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液芯波导光度分析及其在食品安全中的应用 程晓宏 摘要：本论文由综述和研究报告两部分组成。第一部分详细介绍光导纤维 ( o p t i c a lf i b r e ) a 和液芯波导( l i q u i dc o r ew a v e g u i d e , 【c w l 原理，主要综述了液芯波导 技术在分析化学十多年来的应用及发展情况。第二部分报告了光强( 光强差) 技 术必须与液芯波导技术联用才能实现高灵敏度的实验原理，及其在食品安全( 有 机磷农药残留、防腐剂、漂白剂等) 检测中的应用研究，包括四部分： 1 、采用超高亮红色发光二极管( l i g h te m i t t i n gd i o d e ，l e d ) 作光源，使用9 锄 液芯波导管和光强测量技术测定痕量有机磷农药。利用紫外光、二氧化钛纳米粒 子催化下，过硫酸钾作为氧化剂将有机磷农药残留消解为磷酸盐，而磷酸盐在酸 性条件下1 0m i n 可与钼酸盐、铋盐、抗坏血酸形成铋磷钼蓝离子缔合物( 铋磷钼 蓝法) ，测定线性范围的下限及检出限比经典的分光光度法均下降了1 0 0 0 倍。其 线性范围为2 0 x l f f n 。8 0 x l f f l o g m l ，检出限为7 ) 1 0 1 2 9 m l ，r s d ( 1 1 = 1 1 ，1 0 x 1 0 1 0 g m l ) 1 2 、采用超高亮绿色发光二极管作光源，使用8c m 液芯波导管和光强差测量 技术测定食品中亚硝酸根。分析采用国标g b f r5 0 0 9 3 3 2 0 0 3 方法，线性范围的 下限及检出限比经典的分光光度法均下降了1 0 0 0 倍。其线性范围为4 0 x 1 0 1 1 4 0 x 1 0 9 9 m l ，检出限为2 x l f f “g m l ，r s d ( n = 1 1 ，8 0 x l f f ”g m l ) 坦= 1 1 1 ( 2 ) m 式中= ( n 1 n 2 ) n l ，称为相对折射率。数值孔径是反映光纤波导特性的重要参数。 1 1 2 平面波导 平面波导是更复杂波导结构基础的基本几何形状，只是在横截面的个方向 上限制光场。在实心光纤表面涂附一层具有一定特性的薄膜就构成了平面波导。 如图2 所示，当光到达光纤界面时，并不能立即产生全反射，而是渗入光疏介质 一定深度，正确地说，就是光的电场强度在界面处并没有立即减小为零，而是在 外部介质中以指数形式减弱，且延伸到第二介质中去，在第二介质中形成一个“尾 巴”，这一现象叫做消失波( e v a n e s c e n tw a v e ) 。由于消失波的存在，在光纤内的全 反射光将出现一个位移( d ) ， 图2 消失波示意图 f i g 2s c h e m a t i cd i a g r a mo fe v a n e s c e n tw a v e 叫做g o o sh a n c h e n 位移。如反射角接近于临界角b ，此位移可按下式计算 d = d c o s b 光渗入第二介质的深度( d ) 定义为光的电场强度降至原强度1 c 时的距离 e ；酽 e 为电场在深度z 时的振幅，d 取决于光的波长和两种介质的折射率。 枷= 2 p n l s i n 2 b ( n 2 n 1 ) 2 】垅 对于可见光范围，d 的大小一般为1 0 0 0 - 2 0 0 0a ，在图2 中这一距离大于固定 在光纤表面的试剂层或蛋白质的厚度。这一消失波能有效地被试剂层所吸收或者 被散射，也可用这一消失波来激发这一试剂层或蛋白质层的荧光，而处于d 范围 以外地区的任何物质将不可能被这一消失波“看见”。 图3 是一种平面波导构形，它是通过棱镜把入射光耦合照射到平面波导材料 2 上，此时消失波将出现在棱镜与空气的界面并与波导材料耦合，待测样品可以制 成薄膜置于底物和平面波导之间，在消失波作用下，试样发出的散射光或荧光可 以在其上方检测，而试样的反射光可在光的出射端检测【1 1 。 银层 入射耦合棱镜荧光或拉曼散射出射棱镜 1 1 3 液芯波导 底衬 图3 平面波导示意图 f i g 3 s c h e m a t i c d i a g r a m o f p l a n a r w a v e g u i d e 基于液芯光纤的光波导结构叫做液芯波导，液芯光纤是一种柔性光传输元件， 由透明的柔性聚合物包层管、透明的光窗以及折射率大于包层管的透明液体芯料 构成1 2 1 。该种光纤的芯截面完全由同一种材料构成，可以避免玻璃或石英光纤传光 束中因单丝集束时的空隙率引起的耦合损耗；不存在玻璃或石英光纤传光束因使 用中的反复弯曲导致日益严重的断丝和传光效率下降的问题。目前常用液芯光纤 的芯料液体有无机的含水离子溶液( 如盐溶液) 和有机吸湿液体( 如醇类) ；包层材 料有含c ，f ( 或c ，f ，o ) 的聚合物、聚四氟乙烯共聚物和透明的硅橡胶材料等。 