光谱分析在环境及生物化学分析中的应用

贾珺(山西忻州职业技术学院，山西 忻州 034000)

0 引言

随着人类社会的不断发展和进步，带来了环境问题，土壤以及水体中的重金属、空气中的氮氧化物以及大颗粒物质、固体液体废弃物等具有极大的危害性[1]。同时土壤、大气中的部分元素进入人体，会造成一定的危害，这就需要借助光谱分析快速检测、分析以及评估。目前在环境监测中一般应用原子荧光光谱技术[2]，该技术是光谱分析重要的组成部分，是测定水质、土壤和水系沉淀物中砷、汞、铅等元素的国家标准。同时光谱分析技术同样应用于生物化学分析中，快速便捷地检测相关成分。

1 光谱分析的概念及原理

1.1 光谱分析的概念及分类

光谱分析指的是依据物质自身光谱特征测定其化学组分和含量的方法，显著特点是在测定的过程中具有高灵敏度和较快的测定速度。化学发展史上如：铯、氦等元素都是通过光谱分析测定发现的。光谱分析按照分析原理可以分为发射和吸收光谱分析；依据其被监测目标的形态，可分为原子光分析、光谱分析和分子光谱分析。当被监测目标为原子结构时，光谱监测称为原子光谱；监测目标为分子结构时，光谱分析称为分子光谱。

1.2 光谱分析法的内涵及原理

光谱分析法(spectral analysis或spectrum analysis)指的是依据不同结构的物质具有不同的光谱特征的原理，通过监测不同物质特殊的光谱测定其化学组分或是结构的方法[3]。其监测过程可分为：(1)监测能源提供监测动能；(2)发射源提供的能量激发被监测物质，与被监测物质发生相关作用；(3)被监测物质能量的监测和接受。

发射光谱分析是根据被测原子或分子在激发状态下发射的特征光谱的强度计算其含量。吸收光谱是根据待测元素的特征光谱，通过样品蒸汽中待测元素的基态原子吸收被测元素的光谱后被减弱的强度计算其含量。它符合郎珀-比尔定律：

式中：I为透射光强度；Io为发射光强度；T为透射比；L为光通过原子化器光程。由于L是不变值，所以A=KC。物理原理为：原子的构成为原子核和围绕原子核运动的电子组成，核外电子依据能量高低分布在不同的能级轨道，单个原子核具有多个能级状态。能级最低的状态称为基态能级，其余能级属于激发态能级，一般情况下，原子处于基态，核外电子围绕原子核在最低基态绕核运动。若将一定能量给予基态原子，该能量恰好与基态原子的能量差相符，则可激发外层电子跃迁，导致原有的光经分光后谱线中缺少了一些特征光谱线，因而产生原子吸收光谱。同时原子吸收能量后跃迁至较高的能级，其激发电子不稳定，激发电子会自动返回原基态，电子跃迁将能量以光的形式释放，此过程为原子发射光谱。

1.3 光谱分析法的分类及其优缺点

光谱分析法包括经典的荧光分析法和共振光散射分析法，在诸多领域有着广泛的应用。荧光分析法特点在于灵敏度高，可选择性广，但是其缺点在于其被分析的目标物体需具备产生荧光发射的特殊结构，因此其应用范围相对较窄。而共振光散射分析法不需要被分析的目标物体需具备产生荧光发射的特殊结构，试验操作相对简单，准确性高，但是同样存在不足，其被监测目标的选择范围相对较窄。两个分析方法在试验测定的过程中容易受到被监测目标的介质以及试验条件的影响，其稳定性和重复性需要提升。随着光谱分析研究的不断深入，有必要对其应用的局限性进行不断改善，以拓宽其应用范围。

2 光谱分析在环境监测中的应用

环境监测一般包括水质监测、大气环境监测、土壤废弃物监测等。在环境监测中一般应用原子荧光光谱技术，该技术是光谱分析重要的组成部分，是测定水质、土壤和水系沉淀物中砷、汞、铅等元素的国家标准。

2.1 络合荧光分析法

采用间接法监测环境中络合荧光法是最常用的方法，其原理是被监测物质在无荧光或是荧光较弱的环境下与有机试剂发生络合反应而不添加其他的试剂进行测定[4]，具体的测试如表1所示。

表1 络和荧光法可测定的环境中的物质

2.2 催化荧光法

由于部分被监测物无法与试剂形成络合物，荧光萃取法主要在降低荧光轻度的条件下进行，被监测物质中元素的离子在部分金属离子作用下，将有机试剂或是金属离子夺取电子，形成趋于稳定的配合物或者难溶于水的化合物，这样可以有效地降低荧光强度，从而相对容易测定元素含量。在环境监测中应用催化荧光法可以测定水体中各种衡量元素。

2.3 同步荧光法

同步荧光法指的是其测定的荧光强度信号与其对应的激发波长形成的光谱图，与其他荧光测定方法比较，其最大的区别在于它能够同时激发和发射两个单色器波长，可以分为恒波长分析法、恒能量分析法、可变角分析法和恒基体分析法。目前，环境中的多环芳烃是一种较为危险的污染物，其主要危害在于具有较强的致癌性，目前在关于监测多环芳烃的相关研究中，多是采用同步荧光法测定，相比于其他监测方法，其显著特点是简单、易操作。

3 光谱分析在生物化学分析中的应用

3.1 荧光技术在蛋白质分析中的应用

蛋白质(protein)是由氨基酸以“脱水缩合”的方式组成的多肽链经过盘曲折叠形成的具有一定空间结构的物质，是组成人体一切细胞、组织的重要成分。维持着生命体的正常生命活动，如酸碱平衡、中心法则以及物质代谢等。蛋白质的异常表达会导致有机体的病变，例如表皮生长因子受叶酸等的影响出现过量表达，就会导致血小板凝集功能异常，严重情况下会出现大出血，引发生命危机。为此，监测蛋白质含量显得尤为重要。随着经济社会的发展和生命科学的进步，目前对于蛋白质的监测不断创新，监测方法日新月异，目前应用最为广泛的是荧光分析方法。

3.2 共振光散射法测定铅元素

铅是一种重金属元素，在进入人体后与可溶性磷酸或者甘油磷酸形成化合物，随着血液循环流经人体各个部分，有部分可溶性磷酸氢铅或甘油磷酸铅流入骨骼形成磷酸铅。随着年龄的增长，磷酸铅过量的积累就会导致体内相关平衡系统失衡，发生铅中毒的现象。目前测定铅元素的方法较多，但是最常用的是分光光度法和原子光谱法。

3.3 双波长共振光散射比率法在生物化学上的应用

双波长比率法较单波长方法的显著优点在于能够有效地降低外界环境条件对监测产生的影响，其抗干扰能力较强。双波长共振光散射比率法广泛应用于脱氧核糖核酸、氨基酸和氢离子浓度指数等的测定。其测定原理是共振光散射技术源于双向扫描激发和发射单色器获取光散射信号建立起来的技术体系。

4 结语

光谱分析显著特点是在测定的过程中具有高灵敏度性和较快的测定速度。光谱分析法包括经典的荧光分析法和共振光散射分析法，各有优缺点，就目前来说，共振光散射技术更为成熟，在不同的领域发挥着重要的作用。光谱分析在环境监测中的应用主要有络合荧光分析法、催化荧光法和同步荧光法，是测定水质、土壤和水系沉淀物中砷、汞、铅等元素的常用方法。