（检测技术与自动化装置专业论文）水中油在线检测系统的研究.pdf

摘要 矿物油是国家环保实行污染物达标排放总量控制的项目之一，本文采用紫外荧光 光谱技术并结合独特的溢流式采样技术研究设计了一种可实现在线检测水中矿物油的 系统。首先分析紫外荧光光谱技术检测水中矿物油的理论可行性，在此基础上选择高 效率紫外荧光光源并研究与设计了荧光激发分系统；研究与设计了以光电倍增管为核 心的可以接收微弱荧光信号的接收分系统；提出了溢流式采样的方法，设计了独特的 溢流式采样分系统；所设计的电子学分系统可实现数据测量、数据显示和自动报警等 功能，并对整个系统性能进行了测试与分析。 本系统对水中油的检测无需萃取、分离等预处理，可实现非接触的连续在线检测， 设计的独特的溢流式采样系统最大限度地减少了水中悬浮颗粒对测量产生的影响。系 统测量精度为0 1 m g l ，相对标准偏差 1 5 。该系统可用于水质监测、工业污水、油 轮码头、炼油厂、化工厂、大型设备冷却水，水电站等需要对水中油( 碳氢化合物) 进行监测的部门。 关键词：紫外荧光溢流式采样矿物油在线检测 a b s t r a c t m i n e r a lo i li so n eo ft h ep r o j e c to ne n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o np o l l u t a n te m i s s i o n s s t a n d a r d s o nt h eb a s e so fu vf l u o r e s c e n c es p e c t r o s c o p yt e c h n i q u e sa n do v e r f l o w - s a m p l i n g t e c h n i q u e s ，t h ep a p e r se x p l o r e st h es y s t e m ，w h i c hc a nd e t e c tt h em i n a r a lo i li nw a t e r o nl i n e f i r s t l y , t h ep a p e ra n a l y s e s t h e o p e r a t a b i l i t yo fw h i c hu vf l u o r e s c e n c es p e c t r o s c o p y t e c h n i q u e sc a nd e t e c tt h ew a t e rm i n e r a lo i l t h e n , t o c h o o s eh i 【g h e f f i c i e n tu l t r a v i o l e t f l u o r e s c e n tl i g h ts o u r c e ，s e c o n d l y ，t h ep a p e rd e s i g n st h ef l u o r e s c e n c er e c e i v es u b s y s t e m w h i c hc a nr e c e i v et h ew e a kf l u o r e s c e n c es i g n a lt h r o u g hp m t t h i r d l y , t h ep a p e rs t u d y o v e r f l o w - s a m p l i n gt e c h n i q u c ea n dd e s i g n st h es p e c i f i co v e r f l o w s a m p l i n gs u b s y s t e m a s a l le l e c t r o n i c s u b s y s t e m ，t h ed e s i g nc a n b e e m p l o y e d i na u t o m a t i cc o n t r o l ，d a t a m e a s u r e m e n t ，d a t ad i s p l a ya n da u t o m a t i ca l a r m f i n a l l y , t h ep a p e rt e s t st h ep e r f o r m a n c eo f t h i ss y s t e m t h i s s y s t e m c a nd e t e c tt h em i n e r a lo i l p r e t r e a t m e n ta n dc a nc a r r yo u tt h en o n c o n t a c t w i t h o u ta n ye x t r a c t i o na n ds e p a r a t i o n o n c o n s e c u t i v ed e t e c t i n g ，w h i c hc a nd e c r e a s e d e t e c t i n gf o r t h es u s p e n d e dp a r t i c u l a t e