毛細(xì)管微池激光熱透鏡光譜分析方法研究

劉 蓉，閆宏濤

(西北大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院，陜西西安 710069)

基于輻射場(chǎng)與物質(zhì)相互作用建立和發(fā)展起來(lái)的激光光譜分析技術(shù)和方法，為人們深入研究化學(xué)、物理、環(huán)境和生命科學(xué)等領(lǐng)域的問(wèn)題提供了有力的分析方法和手段。激光熱透鏡光譜分析法(Laser Thermal Lens Spectrometry，LTLS)是基于熱透鏡效應(yīng)建立和發(fā)展的一種高靈敏度激光光熱光譜分析技術(shù)[1]。它以其高靈敏應(yīng)用于眾多領(lǐng)域樣品的分析測(cè)定，成為一種具有廣闊發(fā)展前景的光譜分析方法[2,3]。

微量樣品高靈敏度的光譜分析方法的研究與發(fā)展，對(duì)于分析科學(xué)具有重要的實(shí)用價(jià)值。本文報(bào)道了毛細(xì)管微池激光熱透鏡光譜分析方法研究。基于激光熱透鏡光譜分析高靈敏度特性，采用毛細(xì)管為測(cè)定微池，建立了毛細(xì)管微池激光熱透鏡光譜分析方法。探討了毛細(xì)管微池光散射及其在光路位置特征和有機(jī)溶劑增強(qiáng)效應(yīng)，理論上給出了毛細(xì)管微池激光熱透鏡光譜分析理論表達(dá)式，并分別應(yīng)用于土壤和水樣中痕量磷、孔雀石綠含量的測(cè)定，取得了滿意的結(jié)果。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

UV-2550紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì)(日本，島津公司)；MRL-FN激光器(可調(diào)輸出激光能量為0～200 mW，中科院長(zhǎng)春激光有限公司)；PM激光能量計(jì)(中科院長(zhǎng)春激光有限公司)。毛細(xì)管微池：玻璃毛細(xì)管(長(zhǎng)115 mm，直徑Ф1.3 mm，華西醫(yī)科大學(xué))。

激光熱透鏡光譜分析儀示意圖如圖1[4]。 采用MRL-FN激光器為光源(λ671 nm)，入射于樣品毛細(xì)管激光能量為 50 mW。激光器輸出激光光束，經(jīng)光束調(diào)制器調(diào)制為260 Hz的激光光束，聚焦后入射于樣品毛細(xì)管微池，產(chǎn)生熱透鏡效應(yīng)。通過(guò)毛細(xì)管微池樣品的激光束，經(jīng)0.1 mm光欄，由光電器件接收，放大，顯示并記錄激光熱透鏡光譜信號(hào)強(qiáng)度。實(shí)驗(yàn)測(cè)定過(guò)程采用PM激光能量計(jì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)激光輸出能量。

NaH2PO4(西安化學(xué)試劑廠)，(NH4)2MoO4(天津市化學(xué)試劑四廠)，H2SO4(四川南隴化工有限公司)，硫脲(西安化學(xué)試劑廠)，抗壞血酸(天津市光復(fù)精細(xì)化工研究所)，丙酮(天津市富宇精細(xì)化工有限公司)，孔雀石綠(天津市大茂化學(xué)試劑廠)，Triton-X 100(Solarbio,Beijing)，十六烷基三甲基溴化銨(天津市光復(fù)精細(xì)化工研究所)，NaCl(天津市傅迪化工有限公司)。實(shí)驗(yàn)所用試劑均為分析純，水為二次蒸餾水。

