点使得其在环境监测分析方面的应用也逐渐增加，特别是在水和废水中对无机离子的分析监测方面有较多应用。近年来，随着环境科学研究的深入和发展，化学发光分析在环境监测中的应用也日益增多，并成功地应用于大气监测、水质监测以及环境污染机理的研究中[1]。

1基本原理与特点

1.1原理

化学发光分析是物质在进行化学反应时释放出的化学能被处于基态的反应分子吸收，分子从基态跃迁至激发态，在符合量子化条件时，激发态分子所吸收的化学能以光的形式辐射出来，成为化学发光。当在单重激发态返回基态时辐射的是荧光，其反应式为：

反应物A+反应物B激发态产物+其他产物

激发态产物基态产物+光子

化学发光的光强度Ιa与化学发光光子产率Φa之间的关系式为：

Ia=Φa?dc(t)/dt[2]

由上式可知Ia是时间的函数，它与反应物的浓度及化学发光光子产率Φa成正比。用仪器测量一定时间内发光光子数或其积分值即发光强度或总发光强度，即可测出参与化学反应的各种物质的浓度，便能进行反应物质的定量分析。化学发光反应时待测物质与发光试剂反应发生化学发光。如某些金属离子能与鲁米诺和H2O2作用产生化学发光。另一方面，由于某些物质可与某些金属离子形成饱和配合物，使金属离子浓度降低，从而使其与鲁米诺的发光强度明显降低，基于此原理，可通

过抑制发光时间法间接检测这些样品，如一些胺类、氨基酸等通过HPLC分离，检测灵敏度可达nmol 级[2-4]。

1.2特点与不足

化学发光是化学反应中释放的化学能致使系统中基态分子跃迁至激发态，再由激发态返回基态时所产生的光辐射。由于不需要外来光源，避免了瑞利散射和拉曼散射等噪声的影响，大大提高了信噪比。灵敏度高是其突出的优点，特别是对一些气体分析及痕量金属离子的测定中检出限一般可达到10-9级；其次是线性范围宽，可达6个数量级；选择性好；仪器设备简单、分析迅速、容易实现自动化[5]。

化学发光法不足之处是其发光在瞬间完成，发光强度峰值衰减时间短，有些发光反应时间不到10秒钟，光背景高，造成检测结果稳定性和重现性差，另外，需要发光时间，目前可以被利用的发光试剂不多，因此该法的推广应用受到一定程度的限制[6]。

2化学发光分析法常用发光体系

2.1鲁米诺化学发光体系

鲁米诺是最早使用的最广泛的化学发光试剂之一，它在碱性溶液中可以被强氧化剂氧化而处于激发态，激发态发射蓝光同时回到基态。通常情况下所采用的氧化剂是过氧化氢。鲁米诺化学发光体系在大气环境监测中早已成功地测定了空气中CO、SO2、03、NO X和H2S等有毒气体浓度。此外，由于鲁米诺与的化学发光反应相当缓慢，通常用金属离子作催化剂，在很宽的范围内，金属离子浓度与发光强度成正比，从而可对这些金属离子进行化学发光分析，已用于Cu、Mn、Co、V、Fe、Cr、Ce、Hg和Th的测定，灵敏度都非常高。

2.2光泽精化学发光反应体系

光泽精是使用较早的一种优良发光试剂，在碱性介质中如被过氧化氢等氧化剂氧化后的产物吸收了反应放出的热量而处于激发态，发射蓝绿光并回到基态。Pb(II)、Co(II)、V(II)、W(III)、Ti(III)等离子对光泽精化学发光体系有强烈的催化作用，因此在环境监测中常被应用于测定这些离子[7]。

3化学发光分析法在环境监测中的应用

3.1臭氧的化学发光反应

臭氧可与40余种有机化合物产生化学发光反应，其中以与罗丹明B的反应最为灵敏，可用于测定大气中的微量臭氧。

臭氧与罗丹明B-没食子酸的乙醇溶液产生化学发光反应的过程可表示如下（A*是没食子酸与O3 反应所产生的受激中间体，B是最终的氧化产物）

没食子酸+ O3A* +O2

罗丹明B + A* 罗丹明B*+ B

罗丹明B* 罗丹明B + hυ

3.2氮氧化物的化学发光反应

一氧化氮与O3气相化学发光反应有较大的化学发光效率，其反应机理如下[7]：

NO + O3NO2* + O2NO2 + hυ

灵敏度可达1ppb,测定范围0.01~10000ppm。

测定空气中的NO2时，可先将NO2还愿为NO，测得NO的总量后，从总量中减去原试样中的NO的含量，即为NO2的含量。

同时，基于该原理可以利用化学发光法检测大气中的臭氧含量，王会祥，王欢[8]在美国TE公司的M42型化学发光NO-NO2-NO X分析仪器的基础上经过改装，进一步降低检测限成为高灵敏的臭氧检测仪器。改成后的仪器具有检测10-12（体积比）臭氧的能力。信噪比为2，积分时间为120秒时，分辨率为2.5?10-12。标定结果显示在0~50?10-9（体积比）浓度范围线性关系很好。