si nw a t e r t h em e a s u r e m e n ta c c u r a c yi s0 1m g l ，a n d t h er e l a t i v es t a n d a r dd e v i m i o n 1 5 i np r a c t i c e ，t h es y s t e mc a nb em o n i t o r e dt h e h y d r o c a r b o n si nw a t e rq u a l i t yt e s t i n g ，i n d u s t r i a lw a s t e w a t e r t a n k e rb e r t h ，c h e m i c a lp l a n t ， l a r g e - s c a l ew a t e r c o o l e de q u i p m e n ta n dh y d r o p o w e r k e yw o r d s ：u v m 砌旧咖叩印咖嗍o ，日助w 翎m p 陆g 幻由n i q 嘴a d a e r a l o i lo 池d e 蛐n i i 长春理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的硕士学位论文，水中油在线检测系统的研究是 本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引 用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人完 全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者签名：也函查疆盈年三月卫日 长春理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“长春理工大学硕士、博士学位论文版 权使用规定”，同意长春理工大学保留并向中国科学信息研究所、中国优秀博硕 士学位论文全文数据库和c n k i 系列数据库及其它国家有关部门或机构送交学 位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权长春理工大学可以 将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印 或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名： 点图塑狙年五月监日 艚别醛轹皇型l 爿年u 监日 第一章绪论帚一早硒化 1 1 选题背景 本文的研究内容是针对人类赖于生存和发展的重要资源“水 的质量检测问题展 开的。随着世界人口的增长及工农业生产的发展，需水量也在日益增长，水已经变得 比以往任何时候都要珍贵。但是，由于人类的生产和生活，导致水体的污染，水质恶 化。随着科学技术的进步，人类环保意识和健康意识的不断加强，自从进入2 0 世纪9 0 年代以后，科学研究项目和国际性学术讨论会的主题，几乎都集中围绕着与人类生存 和社会发展密切相关的环境与资源问题，诸如全球变暖、自然灾害、海面上升、生态 环境和海洋资源等热门话题。矿物油对水体的污染也成为关注的焦点之一。 随着陆地和海底石油开采和使用规模的不断扩大、以及运输过程中泄漏问题的出 现( 据美国环境保护署( e p a ) 估计，在美国约有3 , - - , 5 百万个地下化学物质和石油储存仓 库，每年平均大约有1 的仓库会发生泄漏【l 】) ，矿物油类物质对水体造成了大面积污染， 严重地危害着水体生态平衡和人的身体健康。矿物油是石油及其提炼产品的总称，其中 包括正己烷、苯、多环芳烃、苯并芘、荧火剂等。矿物油对人的消化系统有危害，可导 致急性中毒、严重腹泻，同时还能引起手脚麻痹、头晕、昏迷、紊乱等症状，对人的血 液、免疫系统、肺、皮肤和眼睛等也有一定的毒害作用 2 1 。此外，矿物油中的多环芳烃、 苯并芘、荧火剂等物质对人体有致畸、致癌作用【3 】。如果有较多的矿物油漂浮于水体 表面，将影响空气与水体界面氧的交换；分散在水中、吸附在悬浮微粒上或以乳化状态 存在于水中的油则可被生物氧化分解，消耗水中的溶解氧，使水质恶化，严重破坏水体 生态平衡【4 1 。 资料表明，水体中矿物油污染的来源大约为：工业污水、城市生活污水、港口设施 泄漏约占6 0 ；船舶航行作业排放约占1 0 ；运输事故、井喷事故、采油废水排放约占 1 0 ；其它工业、车辆以及燃烧废气的沉降约占1 8 【5 】。目前，世界各国都加强了矿物 油对水体污染的治理。油是国家环保决策实行污染物达标排放总量控制项目之一1 6 j ，如 水质监测、工业污水、油轮码头、炼油厂、化工厂、大型设备冷却水，水电站等对油 污水排放都有严格的技术标准和监控规范。如对航海领域中的制约性船舶一1 5 0 总吨及 以上油船和4 0 0 总吨及以上的所有船舶，其防油污设施及油污水( 油轮压载水、洗舱水 及船舶机舱舱底水、燃油压载水) 的排放必须满足国家g b 8 2 4 0 8 7 标准及国际海事组织 ( i m o ) a 3 9 3 ( x ) 决议案中防油污规则的规定，并经有关部门认可取得o p p 、i o p p 证 书( 国家、国际防油污证书) 才能将油水分离器处理后的污水有条件地进行排放。 