激光痕量分析實現單原子和單分子的檢測

單原子和單分子的檢測，是分析化學家多少年來夢寐以求的理想，今天，終于由激光光譜分析技術實現了。它標志著分析化學檢測限推進到了一個新的里程碑。
　　激光的高強度和窄帶寬，賦予激光光譜分析方法以靈敏、準確、選擇性和無損測量的特點，成為無機、有機及生物樣品痕量、超痕量分析的強有力武器。激光電離光譜、激光誘導熒光光譜、激光光聲和光熱光譜分析方法在痕量、超痕量分析中各有所長，各具特色。
　　激光共振電離（laser resonance ionization , LRD 方法具有單原子探測和計數原子的能力。它利用激光的高單色性，高選擇性地將原子激發到某一特定的能級上，然后電離處于這種特定能級布居的每一個原子，用計數熱電子的方法探測電離出的自由電子，從而達到計數原子和單原子探測的目的。使用目前商品可調諧激光器，對周期表中所有基態原子（He 、Ne 除外），都可以找到一種實現單原子探測的共振電離方式。單原子探測技術雖然設備復雜、昂貴，未曾進入普通分析實驗室，但它在許多重大課題中發揮著重要的作用。例如，探測太陽中微子以研究太陽內部情況；探測稀有氣體同位素（如⁸¹Kr ,³⁹Ar ）用以判定極冰帽年代；研究海洋環流，測定海洋翻轉速率；測定超重元素（如²⁴²Am , ²⁵²Cf ) ，進行自發裂變等核物理研究等。雖然這些課題超出了分析化學范圍，但是，這種超高靈敏和超高選擇性的技術，無疑是解決分析化學中超痕量分析難題的最有力武器。現在，已有人用它來檢測高純硅中極有害的超痕量鈉，檢測土壤中懷的污染，以及監測環境中汞的污染等。
　　將激光選擇性激發原理用于火焰原子化器的元素分析，發展了另一種激光電離光譜技術? 激光增強電離光譜（laser enhanced ionization , LEI ）。下圖是LEI 典型實驗裝置示意圖。當火焰中的原子被可調諧激光選擇性地激發到接近電離連續態的高能態時，受激原子的熱碰撞電離效率將顯著增加，產生電子和正電荷離子。通過置于火焰兩旁的高壓電極收集所形成的離子，便得到光電離信號。經過多年研究，LEI 技術已趨成熟，而且已擴展到石墨爐、等離子體以及微波等原子化器。多數元素的檢測限在ng/ml～Pg/ml 范圍，靈敏度比石墨爐原子吸收光譜（graphite furance atomic absorption spectroscopy, GFAAS）高1～2 個數量級，與激光誘導原子熒光光譜分析的靈敏度處于同一水平。LEI 檢測的是電流信號，具有檢測效率高、不受散射光等雜散光背景干擾的優點，是非常有發展前途的激光痕量分析方法之一。鑒于LEI 方法已足夠成熟和用途廣泛，許多學者認為，現在應是LEI 走出激光實驗室，步入普通分析實驗室的時候了。

　　激光誘導熒光光譜（laser-induced fluorescence , LIF ）作為超高靈敏度的分析方法，早已廣為人知。無論對原子或分子，LIF 都有非常高的靈敏度。70 年代初，就有人用激光作激發光源進行原子熒光光譜分析，是激光技術在分析化學中的最早應用之一。20 多年來，大量研究結果表明，對大多數元素，激光誘導原子熒光（laser-induced atomic fluorescence , LIAF ）的靈敏度優于GFAAs 和ICP-MS（等離子體-質譜）。如果說10 年前在LIAF 又獻中，用于實際樣品分析的還不足10％的話，而今已有自動化的LIAF 商品儀器問世了，可見它已進入成熟和實用階段。
　　近年來，在DNA 快速序列分析，微柱分離組分檢測等許多熱點研究課題中，對分析靈敏度的要求越來越高，因而激起了單分子激光誘導熒光檢測的研究。至今，已有許多有關單分子檢測的理論和實驗報道，顯示了激光誘導分子熒光（laser-induced molecular fluorescence , LIMF）分析技術的超高靈敏度水平。不過，所研究的體系還僅局限在Reg染料和藻紅蛋白等少數樣品上。