3.3液相化学发光

液相化学发光反应在痕量分析中十分重要。常用于化学发光分析的发光物质有鲁米诺、光泽精、洛粉碱、没食子酸、过氧苯酸盐、硅氧烯和芳香族游离基离子等[9]。

例如李邵卿，李阳[10]利用CoHR-配合物对H2O2-的高活性，配合YHF-1型液相化学发光分析仪(西安无线电八厂)与PXJ-1B型数字式离子计建立了衡量Co(II)测定的方法直接用于制药厂废水中微量钴的测定，其测定结果与原子吸收光度法测定废水中Co(II)的结果一致，且该体系具有选择性好、稳定的特点。

4与毛细管电泳技术的联用

毛细管电泳以其分离效率高、试剂消耗少、运行费用低等优点得到了广泛的应用，但是样品进样量少(纳升级水平)，给检测技术带来了巨大的挑战。目前在毛细管电泳检测技术中，商品仪器配备最多的是紫外检测器，但毛细管内径小，有效光程短，检测的灵敏度不是很高，检测限通常在10-5~10-6 mol/L之间。激光诱导荧光检测器(LIF)具有很高的灵敏度，检测限低至10-12mol/L，但仪器昂贵，维修和运行费用都比较高，不易于普及。质谱检测不但灵敏度高，而且在分析中还可以得到被检测物质的分子量和结构信息等，但仪器昂贵，操作复杂，检测费用高。

化学发光检测器不需要光源，在一定条件下，利用高灵敏度的光电转换器和电子放大装置测量发光强度就可以对被检测物质进行定量分析。由于不需要激发光源，避免了光源的不稳定和散射光的影响，具有背景干扰低，灵敏度高(检出限可达10-12~10-18 mol)，线性范围宽(3~6个数量级)等特点。同时化学发光检测器具有造价低廉，结构简单，容易实现自动化等优点，倍受人们青睐。

毛细管电泳分离效率高，但样品进样量少，需要配备高灵敏度的检测器。化学发光的灵敏度高，但是选择性差，限制了它在实际样品中的应用。将CE-CL技术结合起来，兼备了CE高选择性和CL 高灵敏度的特点，越来越广泛的应用于生物和环境样品中微量组分的分离分析。应用实例有：程介克[11]课题组依据某些金属离子对鲁米诺-H2O2体系具有催化作用，利用自组装的CE-CL装置在线检测了五种金属离子，钻、铜、镍、铁、锰的检测限分别为5.0?10-13、1.0?10-10、5.0?10-9、8.0?10-6mol/L，理论塔板数为 4.6?105。刘等[12]用柱头场放大样品富集技术测定镍，使镍离子的灵敏度得到显著提高，其检测限为7.0?10-11mol/L。卫洪清等[13]以邻菲咯琳为配位剂，在鲁米诺一过氧化氢体系中，对两种形态的铁元素(Fe(II)和Fe(III))进行了分离和检测。除了直接用化学发光法检测金属离子外，还可以用间接化学发光法。如任吉存等[14]以钻离子为探针，在鲁米诺一过氧化氢体系中用间接化学发光的方法在线分离和检测了18种金属离子，检测限比间接紫外检测方法低三个数量级，比间接激光诱导荧光法低两个数量级。

5展望

环境污染所涉及的分析样品由于其污染物含量不高，且样品种类多、涉及面广，因此需要高灵敏度、宽线性范围的、简单方便的检测方法。化学发光分析法由于其独特的优点，在环境监测中有着广泛的应用。为更好地适应环境监测的要求，化学发光分析法在以下几方面应会有更好的发展：（1）发展更加有效的样品收集分离处理技术，并使之与化学发光分析法相结合。（2）研究和发现更多的新化学发光试剂并将它应用于环境分析中，以测定更多的环境物质。（2）发展化学发光分析法与传感器技术、毛细管电泳技术等联用，扩大化学发光分析在环境分析中的应用。

参考文献：

[1]韩鹤友,崔华,林祥钦.化学发光分析法应用新进展.光谱实验室,2002(19) :39-41.

[2]郑集声.化学发光分析法在环境监测中的应用.光谱仪器与分析,2003(2)：43-50.

[3]Macdonald A.Et al,Anal.Chem.,1985,57:936.

[4]Koerner P J et al,Mikrochim.Acta,1987,2(1-3);79.

[5]Worsfold P J et al,Anal.Chim.Acta.,1991,240(2):447.

[6]常晋娜,徐伯兴.化学发光分析法在环境监测中的应用.上海化工,2005(3):5-7.

[7]李晓燕,何治柯,等.化学发光分析法在环境分析中的应用.分析科学学报,1999(3):258-262.

[8]王会祥,王欢.化学发光法检测10-12（体积比）臭氧.Moden Scientific Instruments,2004(5):42-45.

[9]李光浩.光泽精化学发光体系的研究与应用.光谱实验室,2002(6):736-740.

[10]李绍卿,李阳.CoHR—H2O2-鲁米诺化学发光体系与应用.1999(5):101-103.

[11]HuangB,LiJJ,ZhangL,et al.On-line chemiluminescence detection for capillary ion analysis.Anal.Chem,1996,68(14):2366-2369.

[12]刘彦明,王辉,韩金土等.柱头场放大样品富集技术测定镍.化学研究与应用,2005,17(l):52-54.

[13]卫洪清，刘二保，梁建功等.毛细管电泳化学发光法用于铁形态的分析.山西师范大学学报(自然科学版),2004,18(4):74一78.

[14]Ren J C,Huang X Y.Sensitive and univeral indirect chemiluminescence detection for capillary electrophoresis of cations using cobalt(II) as aprobe ion.Anal.Chem.,2001,73(11):2663-2668.