1.2 毛細(xì)管微池測(cè)定裝置

激光熱透鏡光譜分析儀中毛細(xì)管微池測(cè)定裝置如圖2所示，它是由毛細(xì)管及其有機(jī)玻璃固定支架(120 cm×365 mm×105 mm)構(gòu)成。固定支架入射光孔為3.5 mm2(10×0.35 mm)。實(shí)驗(yàn)測(cè)定中，采用毛細(xì)管微池直接移取樣品溶液。然后，將毛細(xì)管微池置于激光熱透鏡光譜儀的毛細(xì)管微池固定支架上進(jìn)行測(cè)定。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1鉬藍(lán)法測(cè)定磷準(zhǔn)確移取一定體積磷標(biāo)準(zhǔn)溶液(或待測(cè)樣品溶液)于容量瓶中，依次分別加入1.5 mL 0.0205 mol/L (NH4)2MoO4溶液，1.0 mL 0.125 mol/L H2SO4，1.0 mL 2%抗壞血酸-硫脲混合溶液，再用丙酮定容至10 mL。顯色反應(yīng)20 min后，用毛細(xì)管吸取測(cè)定溶液置于毛細(xì)管微池固定支架，進(jìn)行激光熱透鏡光譜分析測(cè)定。

1.3.2濁點(diǎn)萃取測(cè)定孔雀石綠準(zhǔn)確移取一定量孔雀石綠標(biāo)準(zhǔn)溶液(或待測(cè)樣品溶液)至10 mL的離心管中，依次分別加入0.3 mL 0.25 mol/L Triton-X 100溶液，0.4 mL 5%十六烷基三甲基溴化銨溶液，2 mL 3.00 mol/L NaCl溶液，調(diào)節(jié)pH=3。65 ℃恒溫水浴反應(yīng)15 min，兩相完全分離后，冰水冷卻，以毛細(xì)管微池自動(dòng)吸取表面活性劑相，測(cè)定熱透鏡信號(hào)強(qiáng)度STLS。

2 結(jié)果與討論

2.1 毛細(xì)管微池激光熱透鏡光譜分析理論表達(dá)式

激光熱透鏡光譜分析是基于熱透鏡效應(yīng)建立和發(fā)展的一種高靈敏度激光光熱光譜分析技術(shù)。當(dāng)一束高斯強(qiáng)度分布的特征波長(zhǎng)激光入射毛細(xì)管樣品微池，樣品溶液分子吸收激光輻射，以無(wú)輻射弛豫形式將其全部或部分能量轉(zhuǎn)化為熱，于是在樣品溶液內(nèi)形成了高斯強(qiáng)度徑向溫度梯度分布，從而誘導(dǎo)樣品溶液的折射率溫度指數(shù)(dn/dT)發(fā)生變化，形成了熱透鏡效應(yīng)。其瞬態(tài)焦距f(t)和穩(wěn)態(tài)焦距f(∞)分別由下式給出[5]：

f(t)=f()

(1)

f()

(2)

(3)

式(3)中，k為樣品的導(dǎo)熱系數(shù)(W·cm-1·K-1)，dn/dT為樣品折射指數(shù)的溫度系數(shù)(K-1)，A為樣品溶液的吸光度，ω為樣品池中激光束的半徑(cm)，P為入射激光的功率，tc為特征時(shí)間常數(shù)(s)，ρ為溶劑的密度(g·cm-1)，CP為溶劑的比熱(cal·g-1·K-1)。

對(duì)于大多數(shù)液體，其折射指數(shù)的溫度系數(shù)dn/dT為負(fù)值，從而使得通過(guò)毛細(xì)管微池樣品溶液的激光束擴(kuò)散，即產(chǎn)生熱透鏡效應(yīng)。測(cè)定激光束擴(kuò)散前后中心光強(qiáng)的相對(duì)變化則可得到待測(cè)樣品溶液的濃度。

因?yàn)閇6]

(4)

(5)

(6)

式中，Z1是束腰至樣品池的距離，Z2是樣品池至透鏡L2的距離，Z3是透鏡L2至用于測(cè)量光束中強(qiáng)度Ibc的光電檢測(cè)器(置于針孔處)之間的距離，Zc是共焦矩；f2為焦距。

(7)

(8)

(9)