及时控制矿物油对水体的污染，检测的方法和仪器是非常重要的，只有保证了这 两方面才能保证快速和准确的测量出水中矿物油的污染物含量，以达到保护和治理水 污染的目的。开展水中油污染检测方法、技术和检测设备的研究，是提高水污染检测 的一条重要措施。通过本论文的研究，水中油在线检测仪器可以在现场实时、快速、 准确检测水中矿物油的含量，超标时及时报警，从而制定相应的保护和治理措施。 1 2 水中油检测的基本方法及发展现状 水中油类污染的测定是比较复杂的，因为其成分比较复杂，无法用单一标准进行 对照，此外不同地区、不同行业水中油类污染的种类也不相同，不能以同种油标为标 准进行分析测定。因此，水中油类物质含量的测定问题是环境分析化学一个古老、重 要而又困难的问题1 7 j 。 由于矿物油的品种很多，形成污染的情况十分复杂。人们对水中油份测量的各种方 法进行了研究。目前常用方法有如下几种【8 9 l ：重量法；紫外分光光度法；红外吸收法； 荧光光度法；浊度法；色谱法；电阻法。 重量法早在1 9 7 9 年，美国e p a 就确定重量法为测定水和废水中矿物油的标准方法 之一。当时选定的萃取剂是f r e o n 2 1 1 3 ，但由于f r e o n 2 1 1 3 对大气臭氧层具有破坏作 用，因而后来在关于消耗臭氧物质的蒙特利尔议定书中被列为禁用试剂。1 9 9 3 年，k a w a h a r a 等提出用j 下己烷与甲基三丁基醚( 体积比为4 ：1 ) 的混合液代替 f r e o n 2 11 3 作为萃取剂，取得了满意的结果。1 9 9 9 年，美国e p a 颁布的m e t h o d l 6 6 4 ， 确定用正己烷代替f r e o n 2 1 1 3 作萃取剂，同时用硅胶吸附被测样品中的动植物油，然后 称量剩余样品，能较准确地测得矿物油的含量。我国的潘明杰、麦伟清等也对重量法进 行了较深入的研究。 紫外分光光度法【1 0 以4 1 ，我国1 9 9 7 年颁布水质：石油类和动植物油的测定：红外 光度法( g b t1 6 4 8 8 2 1 9 9 6 ) 国家标准之前，矿物油测量多数是采用紫外吸收法，在 国家标准颁布后，我国一些环保工作者仍对水中矿物油的紫外吸收测量法进行了较深 入的研究。t y t r o n i c s 公司生产的f p al o o o 1 1 0 0 系列紫外光度计是一种检测矿物油 含量的仪器，采用双光束单波长方法消除背景干扰。光纤直接将光从光源传输到吸收池， 经吸收池吸收后又直接传输到检测器，这一设计使得仪器结构简单，便于维护。t e l e d y n e 公司生产的6 6 0 0 型油分析系统也是基于紫外吸收光度法。 红外吸收光度法【1 5 。2 1 】，红外吸收光度法分为( a ) 非色散红外吸收光度法；( b ) 红 外分光光度法。 ( a ) 非色散红外吸收光度法，早在1 9 7 5 年，d i l l e 等就建立了以该方法为基础的 矿物油测试方法和水中矿物油监测装置。1 9 7 6 年，1 w a m o t o 等也建立了以该方法为基 础的水中矿物油浓度监测装置。1 9 8 5 年，1 w a s h i t a 等在1 w a m o t o 工作的基础上建立 了在其它液相，特别是水相中矿物油的监测装置，该装置包括萃取装置、萃取溶液分离 装置、非色散红外测油仪等。1 9 9 3 年，l o p e z 2 a v i l a 等采用超临界流体萃取与该方法 联用，研究了土壤中矿物油的测定。1 9 9 8 年，冯建勋报道了以四氯化碳为萃取剂在3 4 2 0um 处检测水中微量矿物油。1 9 9 9 年，w i l k s 等用自制的测油用非色散红外吸收仪 检测土壤和水体中的矿物油和动植物油，结果令人满意。 日本h o r i b a 公司生产的0 c m a 系列矿物油检测仪，美国w i l k s 公司生产的i n f r a c a l 2 系列矿物油检测仪，美国h a t c h 公司生产的h c 2 4 0 4 矿物油检测仪，中国佛山分析仪 器厂生产的f o m a 2 3 0 0 矿物油检测仪，上海天美科学仪器有限公司生产的o i l 2 4 0 0 0 红 外油分分析仪等都使用非色散红外吸收光度法。 ( b ) 红外分光光度法，红外分光光度法已被我国确定为测量矿物油的国家标准方 法之一，但目前市场上出售的此类仪器主要采用光栅机械扫描，顺序测量3 1 3 0 0 、 3 1 3 7 8 、3 1 4 1 3pm 处的吸收。近年来，金钦汉等研制成功采用光谱视网膜和液芯波导 技术的m f a 2 4 5 0 型红外测油仪。该仪器能同时测量3 1 4 1 3 、3 1 3 7 8 、3 1 3 0 0um 处的 吸收，仪器各项技术指标都得到了改进，整机性能达到国际领先水平，现己由长春吉 大小天鹅仪器有限公司组织生产。金钦汉等还研制成集长程吸收池、固定光栅和阵 列检测器于一体的g r a 型红外测油仪，也可同时检测矿物油在3 1 4 1 3 、3 1 3 7 8 、3 1 3 0 0 um 处的吸收，具有良好的分析性能。