性皮层 液体芯料 图4 液芯波导示意圈 f i g 4s c h e m a t i cd i a g r a mo fl i q u i dc o r ew a v e g u i d e 由于液芯光纤内部是可以流动的溶液体系，可以很好的传输热量，具有良好 的导热性。而且一般在其所针对的光学波段的光学性能是比较稳定的，对光能量 的吸收相当小，而外部选用光化学性能稳定的非晶态含氟高聚物材料作为皮层， 所以液芯光纤能传输高达数百瓦的大功率光能量，而不会出现普通的光纤在传输 3 大功率的光波时有机物光学包层被大功率光能量烧坏甚至烧毁的现象，可以适用 于大功率的光源。拥有以上性质的液芯光纤在实际应用中表现出芯径大、数值孔 径大、光谱传输范围广、光谱传输效率高、使用寿命长等特点。 1 2 光导纤维在分析化学中的应用 1 2 1 光导纤维生物与化学传感器 章竹君等p - 3 s ) 最早全面综述了光导纤维光谱法，详细介绍光波导作用、光纤 光谱法、光纤光谱仪、光波导吸光光度分析、光导纤维荧光法、光导纤维生物与 化学传感器并做了相应的进展报道。章竹君课题组首次提出了双波长技术的荧光 传感器，建立起了这类传感器的响应理论。这一理论被国内外所有光导纤维传感 器专著引用，被评论为“双波长荧光传感器的诞生”和“理论上奠定了光纤荧光 传感器的基础”；提出了基于光吸收的光纤传感器。首次提出配合物形成模式作 为分子识别系统的金属离子光纤传感器，建立金属离子荧光、吸收、反射传感器 的设计原理，这己成为离子光纤传感器的经典理论：把离子对萃取原理应用于光 纤传感器的设计中，完成了高灵敏、高选择性的钠离子、钾离子光纤传感器。系 统地建立了各类光纤传感器的响应理论模式，这些理论已被作为经典理论被国内 外学者接受，并已载入国内外有关专著中。 近几年来o t t os w o l f b e i s d 9 4 2 在美国分析化学做了一系列综述。其中包括书和 综述文章，分析对象涉及气体、蒸汽压、湿度、离子、有机化合物、生物传感器 等及应用部分。m a r i ad o l o r e sm a r a z u e l a l 4 3 】和d a v i dj m o n k 4 4 1 从酶、免疫、核酸、 整个细胞等方面综述光导纤维在生物传感器中的应用。王刚、王小如等1 4 删】也作 了光导纤维在化学传感器方面的应用综述。 m i c h a e ld d eg r a n d p r e 5 1 】报道无需校正的p c 0 2 传感器。该传感器通过以下途 径实现：更新传感元件；允许传感元件与分析物达到平衡；计算指示前后的比值； 通过认真设计方案、校正波长、排除干扰光等。r a o u lk o p e l m a n 等i 豫l 报道应用于细 胞的灵敏的选择的一氧化氮生物传感器，使用1 0 0 a m 光纤，因而响应很快；且氧 气、亚硝酸盐、硝酸盐不干扰测定；该传感器的检出限为1 口mn o 。应用于老鼠巨 噬细胞，在没有任何处理的情况下，测得活着细胞在培养液中n 0 的释放为1 1 1 2 z m 。w e i h o n gt a n 等【5 3 直接将谷氨酸脱氢酶固定到光纤上，用来测定谷氨酸。通 过检测n a d + 与谷氨酸的产物的荧光来定量，检出限为o 2 2 a m 谷氨酸。 4 m a r yb e t ht a b a c c o 【5 4 嗜次报道检测细菌的光纤生物传感器，将核酸链固定在 光纤上，s y t o1 3 ( 绿色荧光蛋白) 作为分子识别元件和传感器中荧光试剂。该传 感器分别能在1 5m i n 和3 0m i n 内对水溶液和烟雾态的细菌响应，能分辨1 个数量 级内p s e u d o m o n a s a e r u g i n o s a ( p a ) 浓度的变化，且能测定2 4 x 1 0 5 c e l l s m l p ac e l l ， 能监控p 4c e l l 培育5 0 h 。m g a r i a h e r a s l 5 s l 基于溶胶一凝胶方法报道了掺杂染料多 孔涂覆的空气酸度传感器，灵敏度较高，能适用大气中酸度的测定。r o b e r ts m a r k s i 删将光导纤维生物发光传感器应用于整个细胞基因毒物的检测，藻酸盐被固定在 光纤上，当有基因毒物存在时，丝裂霉素c 将发出生物发光信号，检出限为2 5p g ，l 。 l i l i b e t hd l c ，c o o s r l 撤道了基于n a t i o n - p a n 的光导纤维化学传感器，基于 n a t i o n 膜与固定化有机配体的流动注射系统，由于使用体系的微型化及光纤使该 传感器很适用于环境水样检测，最佳反应接触时间与注入量是其关键因素。以铜 的分析为模型，并将其分析结果与原子吸收光度计得至0 的结果比较。