令E為靈敏度增強(qiáng)系數(shù)，即E=-P(dn/dT)/λk，則

(10)

式(10)即為毛細(xì)管微池激光熱透鏡光譜分析基本關(guān)系式。

在弱吸收(低濃度)溶液的條件下，熱透鏡穩(wěn)態(tài)焦距f1(∞)較大，則(10)式中的二次項(xiàng)可以忽略，于是

(11)

式(11)即為毛細(xì)管微池激光熱透鏡光譜分析的理論公式。與文獻(xiàn)[8，10]等結(jié)果一致。

對(duì)于一定的測(cè)定溶液系統(tǒng)，K為常數(shù)。表明在一定的入射激光能量下，激光熱透鏡信號(hào)強(qiáng)度與樣品溶液吸光度A呈線性關(guān)系，即與待測(cè)樣品溶液濃度呈正比。

2.2 毛細(xì)管微池光反射的消除

實(shí)驗(yàn)中采用重量法測(cè)量了毛細(xì)管微池樣品溶液體積，即以水為標(biāo)準(zhǔn)，準(zhǔn)確稱取毛細(xì)管微池移取樣品前、后重量進(jìn)行計(jì)算。結(jié)果表明毛細(xì)管微池樣品溶液體積為7.6 μL。結(jié)果表明采用毛細(xì)管樣品微池，所需樣品溶液用量約為通常采用光度法測(cè)定池樣品量的25%(以樣品池加入3 mL樣品溶液計(jì))。適用與液-液微萃取、濁點(diǎn)萃取等檢測(cè)聯(lián)用進(jìn)行熱透鏡光譜分析測(cè)定。

實(shí)驗(yàn)測(cè)定中是將毛細(xì)管樣品微池置于激光熱透鏡光譜儀光路。為了消除樣品毛細(xì)管微池凸面光反射對(duì)于測(cè)定的影響，實(shí)驗(yàn)中將圖2所示樣品毛細(xì)管固定支架表面鍍黑，并在固定支架光束出射面設(shè)置一光欄(0.1 mm)，從而達(dá)到了有效地消除毛細(xì)管微池凸面光反射對(duì)于實(shí)驗(yàn)測(cè)定的影響。

2.3 毛細(xì)管微池的光路位置特征

2.4 有機(jī)溶劑增強(qiáng)效應(yīng)

激光熱透鏡光譜分析，熱透鏡信號(hào)強(qiáng)度不僅與待測(cè)樣品溶液分析物的光吸收有關(guān)，亦與待測(cè)樣品溶液的熱物理特性密切相關(guān)。理論研究表明采用加入與水混溶的有機(jī)溶劑能有效地改變測(cè)定溶液熱物理特性，增強(qiáng)熱透鏡信號(hào)強(qiáng)度[10 - 12]。實(shí)驗(yàn)探討了5種常用與水混溶的有機(jī)溶劑及其不同混合體積比對(duì)于激光熱透信號(hào)強(qiáng)度的增強(qiáng)作用，結(jié)果表明這5種有機(jī)溶劑的激光熱透鏡信號(hào)強(qiáng)度增強(qiáng)效應(yīng)依次為：丙酮>乙醇>乙腈>甲醇>異丙醇，其中以丙酮為最強(qiáng)，這是由于丙酮具有較高的熱物理性質(zhì)所致[13](靈敏度增強(qiáng)系數(shù)E為2360，λ632.8 nm)。而且樣品溶液中有機(jī)溶劑所占比例越大，激光熱透信號(hào)越強(qiáng)。實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)有機(jī)溶劑與測(cè)定溶液混合比大于1∶2(V∶V)后，其熱透鏡信號(hào)強(qiáng)度增長(zhǎng)趨勢(shì)減緩；而且加入丙酮的比例過(guò)大，熱透鏡信號(hào)信噪比變差。綜合考慮，實(shí)驗(yàn)選擇丙酮/水混合比為1∶2(V∶V)。