　　雖然LIMF 有很高的靈敏度，但在溶液痕量物質測定中，由于室溫下熒光線的寬帶性質，大大地降低了它的選擇性，在許多情況下，不能滿足復雜樣品（如環境中的多核芳烴碳氫化合物，polycyclicaromatic hydrocarbons , PAHs ）分析的要求。因此，LIMF 分析方法的關鍵問題是提高選擇性。圍繞這個間題，相繼建立了許多高選擇性的LIMF 方法。它們是基于提高光譜分辨率和時間分辨率，采用多維技術和雙共振或多光子激發技術等途徑來實現的。其中，最主要的途徑是提高光譜和時間分辨率。低溫熒光光譜和分子束熒光光譜屬于前一種，采用時間門選通技術則屬后一種。
　　將樣品分子在液氦溫度下凍結在合適的溶劑中或與緩沖氣體（基質）一起沉積在低溫表面上，吸收線和熒光線就會由寬帶變成類似原子線的窄帶，當用高單色性激光選擇性激發時，就可得到極高的光譜選擇性。文獻中報道的щполскии光譜，熒光線變窄光譜，基體隔離熒光光譜都屬于低溫熒光光譜。在復雜多組分痕量PAHs 分析中得到成功的應用。
　　超聲分子束熒光光譜分析，是將氣體（或蒸氣）樣品用高壓惰性氣體（如He）作載體，以超聲速度通過一個噴嘴進入真空室中，當它在真空中急劇膨脹時，氣體就被急劇冷卻到低至IK 的轉動溫度（內冷），大分子復雜結構的光譜被簡化到像原子光譜那樣的少數銳線，光譜分辨率提高2～3 個數量級，FWHM 達1～3cm^-1，分析的選擇性得到極大的提高。
　　分子束技術是一種通用技術，近年來有很大進展，不僅用于LIF分析，而且亦用于質譜分析、光熱光譜分析和拉曼光譜分析。
　　采用超短脈沖激光和時間門選通測量技術的時間甄別和時間分辨熒光光譜分析，利用樣品分子熒光壽命的差異來實現高選擇性檢測，使那些光譜上分辨不好或根本無法分辨的熒光測量得以順利實現。
　　時間分辨測量技術亦是一種通用技術，它不但用于熒光分辨測量，也用于拉曼光譜分析中消除樣品和雜質的熒光干擾，提高拉曼光譜測量靈敏度，而且更重要的還是動力學分析、超快過程檢測的有力工具。
　　表面增強拉曼散射效應的發現，使拉曼光譜（Raman spectrometry , RS ）的靈敏度提高了10⁴～10⁷倍。原來靈敏度很差的RS ，一躍加入到痕量分析的行列，成為生物、藥物、環境痕量分析中的一項新技術。表面增強拉曼光譜（surface enhanced Raman spectrometry , SERS）多用于環狀結構，特別是含氮雜環化合物的分析，對DNA 、蛋白質的結構功能亦進行過研究，檢測限低于10^-5mol / L 。轉速計| 水份計| 分析儀| 溶氧計| 電導度計| PH計| 酸堿計| 糖度計| 鹽度計| 酸堿度計| 電導計| 水分測定儀| 濁度計| 色度計| 粘度計| 滴定儀| 密度計| 熱流計| 濃度計|
　　與上述基于微觀量子效應的探測方法相比，激光光聲（laser photoacoustic , LPA）和光熱光譜（photothermal spectrometry , PTS）分析方法說不上是超靈敏的，但它仍然算得上是高靈敏的。一般情況下，可測定低至10^-8至10^-6的光吸收，比常規吸收法的檢測限要低2～3 個數量級。若用吸收系數為10⁵cm^-1mol^-1L的鰲合物，檢測限可達10^-12～10^-13或pg 水平，因此在許多領域有著重要的應用。例如，在大氣中現場監測超低濃度氣體，在核工業中監測放射性核燃料及裂變產物中的放射性元素，在半導體工業中非破壞性測量Si 片的離子摻雜劑量等，都具有重要的實用意義。近年來，荷蘭一些科學家在大氣條件下對農業上感興趣的一些氣體如C₂H₄ 、O₃、NH₃ 、H₂S 等，進行了快速和靈敏的檢測，這對農業實踐有非常重要意義，因為這些氣體即使在低濃度下，對農作物的生態系統亦起著重要作用。例如C₂H₄，來自汽車排放廢氣及各種工業燃燒過程，是重要的大氣污染氣體，同時它又來自植物本身，充作氣體荷爾蒙（激素），影響果實成熟，花朵枯萎和葉子脫落。C₂H₄在植物儲存、運輸過程中的積累，將使植物受到損壞。在作者實驗室，用激光光聲-酶聯免疫吸附法（LPA-ELISA）測定乙肝表面抗原，檢測限達1pg / ml ，比常規ELISA 法低2～3 個數量級。Dovichi 采用交叉束熱透鏡（crossed beam thermal lens，CBTL）技術，緊密聚焦泵浦束，在0.2pl探測束體積內，檢測出120 個1, 10-菲咯琳-鐵分子，是光熱光譜分析達到高空間分辨率和高靈敏度的一個典型例子。