s f d s o o z a 等1 5 8 l 将黄质菌整个细胞固定在玻璃光纤上，用来检测甲基对硫磷农药，它是一次 性的，制作简单，使用检测试剂少( 7 5f l ) 它比有机磷水解酶分析有更低的检出限 0 3 t m 。c a n ht r a n m i n h l 5 9 1 将一种绿藻植物细胞植入通过溶胶一凝胶技术形成的无 机半透明基质中，荧光检测的生物传感器被提出，光纤紧靠藻层并用于收集荧光， 5 周活性基本不变，可被用作早期污染物的检测。 朱果逸等【删以碳糊为固定化载体，将葡萄糖氧化酶固定在碳糊电极上，制成 了光导纤维电化学发光葡萄糖生物传感器。葡萄糖的酶催化反应、鲁米诺的电化 学氧化和化学发光反应在电极表面同时发生，因此该传感器的信号响应在1 0s 内达 到发光强度峰值。葡萄糖浓度在1 0 x l 旷2 0 x l f f 2 m o l l 范围内与发光强度呈线 性关系，检出限为6 4 x 1 0 r 6 m o l l ，可应用于市售饮料中葡萄糖的测定。 最近f r a n c e ss l i g l e r l 6 1 】作了消失波荧光传感器的综述，他从材料、仪器、固 定方法、分子识别等方面做了详细的介绍。p i e r r el u c a s l 6 2 1 也作了消失波化学、生 物传感器的综述。主要从材料、在化学、生物传感的应用方面介绍其的发展，消 失波在光导纤维光谱法中，由于消失波能探测的范围很小，已经用来研究光吸收， 激发荧光和拉曼散射。只能对几十个纳米表面上吸附着的或定位于其上的物质探 测，因而对于薄层分析和均相免疫分析具有很大的潜力。一些卓有成效的光纤免 疫传感器已经诞生。消失波免疫传感器除了具有一般光纤生物传感器的优点外， 它将消失波技术与抗体一抗原特异性反应结合起来，既避免了来自主体溶液中荧光 背景和其他物质的干扰，也不存在键合抗体( 抗原) 与自由抗体( 抗原) 的分离步骤， 因而它在研究免疫反应和实现免疫分析中有着巨大的潜在优势。消失波免疫传感 器对于测定不透明介质，非均相溶液，悬浮胶体中的待测物非常有用，这对直接 在生物体内进行遥测和线内分析也有着深远的意义 6 3 - 7 1 1 。 1 2 2 液芯波导的应用 1 2 2 1 长程吸收光谱 魏磊等l 捌首先报道了一个长为1i n ，内径为1 2m m 的镜面反射直线型毛细 吸收管( m r u ：c ) 分光光度计，并研究了各种不同形状的毛细管及毛细管外壁反 射涂层对光传播效率和测定灵敏度的影响。他们发现，镜面反射层直接影响光传 播效率和测定灵敏度。当毛细管外用银纸或铝纸带包裹时，可大大增强光的传播 效率，而用黑色纸带包裹时，其光传输效率只有铝纸带包裹时的4 ，用铝纸带包 裹时，测定灵敏度也黑色纸带包裹时大2 3 倍。采用h e n e 激光器作为光源，硅光 电二极管作为检测器，分析使用1 3m l 溶液，用磷钼蓝法可测定天然水中的磷， 检出限为5p g m l 。由于m r - l c c 没有光导纤维的光波导原理，因而光在毛细管中 的传输损失很大，且这一损失与毛细管的形状有密切关系。另外，使用m r l c c 时，由于传输过程中光能的损失，而和五都很小，要求更高灵敏度的检测器，且 测定精度较差，这限制这类长程毛细管吸收管的实际应用。 不破敬一郎等1 7 ”4 】用耐热玻璃( n = 1 4 7 4 ) 制成内径为o 2 5 2m m ，长度为0 7 5 0m ，基于光波导原理的全反射型螺旋玻璃毛细管及空心光纤吸收管，使用的溶 剂为二硫化碳，测定了铜( i i ) 、汞( i i ) 、碘和磷，灵敏度较普通光度法提高3 0 0 3 0 0 0 倍。由于溶剂的折射率必须大于毛细管材料的折射率，丽水的折射率又很小，不 能使用。即使使用有机溶剂，其选择的余地也很小，这给应用带来一定的困难。 金钦汉等【7 5 】综述三种吸收池( 空气。金属，低折射率非金属界面全反射) 的 改进，其中空气界面全反射需精确控制空气的压力和流速，实际使用很难实现； 金属在塑料表面结合不牢、沉积不均匀，是造成金属界面全反射管材光损耗较大 的主要原因，实际应用较少；近年来低折射率非金属材料取得较大进展，直到1 9 8 9 年d u p o n t 公司生产的低折射率氟代芳烃聚合物t e f l o na f2 4 0 0 ( 2 ，2 - b i s t d f l u o r o m e t h v l 4 ，5 d i f l u o r o - 1 ，3 一d i o x o l e ) 的管材用作长程吸收池，具有折射 率低( 1 2 9 ) 、光损耗小( 尽为0 0 1 d b m ) 等优点，是一种很有前途的长程吸收池管 材，所以用t e f l o n a f 2 4 0 0 做成的液芯波导管可应用于水溶液中的光度分析。 r o b e r th b y m e 等 7 6 - 8 u 用4 5mt c f l o na f2 4 0 0 唧t u b e ( 2 8 0l * mi d 。