金钦汉等还对测量水体和土壤中矿物油用的萃取 剂进行了筛选和提纯，成功选择并提纯了一种新型测油用超高纯萃取剂，可以替代目前 常用但己被关二f 消耗臭氧物质的蒙特利尔议定书规定在2 0 1 0 年必须在全世界范围 内禁止使用的四氯化碳萃取剂。 目前，国产红外分光测油仪主要有，吉林市科技开发实业公司生产的f 2 0 0 0 红外光 度测油仪，吉林市北光分析仪器厂生产的j d s 2 1 0 0 红外分光测油仪，北京华夏科创仪器 技术有限公司生产的0 i l 2 4 1 0 红外分光测油仪，北京瑞利分析仪器公司生产的1 】i h h 型 红外测油仪，长春吉大小天鹅仪器有限公司生产的m f a 2 4 5 0 红外测油仪和g r a 型红 外测油仪等。 荧光光度法1 2 川j ，尚丽平、史锦珊等研究了将光纤传感器用于荧光光度法测量水中 矿物油浓度的方法。该方法能在较远距离处监测水中矿物油的浓度。9 0 年代夏达英等 研制了连续走航测量的仪器系统，它是把荧光计装在水下拖拽体内，通过电缆将信号传 输到船上。该方法存在设备复杂笨重、测试误差大等缺点。现代荧光光谱分析技术和 光纤传感技术的发展，光源与光纤耦合技术的不断完善，为研制矿物油浓度光纤荧光测 量仪创造了条件。曹文祺研究了利用乙烷萃取，用荧光光度法测量水中矿物油的方法。 美国t u r n e rd e s i g n s 公司开发的t d 4 1 0 0 水中矿物油监测仪和德国j u m 公司f p m 6 0 5 水中矿物油监测仪都是基于荧光光度法。 浊度法，最近d e x s i l 公司研制出一种手持式测量土壤中矿物油的浊度计 ( p e t r o f l a g ) ，虽然灵敏度不高，但对于油污染严重的地区，尤其是野外现场测量，仍具 有一定的吸引力。岛津公司的e t 2 3 5 a 油分分析仪也采用浊度法，它主要用于船底部位， 监测油轮的漏油情况。n o r t h e a s tc o n t r o l s 公司生产的b r i s t o lb a b c o c k 测油仪也基 于浊度法，同e t 2 3 5 a 一样，也主要用于船底监测油轮的漏油情况。 国外，v i o l e t t ad r o z d o w s k a 3 1 1 ，r k a r p i c z 3 2 1 ，0 z i e l i n s k i 3 3 1 ，等应用荧光分析法 结合激光雷达技术用于水中油的检测，s p a t s a y e v a 3 4 1 ，c h r i sr c h a s e 3 5 】应用荧光技 术实现水中油的在线检测。 除此之外，随着计算机技术的发展，将神经网络37 1 、遥感技术【3 8 】、嵌入式系统 p 9 】等融合到各种检测方法中，大大提高了检测设备的稳定性、可靠性。 1 3 传统检测方法存在的问题 针对每种方法所存在的缺陷，人们尝试从不同方面对水中矿物油的监测方法进行 改进【4 0 4 2 1 。目前无论是采用光度法还是采用重量法分析测定水中矿物油的含量，都少 不了萃耿这一过程，张吉荣应用仪器萃取水中的油，既省力，又大大提高了样品测定 结果的精密度、准确性和可比性。王行广等通过一定的条件试验和数理统计分析，对 现行的重量法分析测定水中油类作了较大的改进，改进后的分析方法在保持数据原有 离散水平的情况下消除了负误差，提高了测定值的准确性，并且使操作繁度和难度得 到了一定的简化，且8 0 以上的石油醚可以回收循环使用，节省了试剂和仪器，使本 方法更为实用。唐受印、戴泳旧等对用紫外分光光度法测定水中的油作了改进，方法 在油标、氯化钠和无水硫酸钠的选择及用量等方面作了一些试验，另外，采用工作曲 线代替标准曲线，可使回收率达到9 8 6 ，并提高了测定的准确性。虽然改进后的方 法较以前有了很大的进步，但是问题依然存在。水中油的测量不再局限于实验室测量， 科学技术的发展对仪器提出了更高的要求。工业控制以及环保治理需要更多的能够在 线检测的仪器。这对我国的分析仪器产业既是机遇又是挑战。虽然对上述方法存在的 问题作了很多尝试和改进，但是目前的检测方法仍存在下列问题： 1 需要萃取剂 无论是现行国家标准一红外光度法，还是紫外光度法都需要萃取，萃取剂又造成了 二次污染。 2 需要代表性的标准油 常用的水中油检测方法如红外法、紫外法、浊度法方法都需要代表性好的标准油 品。而标准油品，完全满足各种不同污染的测量是十分困难的。 3 不能实时在线检测 取样分析方法存在样品储存、运输等问题，在这个过程中，样品中的低沸点成分可 能挥发，样品也可能变质，很难保证测量的准确性。取样分析方法又存在取样困难、定 位随机性大、数据少、周期长、耗费大量人力和财力，又难以确定油层的分布情况等 缺点，不能及时掌握矿物油污染的动态变化趋势。 1 4 水中矿物油检测的发展趋势 1 实时在线检测技术 小型化、智能化是分析仪器的一个发展方向【4 5 1 ，测油用仪器也不例外m 。目前， 测量矿物油需要将采集的样品送到实验室进行处理和检测，这就存在样品储存、运输等 问题，在这个过程中，样品中的低沸点成分可能挥发，样品也可能变质，很难保证测量的 准确性。因此，矿物油的自动在线监测显得尤为重要。“十五期间，我国将对1 1 8 万个 重点污染企业实施污染物排放的总量控制，其中矿物油的含量也是一项重要指标【47 1 。 