2.5 方法應(yīng)用

2.5.1鉬藍(lán)法測(cè)定磷磷的測(cè)定對(duì)作物的優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)以及環(huán)境水質(zhì)監(jiān)測(cè)具有十分重要意義[14 - 16]。采用研究建立的毛細(xì)管微池激光熱透鏡光譜法進(jìn)行了土壤和水樣中磷含量的測(cè)定。實(shí)驗(yàn)采用抗壞血酸-硫脲混合還原劑，有效地提高了鉬藍(lán)法測(cè)定磷的穩(wěn)定性。分別考察了鉬酸銨、抗壞血酸-硫脲混合還原劑的濃度，反應(yīng)酸度、時(shí)間以及各試劑加入順序?qū)y(cè)定的影響。在優(yōu)化條件(1.5 mL 0.0205 mol/L (NH4)2MoO4溶液，1.0 mL 0.125 mol/L的H2SO4，1.0 mL 2%的抗壞血酸-硫脲混合溶液，反應(yīng)時(shí)間20 min)下，磷濃度在0.1～2.0 μg/L范圍內(nèi)與熱透鏡信號(hào)強(qiáng)度STLS呈線性關(guān)系，線性方程為：STLS=3.2959c+1.1881，相關(guān)系數(shù)(R)為0.9969，檢測(cè)限(3σ/k)為0.06 μg/L。應(yīng)用于水樣和土壤中磷的測(cè)定，結(jié)果如表1所示。分光光度法采用加入3 mL樣品溶液于1 cm樣品池進(jìn)行測(cè)定。與分光光度法測(cè)定結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，兩種檢測(cè)方法測(cè)定結(jié)果基本一致，回收率在97.0%～104.7%之間。

表1 樣品中磷的測(cè)定結(jié)果(n=3)

2.5.2濁點(diǎn)萃取測(cè)定孔雀石綠實(shí)驗(yàn)采用濁點(diǎn)萃取與毛細(xì)管微池激光熱透鏡光譜法結(jié)合，進(jìn)行了水樣中孔雀石綠的測(cè)定。在優(yōu)化條件(0.3 mL 0.25 mol/L Triton-X 100,0.4 mL 5%十六烷基三甲基溴化銨,2 mL 3.00 mol/L的NaCl，65 ℃，pH=3萃取15 min)下，采用本文方法進(jìn)行測(cè)定。結(jié)果表明孔雀石綠濃度在0.4～5.0 μg/L范圍與熱透鏡信號(hào)強(qiáng)度STLS呈線性關(guān)系，線性方程為:STLS=1.76871c+1.48179，相關(guān)系數(shù)(R)為0.9918。應(yīng)用于魚塘水樣中孔雀石綠的檢測(cè)，樣品中未檢出。加入回收率在96.5%～108.2%之間，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 樣品中孔雀石綠的測(cè)定結(jié)果(n=3)

3 結(jié)論

采用毛細(xì)管微池取代常規(guī)的樣品測(cè)定池，研究并建立了毛細(xì)管微池激光熱透鏡光譜分析方法，分析了毛細(xì)管微池激光熱透鏡光譜分析的理論表達(dá)式，實(shí)驗(yàn)探討該方法的參數(shù)并優(yōu)化了實(shí)驗(yàn)條件。應(yīng)用該方法于土壤、水樣實(shí)際樣品中磷和孔雀石綠的含量測(cè)定，取得了滿意結(jié)果。研究建立的毛細(xì)管微池激光熱透鏡光譜分析方法，所需樣品溶液為微升級(jí)，減少了試劑用量，特別是適用與液-液微萃取、濁點(diǎn)萃取等分離富集方法結(jié)合進(jìn)行分析。對(duì)于微量樣品的分析測(cè)定以及激光熱透鏡光譜分析在綠色分析化學(xué)中的應(yīng)用具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值和積極的促進(jìn)作用。