5 3 0g m o d ) 测定f c “，线性范围0 5 1 0n m ，检出限为0 2n m ；而后他又用数米长的液芯 6 波导管测定六价铬、钼、二价铜、海水中的亚硝酸根等，其检出限都能达到纳摩 尔数量级。p u m e n d ukd a s g l l p t a 等i 汹】用2 0 一1 0 0c mt e f l o na f2 4 0 0u ：wt u b e ( 6 1 0 脚i d ，8 1 0g mo d ) 测定地表水中痕量挥发性有机物苯、甲苯、乙苯、二甲 苯的含量；又把1 0 锄f e pt e f l o nl c wt u b e 用于临床研究，可以连续长时间检测呼 吸气中的丙酮，检测基于丙酮与水杨醛在碱性条件下生成有色化合物，分析采用 中心波长为4 6 5n ml e d 作为光源，它的检出限为1 4 p p b v ，能满足临床需要；r o b e r t j s t a n l e y l u ) 用5c l nt e f l o na f 2 4 0l c w t u b e ( 1 5 0g mi d ，9 8 0j u mo d ) 来提高低温 吸收光谱测稀释的生物样品的灵敏度，较标准低温技术有较大的改进，检测到1 5n g 的黄素蛋白。j o s e p hh a l d s t a d t1 1 l i ”佣顺序注射长程液芯波导测定水中苯胺砷酸， 检出限为2 1 2n g m l 。 美国也有关于液芯波导的专利报道。m i l l e r 等1 8 6 j 报道一种新型多光程流动吸收 池的光度检测系统；t a o 等1 8 1 六价铬的检测，分析采用紫夕b l e d 作为光源，1 5c m 液 芯波导吸收池，在3 7 5a m 测定吸光度，较普通光度计灵敏4 0 倍。 国内方群等l 鹪1 将萃取停留与液芯波导技术应用于微流控分析系统，用十二烷 基磺酸钠与亚甲蓝形成离子对来验证，萃取5m i n 后，测得线性范围1 1 0m g l ， 检出限为0 2 5m g l ：w e iw 卸套踟报道1m 液芯光纤用于氨基甲酸与维生素c 的 紫外吸收，灵敏度较1c l n 比色皿提高1 0 0 倍；h nd m c k e l v i e l 9 0 1 用内壁涂覆银的 硼硅酸盐玻璃毛细管用作液芯波导管进行多次全反射，无机磷的测定来验证，线 性范围为0 0 5 0 1m g l ，检出限为3 ，, g l 。 方肇伦等1 9 1 1 用l c w 应用于基于重力作用的流动注射高通量纳升进样芯片系 统，以分析二价铁为模型，2 c n l i c w t e f l o n a f 2 4 0 0 ( 5 0 肛m i d ，3 7 5 a n o d ) ，吸 收池体积为4 0n l ，有效光程为1 7c l n ，线性范围为1 , 0 1 0 0 z mf e o i ) ( 相关系 数为0 9 9 6 7 ) ，有很好的重现性( 0 6 r s d ，n = 1 8 ) 。方肇伦等怫j 报道了一种基于液 芯波导原理的微流控芯片吸收光度检测系统。通过芯片与外界接口技术实现液芯 波导管与苍片的耦合，建立了芯片上长光程( 毫米至厘米缀) 吸收光度检测池。 采用邻菲哕啉铁( i i ) 显色体系验证系统分析性能，以5 5c m 外覆t e f l o na f 液芯 波导管作为检测池( 检测池体积2 4 0 n l ) 时，芯片系统的检测线性范围为0 0 3 5 0 p m o l l ，对邻菲哕啉铁( i i ) 配合物的检出限为8 n m ，分析精度r s d ( n = 5 ) 为0 8 。 方肇伦等i 叫又报道了一种基于液芯波导的小型激光诱导荧光微流控分析系统及 其在分离检测d n a 样品中的应用。使用6 c m 长t e f l o n a f l 6 0 0 涂覆的石英毛细 管作为液芯波导管，同时作为电泳分离通道和荧光检测光路，将分离后样品的荧光 信号传送到检测器。半导体激光器( l d ) 作为激发光源，产生的荧光信号在波导管 出口收集。设计了一种特殊的出口储液池，直接使用滤光片作为废液池的后壁并 7 置于光电倍增管( p m t ) 窗口处，从而使全部检测系统仅由l d 、i l w 、滤光片和 p m t 四部件组成，达到了结构最简化使用顺序注射( s i ) 系统实现了自动样品更 新，该系统通过一种改进结构的可消除气泡的接口与微流控系统联接。采用这种 联用系统实现了溴化乙锭( e b ) 标记的x 1 7 4h a e i i i 裂解液中1 1 个脱氧核糖核酸 片段的分离和聚合酶链反应扩增样品的检测。 金钦汉剐首次将液芯波导技术应用于中红外吸收测量的油成分分析领域，研 制的新型m f a 4 5 0 型红外测油仪的灵敏度比现有同类型仪器提高1 个数量级，检出 限为0 0 1m g ，l ( 油萃取剂) 。王菊芳等【哆1 0 0 1 应用液芯光纤光度法在乙醇水溶液中测 定p “i i ) 和t i ( i v ) ，水溶液中f “i i ) 、c 删) 、c a ( i i ) 、氟、卡马西平、人发中的痕 量硒，线性范围下限与检出限均能提高1 2 个数量级。 