4 2 0 0 2 年我国将对4 7 个城市的饮用水进行月报，矿物油的含量也是其中一项重要指标， 这些都要求仪器能够在线自动监测水体中矿物油的含量。所以，现场在线自动监测将是 矿物油测试仪器的一个必然的发展趋势。样品无需萃取、分离等预处理工序的测试方 法和仪器也将发的趋势之一。俄罗斯的刘梅克斯公司、加拿大的亚捷公司、德国的 d e c k m a 公司、荷兰的安米德公司都已经研制出了水中油在线检测仪目前我国还没有 自主研发的相关检测设备，购买外国的设备价格昂贵，因此研制开发此方面的研究有 着现实的意义我所研究的内容就是市科技局项目“水中油在线检测仪的研制与开 发”中的一部分。 2 紫外荧光光谱技术 由于矿物油的品种很多，形成污染的情况十分复杂。人们对水中油份测量的各种方 法进行了研究。无论是现行国家标准红外法，还是紫外法、荧光法，都需要代表性好 的标准油品。而代表性好的标准油品，要完全满足各种不同污染的测量是十分困难的。 因此，我们对各种不同污染源的污染情况进行观察和研究睁j 。 研究表明：尽管污染源产生的背景不同，但大部分的污染都是在具体的生产或使用 的背景下产生的。如汽车制造厂，总是长期使用几种固定的石油产品。船舶、车辆也只 是用几种固定的石油产品。因此，针对某种具体的污染源，我们不难找出相应的代表性 好的标准油品。这样，通过了解每一个污染源的实际排污情况，在宏观上，就能了解大面 积区域( 如河流、湖泊、港口) 的日常污染情况，为控制总体污染创造了条件。当受污 染的水体中油品的组成比较恒定时，荧光法在微量油品的定性、定量测量中，具有高灵 敏度。因此，针对占7 0 以上的受污染水体中油品组成比较恒定的污染源，使用无二次 污染试剂、代表性好的标准油和适合推广的专用高智能荧光测油仪具有广阔的前景。 荧光法在手工和自动监测中应用日益广泛。早在“九五攻关中，我们就使用了 排水中油类的直接荧光法自动监测。水利部也正在制定用正己烷萃取荧光法测定水中 油的标准方法【4 引。 目前，国际海洋组织已经使用荧光法监测水体中的油份。在俄罗斯，自然保护委员 会已把荧光分析法与传统的红外光度法并行使用，而9 0 的使用单位选择了荧光法。因 此荧光法是具有现代环保理念的发展方向。我们的课题也是基于此种检测理念来实现 无污染在线检测。 1 5 课题来源及本论文研究的内容 本文从我国国情出发，在深入研究了各种分析方法并分析了我国现状之后，提出 了适合我国水中微量油检测的分析方法一紫外荧光法，并基于此方法研制出了可用于 在线测量的水中油检测仪。 1 3 1 课题来源 本课题来源于长春市科技局科研项目“水中油在线检测仪的研制与开发 ( 2 0 0 5 0 6 9 ) 。 1 3 2 本论文研究的内容及章节安排 本论文所研究的水中矿物油在线检测系统，采用紫外荧光法并引入了一种独特的 “溢流式采样技术：将非接触式荧光光谱技术用于水中油的在线检测，研制了一种 无需萃取，可在线测量的矿物油检测装置。符合环境自动监测和污染源在线监测的国 际技术潮流。论文主要研究内容和安排如下： 第一章绪论，阐述论文的研究背景及研究的重要意义。介绍水中矿物油常用的检 测方法以及国内外发展现状。讨论了传统水中矿物油检测方法存在的问题、发展趋势 及本文研究内容。 第二章紫外荧光光谱检测技术分析。首先阐述了荧光产生的机理及荧光分析法的 理论基础，分析水中油成分，探讨了荧光分析法检测水中油的可行性。 第三章设计了基于紫外荧光光谱技术和溢流式采样技术的水中油在线检测系统。 对检测系统的紫外荧光激发分系统、紫外荧光接收分系统进行研究与设计，提出并设 计了溢流式采样分系统，设计了电子学分系统，可实现数据测量、数据显示和自动报 警等功能。 第四章系统性能测试和分析。针对所设计的仪器，采用大量的水中油样品对其性 能进行测试，并和标准值进行比对，分析测量结果。 第五章本文的总结与展望。对全文工作做以总结，介绍论文中的创新性工作，展 望仍需深入解决的问题。 6 第二章紫外荧光法检测水中油的理论基础 本文主要基于紫外荧光光谱技术，本章首先论述荧光光谱技术的进展，紫外荧光 光谱技术的基本原理、应用及特点。在此基础上，分析了矿物油的组成成分及荧光特 性，研究了水中矿物油浓度与荧光强度的关系，最后对影响荧光强度的因素进行分析。 2 1 荧光光谱分析的进展 当用一种波长的光( 如紫外光) 照射到某些物质的时候，这些物质会在极短的时间 ( 1 0 堪s ) 内发射出各种颜色和不同强度的波长大于照射光的光( 如可见光) ，而当紫外光 停止照射时，这种光线也随之很快地消失，这种光线称为荧光。 第一次记录荧光现象的是1 6 世纪西班牙的内科医生和植物学家n m o n a r d e s ，1 5 7 5 年他提到在含有一种称为“l i g n u m n e p h r i t i c u m ”的木头切片的水溶液中，呈现了极为 可爱的天蓝色，在1 7 世纪，b o y l e ( 1 6 2 6 - 1 6 9 1 ) 和n e w t o n ( 1 6 2 4 一1 7 2 7 ) 等著名科学家再 次观察到荧光现象，并且给予更详细的描述。尽管在1 7 世纪和1 8 世纪中还发现了其 它一些发荧光的材料和溶液，然而在解释荧光现象方面却几乎没有什么进展。