1 。2 ，2 。2 液芯波导在荧光方面的应用 r o b e r th b y m e l l o l j 将液芯波导用于光度计，c c d 用作检测器，当仪器里面的 紫外灯关着时，用作紫外一可见分光光度计，当紫外灯开着时，用作荧光光度计； v r a t i s l a vk o s t a l 1 叫将液芯波导与光纤耦合的c c d 光度计建立的荧光检测系统， 并用低分子量的荧光标记物和异硫氰荧光素( f i t o 标记的蛋白质进行检验，与复 杂的激光诱导荧光检测器相比不仅有更好的检测限，而且只要改装光源就可以分 析其他分析对象，因而较方便。 j i a n z h o n gl i 1 0 3 将u n 与l e d 联用n a t i o n 膜收集荧光法测定气态的过氧化氢 与羟基过氧化氢，以近紫外l e d 为激发光源，液芯波导用来收集产生的荧光，对 液相过氧化氢的检出限为1 1n m ，气态的过氧化氢的检出限为1 3 5p p t v 。j o h a n r o e r a a d e 1 0 4 将l c w 与毛细管电泳激光诱导荧光联用c c d 末端检测，2 7 p m 荧光素 在连续流动和6 2f m 在毛细管电泳模型，应用与检测d n a 序列，能分辨单色g 序列 每个碱基，当信噪比为2 5 0 时，能检测到5 0 0 个碱基，当信噪比为5 0 时，能检测9 5 0 个碱基。刘震等1 1 0 5 l 报道毛细管等电聚焦液芯波导电泳激光诱导荧光整体柱成像检 测，与商业化的紫外检测相比，灵敏度能提高3 5 个数量级。 8 三j 峨h - 图5 毛细管等电聚焦液芯波导电泳激光诱导荧光整体柱成像检测示意图 f i g 5s c h e m a t i cd i a g r a mo ft h ei n s t r u m e n t a ls e t u pf o r p i l l a r yi s o d c c l f i cf o c u s i n gl i q u i dc o r e w a v e g u i d e ( 1 c w ) l a s e r - i n d u c e df l u o r e s c e n c ew h o l ec o l u mi m a g i n gd e t e c t i o n 方肇伦等1 1 嘶l 报道一种微型的液芯波导毛细管电泳l e d 诱导荧光系统，以流动 注射为基础的液滴进样装置，采用液芯波导作为 卜通道结构的分离通道，可使产 生的荧光沿波导管轴向传播，从而让激发光和荧光分离。这使得传统的毛细管上 的l i f 检测系统中的复杂分光系统不再需要，因此可大大减小检测系统体积。同时 用蓝色l e d 代替激光器作为激发光源，不但减小光源体积，而且使仪器的成本降 低，维护也更方便。联用系统如图，其中使用一个蓝色l e d ，不经聚光作激发光 源，仅用一片绿色滤光片简易滤光，实现用光纤沿波导管方向传导的荧光导光检 测器。在1 4 锄石英毛细波导管( 4 8 m mi d 1 上基线分离以异硫氰根荧光素( f 1 t c ) 标 记的三种氨基酸，在采样率高达1 4 4 h 条件下，携出约2 ，峰高r s d3 2 ，理论塔 板高5 4 5 5 z m ，检出限为1 3 1 9 m 。 圈6 联用系统示意图 f i g 6s c h e m a t i cd i a g r a mo f c o u p l e ds y s t e m g e o r g em w h i t e s i d e s 等1 1 0 7 1 l 报道液液波导，液芯为含有荧光物质的溶液， 用卤钨灯做为外界激发光源，进而使液芯荧光物质发出荧光，用作微流控的整体 的染料激光光源。 9 图7 液液波导微流控芯片示意图 f i g 7 s c h e m a t i c d i a g r a m o f a n j q u i d l i q u i d w a v e g a i d e l a s e r c o n s i a t i n g o f a l i q u i dc i a d d i n g a n d f l u o r e s c e n tl i q u i dc o i ef l o w i n gl a m i n a r l yi nam i c r o f l u i d i cc h a n n e li np d m s ( n = 1 4 1 ) 1 2 2 3 液芯波导在化学发光方面的应用 j i a n z h o n gl i l l 0 9 j 电生次氯酸盐液芯波导化学发光测定n h 4 + ，液芯波导用作反 应和光收集器，利用n h 4 + 消耗电生次氯酸盐而降低次氯酸盐与鲁米诺的化学发光 强度进行定量检测，其线性范围与检出限与电解电流有密切的关系，当电解电流 为6 0 肚时，线性范围为0 1 2 0 p m ，当测量痕量样品时，电解电流为1 0 肚，其线 性范围为o 一1 2 m ，它们的检出限为1 2 0 2 6 0n m 。j i a n z h o n gl i ! n o 】化学发光测定 气态h 2 0 2 ，测定基于c 0 2 + 催化h 2 0 2 与鲁米诺的化学发光反应，气态的h 2 0 z 用高效 的n a t i o n 膜收集，微型p m t 作为检测器，其检出限为2 5p p wh 2 0 2 ，n 0 2 、s 0 2 等不 干扰测定。 p u m e n d ukd a s g u p t a 等l m 】报道了基于荧光、化学发光、长程吸收多功能便 携式流动注射分析仪，用l e d 阵列照射l c w 激发产生荧光，而长程吸收光谱使用 在4 0 0 7 0 0n m 响应的l e d 作为光源，c c d 或p m t 作为检测器，使用5 0 锄t e f l o n a ft u b e 作为光收集管，通过与鲁米诺的化学发光反应检测过氧化氢，它的检出限 为4 n m 。 1 2 2 4 液芯波导在拉曼光谱方面的应用 c v e sg o o i j e r l l l 2 1 把9 0c ml c w t u b e ( 2 2 0 # mi d ) 与液相色谱、拉曼光谱联用， 用氦一氖激光器激发产生拉曼光谱，采用反相色谱分离进样量为1 9 4 l ，腺嘌呤核 苷、鸟嘌呤核营、尿嘧啶核苷的检出限在0 1 0 5m g m l 。 z u o w e il i l l l 3 】用液芯光纤测定低浓度对苯醌单线态一三线态n p 转换的共振 拉曼光谱，实验结果可用于单分子检测；里佐威1 1 1 4 l 应用t e f l o na fu ：w 测量浓度 低至l f f 加m o l l 水中8 一胡萝卜素的共振拉曼光谱，能增强拉曼光谱强度，提高测量 检出限1 0 0 0 倍。 谷怀民与邢达l l ”j 采用折射率比石英( n = 1 4 6 ) t 氏的t e f l o na f2 4 0 0 ( n = 1 2 9 ) 液芯 波导系统，研究了乙醇和四氯化碳溶液的拉曼光谱，通过利用液芯波导的内全反 射特性，延长激发光对波导管内的溶液试样的总的有效激发光程，并有效增强对光 谱信号的收集，成功地采集到四氯化碳和乙醇的拉曼光谱。并与采用常规9 0 。几何 散射结构获得的拉曼光谱进行了对比，表明液芯波导系统可以使拉曼光谱信号强 度增强2 0 0 倍n 以上，并大大提高探测灵敏度和信噪比。展示了液芯波导拉曼光谱应 用于化合物溶液的微量分析、生物医药成分的定量检测、临床医学诊断中对病理 样本的微量分析和定量检测等领域的可行性，为进一步采用液芯波导拉曼光谱进 行定量标定的研究工作和实际应用提供了实验依据。他们1 1 1 6 l 还作了液芯波导在拉 曼光谱研究中的应用及其研究进展方面的综述。 徐蔚青等 1 1 7 所设计的“表面增强拉曼光谱( s e r s ) 活性液芯光纤”用纳米组装 方法在空心光纤内壁修饰s e r s 活性基底，构成内壁具有表面增强拉曼光谱活性层 的液芯光纤，采用同轴光波导方式传光，并使其适用于常用溶剂中样品的超灵敏 检测，有可能发展成为水相体系中生物分析的又一重要手段。 1 2 - 2 5 液芯波导在传感器方面的应用 z h a o h u ia l e c kw a n g i ”卅把透气性液芯波导t e n o na f 材料用作二氧化碳分压 实时检测传感器，该传感器有2 3 z a t m 的准确度，能在2 r a i n 内响应，其响应范围 为2 0 0 5 0 0 z a t m ，能对大气和水溶液中的二氧化碳实时检测；p u m e n d uk d a s g u p t a l 9 1 报道基于透气性液芯波导材料长光程高灵敏气体传感器，该装置基于 选择性原位显色反应进行测量，多孔透气材料的t e f l o na ft u b e 装有能与专一气体 反应的溶液，当气体扩散到管内，快速发生显色反应，发光二极管作为光源，光 电二极管作为检测器，通过光纤来导光，应用有较大的表面体积比的毛细液芯波 导管能使在1s 内快速响应，二氧化碳和溶解的有机物均能获得理想结果。 -“-_“ 圈8 液芯波导气体传感器示意图 1 l f i g 8 s c h e m a t i c d i a g r a m o f l i q u i d c o r e w a v e g u i d e g a ss e n s o r r o b e r tes y n o v c c l l 刎通过lm i 屎样环把苯、甲苯、对二甲苯的混合物引入液 芯波导传感器中，待分析物在t e f l o n a f 2 4 0 0 t u b e 内壁富集，再用乙腈洗脱进3 0 z l 的洗脱环中，它们的拉曼光谱在洗脱过程中获得，它们的拉曼峰分别为9 9 2 ，1 0 0 4 ， 1 2 0 6c l n - 1 ，3 次重复实验i 拘r s d 为3 ，无需表面增强或共振拉曼等手段，该传感 器对苯的检出限为7 3 0p p b 。 