直到1 8 5 2 年s t o k e s 在考察奎宁和叶绿素的荧光时，用分光计观察到其荧光的波长比入射光的波 长稍为长些，才判明这种现象是这些物质在吸收光能后重新发射不同波长的光，而不 是由光的漫射作用所引起的，从而导入了荧光是光发射的概念，他还由发荧光的矿物 “萤石”推演而提出“荧光”这术语。s t o k e s 还对荧光强度与浓度之间的关系进行 了研究，描述了在高浓度时以及外来物质存在时的荧光猝灭现象。此外，他似乎还是 第一个( 1 8 6 4 年) 提出应用荧光作为分析手段的人。1 8 6 7 年，g o p p e l s r s d e r 进行了历史 上首次的荧光分析工作，应用铝一桑色素配合物的荧光进行铝的测定。1 8 8 0 年， l i e b e m a n 提出了最早的关于荧光与化学结构关系的经验法则，到1 9 世纪末，人们已经 知道了包括荧光素、曙红、多环芳烃等6 0 0 种以上的荧光化合物。 2 0 世纪以来，荧光现象被研究得更多了。例如，1 9 0 5 年w o o d 发现了共振荧光；1 9 1 4 年f r a n k 和h e r t z 利用电子冲击发光进行定量研究；1 9 2 2 年f r a n k 和c a r i o 发现了增 感荧光；1 9 2 4 年w a w il l o u s 进行了荧光产率的绝对测定；1 9 2 6 年g a v i o l a 进行了荧光 寿命的直接测定等等。 荧光分析方法的发展，与仪器应用的发展是分不开的。1 9 世纪以前，荧光的观察 是靠肉眼进行的，直到1 9 2 8 年，才由j e t t e 和w e s t 提出了第一台光电荧光计。早期 的光电荧光计的灵敏度是有限的，1 9 3 9 年z w o r y k i n 和r a j c h m a n 发明光电倍增管以后， 在增加灵敏度和容许使用分辨率更高的单色器等方面，是一个非常重要的阶段。1 9 4 3 年d u t t o n 和b a i l e y 提出了一种荧光光谱的手工校j 下步骤，1 9 4 8 年由s t u d e r 推出了第 一台自动光谱校正装置，到1 9 5 2 年才出现商品化的校正光谱仪器。 近十几年来，在其它学科迅速发展的影响下，随着激光、微处理机和电子学的新 成就等一些新的科学技术的引入，大大推动了荧光分析法在理论方面的进展，促进了 诸如同步荧光测定、导数荧光测定、时间分辨荧光测定、相分辨荧光测定、荧光偏振 测定、荧光免疫测定、低温荧光测定、固体表面荧光测定、荧光反应速率法、三维荧 光光谱技术和荧光光纤化学传感器等荧光分析方面的某些新方法、新技术的发展，并 且相应地加速了各式各样新型的荧光分析仪器的问世，使荧光分析法不断朝着高效、 痕量、微观和自动化的方向发展，方法的灵敏度、准确度和选择性日益提高，方法的 应用范围大大扩展，遍及于工业、农业、医药卫生、环境保护、公安情报和科学研究 等各个领域中。如今，荧光分析法已经发展成为一种重要且有效的光谱化学分析手段。 在我国，5 0 年代初期仅有极少数的分析化学工作者从事荧光分析方面的研究工作， 但到了7 0 年代后期，荧光分析法已引起国内分析界的广泛重视，在全国众多的分析化 学工作者中，已逐步形成一支从事这一领域工作的队伍。近年来，国内发表的有关荧 光分析方面的论文数量增长较快，所涉及的内容也已从经典的荧光分析法逐步扩展到 新近发展起来的一些新方法和新技术，在仪器应用方面也陆续有几种类型的国产的荧 光分析光度计问世，为这一分析方法的发展和普及提供了一定的物质条件。 利用某些物质被紫外光照射后所发生的、能够反映出该物质特性的荧光，以进行 该物质的定性分析或定量分析，称为荧光分析【4 2 1 。近年来，荧光光谱分析技术己被广 泛地应用在工业、农业、医药、卫生和科学研究各个领域中。另外，在环境监测、生 物医学等领域中，溶液中分子氧浓度的确定中有重要意义。可以用荧光分析鉴定和预 测的无机物、有机物、生物物质、药物等的数目与日俱增。荧光分析法越来越成为分 析化学工作者所必须掌握的一种重要分析方法。 目前，国际海洋组织已经使用荧光法监测水体中的油份。在俄罗斯，自然保护委员 会已把荧光分析法与传统的红外光度法并行使用，而9 0 的使用单位选择了荧光法。荧 光法在手工和自动监测中应用日益广泛。早在“九五攻关中，我们就使用了排水中 油类的直接荧光法自动监测。水利部也f 在制定用荧光法测定水中油的标准方法1 4 2 。 2 2 荧光产生机理 在一定波长光的照射下，物质的分子将会被激发，并由低能级跃迁到高能级。处 于高能级的分子是不稳定的，一般要通过释放吸收的能量以一定的速率跃迁回到低能 级，同时发出一定波长( 一般比激发光长) 的光。这就是物质分子的光致发光过程。 2 2 1 光的吸收 当光照射于某一物质时，可能全部被吸收，或部分被吸收，也可能不被吸收。各 种物质的分子具有不同的结构，因而具有它们特殊的频率。当所照射的光线和被照射 的物质的分子具有相同频率时，则发生共振，即入射光被该物质的分子所吸收。在该 物质的i 吸收光谱中，分子所具有的特征频率处将出现吸收带。在光的吸收过程中发生 能量的转移。根据量子理论，分子从光线中所吸收的光子能量可由下式表示m 】 e p = h v = h c 兄 ( 2 1 ) 8 式中：既光子能量； h 一普朗克( p l a n k ) 常数； 1 l ，一光的频率； 力一光的波长； c 一真空中的光速。 