1 2 2 6 液芯波导在色谱方面的应用 c e e sg o o i j e r1 1 2 1 】把9 0 锄旧t e f l o na f2 4 0 0t u b e ( 2 8 0 , u mi d ) 应用于液相 色谱紫外检测器检测，反相色谱分离3 种农药2 5 0n m 检测，它们的检出限在0 3 0 5 肛g l ，比传统的检测能力能改进3 0 一5 0 倍。 方肇伦等【1 捌将液芯波导用于双波长调制的微流控毛细管电泳系统，其信噪比 5 倍于单波长调制的微流控毛细管电泳系统，超过1 0 0 倍优于没有调节的液芯波 导毛细管电泳系统；方肇伦【1 2 3 】还综述了液芯波导与毛细管电泳用于微流控芯片。 j 6 丸o l i v a t c s i l 2 4 1 把液芯波导应用d n a 的电泳分离与蛋白质等电聚焦分离 成像的研究，液芯波导管用作有效的激发分离和光收集管，用氩离子激光器作激 发光源与p m t 收集信号获得均通过光纤来导光，激光器沿着毛细液芯波导管扫描 将得到它们在毛细液芯波导管中的分离成像，该装置如下图所示。 图9 液芯波导毛细管电泳分离成像装置示意图 f i g 9s c h e m a t i cd i a g r a mo ft h ec a p i l l a r ye l e c t r o p h o r e s i s l a s e r i n d u c e df l u o r e s c e n c ed e t e c t i o na n d i m a g i n gs y s t e m 1 2 1 2 2 7 液芯波导在动力学方面的应用 t e t s u oo k a d a 1 2 5 j 把t e f l o na f2 4 0 0 ( 2 5 4 棚1i 如5 0 8 棚li d 凋作毛细管电泳 分离通道，能实时检测发生电泳的反应的动力学情况，以c d 2 + 与其显色剂4 - ( 2 一 吡啶偶氮) 问苯二酚( p a r ) 分解动力学研究为模型，以发光二极管或卤钨灯作为光 源，c c d 阵列光度计检测，可以检测到一个单指数衰减的吸光度被，且能估算出 该反应的降解速率常数。 c h r i s t i a ng e o r g e l l 2 6 把t e f l o na f2 4 0 0 用于o h 动力学反应，用紫外一可见吸光 度来表示。研究的o h 与甲醇、乙醇、四氢呋喃等的动力学反应常数与目前推荐值 能很好的吻合。 1 3 本论文的选题背景与本工作的意义 近年来，全国各地食品中毒事件不断发生，举国呼吁“放心食品”。加强食品 质量安全以及相关的基础研究已属刻不容缓。 此类事件的特点是发生频率高，涉及范围宽、事故性质严重，可谓触目惊心。 仅2 0 0 1 年9 月半个月之内即发生2 9 起重大中毒事件，内仅南京九一四事件中 毒死亡即达3 4 人。随后又有东北某市8 所小学3 0 0 0 余名学生饮食豆奶中毒事件 发生，3 名学生死亡，且仅在事发2 0 多天之后，才被外地媒体所知悉。 导致食品安全中毒事故的源物质种类很多，计有重金属、农药、鱼药或兽药 残留，潜在致癌致畸或致突变物、滥用食品防腐剂和抗菌剂，以及违禁药物等。 食品质量不安全不单危及国人健康，而且在国际上也产生不良影响，损及我国际 贸易与信誉。仅2 0 0 1 年8 月至次年1 月即有六百余批我出口美国食品因药残超标 而被罚退，影响我国形象。 应予指出，自从2 0 0 1 年我国入世之后，由于出口产品质量存在问题，再加国 外对我实行绿色封关，我国农产品并未因遇入世良机而如预期那样显著增大了出 口额。仅2 0 0 2 年前9 个月，我农产品出口直接与问接损失达1 0 0 亿美元之巨( 作 为对比，2 0 0 1 年全年出口额共1 7 0 亿美元) 。仅欧盟一次退运我蜂蜜即达8 0 0 吨， 折合7 0 万美元。入世次年，我沿海各港口出口农产品退额普通骤增，高者竞达前 年同期退额的8 倍。我国进入世贸组织不久，一些国家的绿色食品壁垒或技术封 关相应增强、增多。如日本对进口蔬菜、果汁的检测指标由原来的6 项增至4 5 项和8 6 项，且要求更高。欧盟对进口蜂蜜的标准提高了1 0 0 倍，如规定氯霉素含 量不得超过每1 0 万吨1 克。 呼唤绿色食品与建立相应的绿色食品质量控制体系，已成我当务之急，也为 各国所密切关注。国外发达国家早在上世纪5 0 至8 0 年代即已设置并实施了各业 食品卫生质量标准。此后进一步建立了h a c c p ( 事故分析与关键控制点) 体系。 进入新世纪，又提出全球公共卫生优先考虑计戈! i 与食品安全战略计划。绿色安全 食品已形成为世界潮流。绿色食品前途广阔。据资料报道，我国出口绿色食品从 未遇到过出口受阻或退回情况。