2 2 2 荧光的发射及发射光谱 一些物质的分子在室温时处在基态的最低振动能级，当物质被光线照射时，该物 质的分子吸收了和它所具有的特征频率相一致的光线，由原来的能级跃迁至第一电子 激发态或第二电子激发态中各个不同振动能级和各个不同转动能级3 4 1 ，如图2 1 中的 ( a ) 和( b ) 所示。某些分子的振动能级型式较为简单，在它的吸收光谱的第一吸收带中呈 现许多明晰的吸收峰，这些峰相当于由基态至第一电子激发态中各个不同振动能级的 跃迁。大多数多原子分子有机化合物的振动能级的型式较为复杂，在它们的吸收光谱 中由基态至第一电子激发态中各个不同振动能级的跃迁只呈现一个较宽阔的吸收带， 而不能分辨出许多细小的吸收峰，由基态至第二电子激发态各个振动能级的跃迁则呈 现另一个宽阔而波长较短的吸收带。 j l jl 上 上 ( b ) 。 ( c ) 吸 无 光 辐 射 辱、r jl - m e jl 上 。 j l 上，、。 l ( a ) 一 一 ( d ) 螂 妻t 罢 吸荧 射f 一研 菇一。 裳，： * 1 r 1r j 仄 * 兀1r 过 ， 1 r 1 ， 1r1r1 r 3 2 单线第二 l 电子激发态 v - - o ： 单线第一 i 电子激发态 v = o 三重线态 3 ； 单线基态 v - = o 图2 1 吸收光谱和荧光光谱能级跃迁不意图 大多数分子在吸收光后被激发至第一或以上的电子激发态的各个振动能级，而后 急剧降落至第一电子激发态的最低振动能级，在这一过程中它们和同类分子或其它分 子撞击而消耗了相当于这些能级之间的能量，因而不发光，如图2 1 中的( c ) 所示。 由第一电子激发态的最低振动能级继续往下降落至基态的各个不同振动能级时，则以 荧光的形式释放能量，如图2 1 中的( d ) 所示。 荧光的发生由第一电子激发态的最低振动能级开始，与荧光物质分子被激发至哪 9 一个能级无关，也就是说荧光光谱的形状和激发光的波长无关。其次，吸收光谱中第 一吸收带的形成是由于该物质分子由基态被激发至第一电子激发态中各个不同能级， 所以吸收光谱的第一吸收带的形状决定于第一电子激发态中能级的分布。荧光光谱的 形成是由于激发分子由第一电子激发态中最低振动能级降落至基态中各个不同能级， 所以荧光光谱的形状决定于基态中能级的分布。基态中能级的分布和第一电子激发态 中能级的分布情况相类似，荧光光谱的形状和吸收光谱极为相似。在相当于由基态中 最低振动能级跃迁至第一电子激发态各个振动能级的吸收峰中，第一电子激发态的振 动能级越高，两个能级之间的差距越大，吸收峰的波长越短；相反地，在相当于由第 一电子激发态的最低振动能级降落至基态各个振动能级的荧光峰中，基态的振动能级 越高，两个能级之间的差距越小，荧光峰的波长越长。荧光光谱和吸收光谱的形状虽 然相似，却呈镜象对称关系。大多数荧光物质的荧光光谱只有一个荧光带，不象吸收 光谱具有几个吸收带。这是由于吸光时分子可由基态跃迁至几个不同的电子激发态， 因而吸收光谱中呈现几个吸收带。发出荧光时仅由第一电子激发态的最低振动能级降 落至基态，所以荧光光谱只呈现一个荧光带。 某些物质的分子在被激发光激发至较高的能级并通过无辐射跃迁降落至第一电子 激发态的最低振动能级之后，并不继续直接降落至基态，它们通过另一次无辐射跃迁 至一个中间的亚稳的能态一三重线态，如图2 1 中的( e ) 所示。这种跃迁的特征是单 线态的一对具有配对的自旋的不饱和电子转变为三重线念的不配对的自旋电子。这些 分子在三重线态稍事逗留后，再发出辐射而下降至单线基态各振动能级，所发出的辐 射为磷光，如图2 1 中的( f ) 所示。因自三重线态降落至单线基态时所给出的能量比 由单线第一电子激发态的最低振动能级直接降落至单线基态时所给出的能量小些，磷 光的波长比荧光的波长稍微长些。 如将温度降低，则由三重线态降落至单线基态的时间将延迟，如在很低的温度下， 则这些分子可能被“冻结在三重线态上。某些分子在跃迁至三重线态之后，通过热 激活作用可以再回到第一电子激发态的各振动能级，然后再由第一电子激发态的最低 振动能级降落至基态而发生荧光，这种荧光为迟滞荧光，如图2 1 中的( g ) 和( h ) 所示。 荧光物质发生荧光的过程可分为四个步骤p 4 1 ： ( 1 ) 处于基态最低振动能级的荧光物质分子受到紫外线的照射，吸收了和它所具有 的特征频率相一致的光线，跃迁到第一电子激发态的各个振动能级； ( 2 ) 被激发到第一电子激发态的各个振动能级的分子，通过无辐射跃迁，降落到第 一电子激发态的最低振动能级； ( 3 ) 降落到第一电子激发态的最低振动能级的分子，继续降落到基态的各个不同振 动能级，同时发射出相应的光量子，即荧光； ( 4 ) 到达基态的各个不同振动能级的分子，再通过无辐射跃迁最后回到基态的最低 振动能级。 发生荧光的第一个必要条件：该物质的分子必须具有与所照射的光线相同的频率。 1 0 分子具有什么样的频率与它们的结构密切相关。发生荧光必须有吸收结构。发生荧 光的第二个必要条件：吸收了与其本身特征频率相同的能量之后的分子，必须具有高的 荧光效率。许多会吸光的物质并不一定会发生荧光，就是由于它们的吸光分子的荧光 效率不高，而将所吸收的能量消耗于与溶剂分子或其他溶质分子之间的相互碰撞的缘 故。 2 2 3 荧光发射光谱特性 在某一固定的激发波长下，扫描发射荧光的波长进行荧光测量所获得的荧光强度 随发射波长变化的关系曲线称为荧光发射光谱，简称荧光光谱。它反映了在相同的激 发条件下，物质分子在不同波长上发射荧光的相对强度。由于振动弛豫和溶剂分子的 作用使其能量受到损失，分子的荧光发射波长总是大于其相应的吸收( 或激发) 光谱 的波长。这种荧光发射波长位移的现象称为s t o k e s 位移。由于分子的吸收光谱一般取 决于相关激发念的能级分布情况，分子的荧光光谱代表了基态能级的分布情况。而通 常分子的基念和第一激发单重态的振动能级结构类似，因此，大多数化合物分子的荧 光发射光谱与其吸收光谱存在近似镜像对称关系。即荧光光谱为吸收光谱照在镜子中 的象，但又比吸收光谱缺少了一些短波长的吸收峰，如图2 2 所示。荧光光谱对于荧 光分析具有特定的意义。 长l l m 图2 2 原油激发光谱( a ) 和荧光光谱( b ) 特性曲线 2 3 荧光分析法应用及特点 分予在吸收激发光之后，通过振动弛豫回到第一激发电子态的最低振动能级，由 此向下的跃迁才可能产生荧光，因此，荧光的波长一般要比激发光的波长长，这为用 荧光方法来分析物质浓度提供了方便，只要通过有效的措施就可以避开激发光而只让 荧光透过，使得信号在零背景下被测量。荧光分析法又称分子荧光光谱法或荧光光谱 法。它以物质所发射的荧光强度与浓度之间的线性关系为依据进行定量分析及以荧光 光谱的形状和荧光峰对应的波长进行定性分析。 2 3 1 荧光分析法的应用 近年来，荧光分析技术已被广泛地应用在工业、农业、医药、卫生和科学研究各 个领域中，利用某些物质被紫外光照射后所发生的、能够反映出该物质特性的荧光， 以进行该物质的定性分析或定量分析。 1 荧光定性分析 荧光定性分析常采用直接比较法，即将试样与己知物质并列于紫外光之下，根据 它们所发出的荧光的性质、颜色和强度，来鉴定他们是否含有同一荧光物质。这种鉴 定法不限于固体试样，也可用于液体试样，也可将试样和已知物质在数种不同溶剂中 配成各种不同浓度和不同酸度的溶液而加以比较。 荧光物质特性的光谱包括激发光谱和荧光光谱两种。在分光光度法中，被测物质 只有一种特征的吸收光谱，而荧光分析法能测出两种特征光谱，因此，鉴定物质的可 靠性较强。当然，必须在标准品对照下进行定性。 2 荧光分析法的定量测定方法较多，可分为直接测定法和间接测定法两类。 ( 1 ) 直接测定法 利用荧光分析法对被分析物质进行浓度测定，最简单的便是直接测定法。某些物 质只要本身能发荧光，只须将含这类物质的样品作适当的前处理或分离除去干扰物质， 即可通过测量它的荧光强度来测定其浓度。具体方法有两种。 a ) 直接比较法。直接比较法是荧光定量分析最基本的方法，配制标准溶液的荧光 强度f x ，已知标准溶液的浓度c s ，便可求得样品中待测荧光物质的含量。如果空白溶 液的荧光强度调不到零，则必须从f s 和f x 值中扣除空白溶液的荧光强度f 。，然后进 行计算。 b ) 标准曲线法。标准曲线法是荧光定量分析经常采用的方法，将己知含量的标准 品经过和样品同样处理后，配成系列标准溶液，测定其荧光强度，以荧光强度对荧 光物质含量绘制标准曲线。再测定样品溶液的荧光强度，由标准曲线便可求出样品中 待测荧光物质的含量。为了使各次所绘制的标准曲线能重合一致，每次应以同一标准 溶液对仪器进行校正。如果该溶液在紫外光照射下不够稳定，则必须改用另一种稳定 而荧光峰相近的标准溶液来进行校正。 ( 2 ) 间接测定法 有许多物质，它们本身不能发荧光，或者荧光量子产率很低，仅能显现非常微弱 的荧光，无法直接测定，这时可采用侑j 接测定方法。间接测定方法有以下几种： a ) 化学转化法。通过化学反应将非荧光物质变为适合于测定的荧光物质。例如金 属与螯合剂反应生成具有荧光的螫合物。有机化合物可通过光化学反应、降解、氧化 还原、偶联、缩合或酶促反应，使它们转化为荧光物质。 b ) 荧光猝灭法。这种方法是利用本身不发荧光的被分析物质能使某种荧光化合物 的荧光猝灭的性质，通过测量荧光化合物荧光强度的下降，间接地测定该物质的浓度。 c ) 敏化发光法。对于很低浓度的分析物质，如果采用一般的荧光测定方法，其荧 光信号太弱而无法检测，可使用一种物质( 敏化剂) 以吸收激发光，然后将激发光能 传递给发荧光的分析物质，从而提高被分析物质测定的灵敏度。 2 3 2 荧光分析法的特点 荧光分析法与其它化学分析方法( 如比色法、分光光度法等) 相比，具有如下特 占【4 5 、4 6 1 ， 、i 1 灵敏度高 荧光分析法的最大特征是具有很高的绝对灵敏度。在一定的条件下是其它光谱法 所不及的。它的最低检出限在质量分数为1 0 。6 - - 一1 0 9 数量级之间，对荧光效率高的物质 甚至可以达到质量分数为1 0 1 1 数量级。荧光分析的灵敏度比紫外一可见分光光度法的 灵敏度高2 - - , 4 个数量级。因此，荧光分析法适于对有机物或无机元素的极其微量分析 测定。由于荧光光谱灵敏度除与被测物有关外，还和入射光强度及光度计的灵敏度有 关，可以通过增大入射光强度提高分析灵敏度。而吸收分光光度法几乎与入射光的强 度无关。 2 选择性高 选择性高是荧光分析法的另一特征。荧光是由于物质分子吸收一定波长的辐射能 后，从激发念向基念跃迁时发出的光。然而能够吸收光的物