据称至2 0 0 6 年欧盟和美国绿色食品市场将分别达 5 8 0 与4 7 0 亿美元。我国民众对绿色食品的要求正日趋迫切。 本论文着眼于防腐剂( 亚硝酸盐) 、漂白剂( 亚硫酸盐) 、抗菌剂( 甲醛) 的 国标检测法为光度法方面开展工作，我们自己组装光催化渭解器1 0 m i n 能将有机 磷农药消解成无机磷，再进行光度分析。采用新型长程吸收光谱法均能降低它们 的传统光度法测定下限与检出限1 0 0 0 多倍，以期望能为国际贸易、市场检测等领 域的食品安全做出自身的贡献，带来极大的社会效益与经济效益，造福人类。 1 4 2 1 实验原理 第二部分研究报告 分光光度法在分析化学中起重要的作用，然而光度法的灵敏度比原子吸收光 谱、原子发射光谱等方法低，它在低含量组分测定方面的应用受到限制。光度法 定量测定的基础是朗伯一比尔定律，提高其测定灵敏度的途径主要是增大摩尔吸光 系数( c ) 和有效光程( b ) 。为了提高e ，前人合成了许多性能优良的显色剂【1 2 7 j ，它们 的值通常在1 0 4 ，1 0 s 数量级。为了增加b ，前入也做了不少工作。魏磊等旧开启 了长程吸收光谱的先河，长程吸收光谱发展缓慢。近年来低折射率非金属材料取 得较大进展，1 9 8 9 年d u p o n t 公司生产的低折射率氟代芳烃聚合物p 2 s l t e f l o na f 2 4 0 0 ( 2 ，2 b i s t d f l u o r o m e t h y l - 4 ，5 d i f l u o r o - 1 ，3 d i o x o l e ) 的管材用作长程吸收池， 具有折射率低( 1 2 9 ) 、光损耗小( 仅为0 0 1 d b m ) 等优点，是一种很有前途的长 程吸收池管材，所以用t e f l o na f2 4 0 0 做成的长程吸收池可应用于水溶液中的光 度分析。r o b e r th b y r n e 等1 7 6 - 8 1 1 用数米长的t e f l o na f2 4 0 0 液芯波导降低光度法 的检出限2 3 个数量级。 赵一兵等【1 2 9 l 报道一种新型光谱测量技术即光强差技术，在较低浓度时，浓度 与透过溶液后光的强度变化成正比的技术。根据朗伯一比尔定律， a = 】0 9 i o i = e b c ( 1 ) 式中彳为吸光度，e 为摩尔吸光系数，b 为有效光程长度，所以， i = o l 俨= 肺撇 ( 2 ) 若将测吸光度一改为测光强的改变，并令，= s ，则 s = a i = i o i = i o - l o e - 2 j 如= l o ( 1 - e 2 3 咖1 = o 【2 3 0 3 e b c - ( 2 3 0 3 d o c y 2 1 + ( 2 3 0 3 e b c ) 3 1 】 = 2 3 0 3 i o e b c 1 - 2 3 0 3 e b c 2 + ( 2 3 0 3 e b c ) 2 6 】( 3 ) 当a = e b c 足够小( 如= o 0 5 ) 时，中括号中各项和趋近于1 ，则 s = a = 2 3 0 3 1 0 e b c = 2 3 0 3 1 0 4 ( 4 ) 其灵敏度 h = a s a c ，而测定吸光度法的灵敏度y a = a a a c ，显然v s 勘= a s a a = 2 3 0 3 ，0 。通常能使灵敏度能提高1 0 0 0 倍，由于光源不稳定性和光程较短，实际很 难达到这一理想指标检出限只能提高1 0 0 倍左右。光分析的误差不大于5 ，所 以 a l l o = z 3 0 3 e b c 5 ( 5 ) b 5 2 3 0 3 e c ( 6 ) 当测量超痕量( n m ) 浓度时，b 至少2 1 7c n l 为1 0 6 lm o l 。1c m ，通过多元络合 与胶束增敏等途径达到) 。因而，要达到灵敏度提高1 0 0 0 倍的目的，光强差技术 必须与长程液芯波导联用。 另外，我们在光强差基础上，还发展了一种新的测量技术即光强技术，浓度 ( 稀溶液) 与透过溶液后光的强度成正比。具体推导如下：设浓度与光强的关系 式为j = k + ，0 ，及两任意低浓度和透过的光强为( c 1 ， ) ，( c 2 ，仂。因此，我们有 ，l = k c l4 - 而( 7 ) ，2 = k c 2 + 而( 8 ) 根据朗伯一比尔定律，有 五= 而1 俨= i o e x p z 黼 ( 9 ) 因而上面二式可改写为， l o e x p 2 撇2 = k c l + o ( 1 0 ) 1 0 e x p 2 3 0 3 d c 2 = k c 24 - 而 ( 1 1 ) 两式相减，得 l o ( e x p 2 删c x 删撕1 ) - = k ( c 2 c 1 ) ( 1 2 ) 也就是， l o ( 1 e x p z 埘鲥) ( 1 一e x p 。z 3 0 3 削) 】= - 七( c 2 c 1 ) ( 1 3 ) ，o 【2