仪器分析

化学发光及相关化学计量学方法的研究2010年12月5日化学发光分析法具有灵敏度高、线性范围宽、分析速度快以及仪器设备相对简单等诸多优点，近年来在无机物、生物活性物质、有机痕量和超痕量分析领域得到了广泛应用。然而，由于其选择性差，限制了该方法在复杂样品分析中的应用。目前解决该问题的途径多是将化学发光分析与高效液相色谱、气相色谱、毛细管电泳等分离技术相结合，然而分离条件往往和化学发光反应条件不相匹配，大大影响了光发射，从而导致方法的灵敏度降低、线性范围变窄等。这些联用方法所需仪器昂贵、操作复杂，因而未能很好的推广应用。1研究背景近年来，多元校正技术如主成分回归(PCR)、偏最小二乘(PLS)、人工神经网络(ANN)及卡尔曼滤波(KF)等与传统分析方法相结合，为复杂体系中多组分的同时测定提供了一种简单、快速的方法。将化学计量学中多元校正方法应用到化学发光分析中，既保留了化学发光灵敏度高、简单、快速的优点，又不需要昂贵的仪器和复杂的分离过程，从一定程度上解决了传统化学发光选择性差的问题扩大了化学发光的应用范围，为化学发光研究开拓了一个新的方向。1研究背景2化学发光分析化学发光分析法是借助化学发光现象而建立起来的一种分析方法，此方法不需要复杂的仪器，不需要光源和色散装置，没有光学分析方法中常见的散射光和杂散光的干扰，大大提高了信噪比，因而具有灵敏度高、线性范围宽的优点。化学发光(chemiluminescence，CL)是产生于化学反应过程中的一种光辐射。其发光机理是：化学反应的反应物或生成物吸收了反应释放的化学能由基态跃迁至电子激发态，再由激发态的最低振动能级返回基态，同时将能量以光辐射的形式释放出来，产生化学发光。2.1化学发光分析的基本机理2.2常见的化学发光体系2.2.1鲁米诺发光体系鲁米诺(3-氨基-邻苯二甲酰肼)的化学发光反应是1928年Albrecht[1]首先发现并报道的。迄今为止，它是研究最早、最多、应用最广泛的发光试剂。它的性质稳定，易于合成，有较高的发光量子产率，已得到深入的研究和广泛的应用。在碱性条件下，它能被许多氧化剂(H202、02、K3Fe(CN)6、KI04、CIO-、KMn04、K2S208等)氧化而发出425nm的蓝光。2.2.2光泽精和吖啶酯类发光体系1935年Glue等人首次合成并发现了光泽精(N,N-二甲基吖啶硝酸酯)的化学发光特性，现在它已经成为应用最为广泛的化学发光试剂之一。在碱性介质中，光泽精可被H202氧化生成N-甲基吖啶酮，发出470nm的光，发光可持续数分钟．光泽精发光体系可用于测定金属离子、抗坏血酸、碱性磷酸酶、多巴胺、儿茶酚胺、异丙肾上腺素、四环素及葡萄糖苷酸等。后来，又发现许多吖啶类化合物均具有发光特性，其中研究最多的是吖啶酯化合物。2.2常见的化学发光体系2.2.3高锰酸钾化学发光体系1920年，Grinberg首次将酸化的高锰酸钾用作化学发光试剂。在过氧化氢存在下研究了连苯三酚的氧化。2001年Barnett等详细综述了酸性高锰酸钾化学发光体系的分析应用。最近他们又提出了酸性高锰酸钾化学发光体系的发光机理，认为这类化学发光是化学反应诱导的激发态Mn(Ⅱ)的磷光，类似于固态Mn(Ⅱ)4T1→6A1的转换。2.2常见的化学发光体系高锰酸钾化学发光反应可以分为两类。第一类是直接与高锰酸钾反应产生化学发光。由于高锰酸钾氧化性很强，能够氧化许多含有不饱和键、羟基、氨基等基团的药物，产生具有荧光的中间体或产物，另一类是增敏剂增强高锰酸钾化学发光。在酸性介质中，高锰酸钾氧化一些物质产生化学发光，但灵敏度一般较低，通常需要在体系中加入增敏剂，能够接受反应产生的能量，并以光辐射的形式释放出去。2.2.3高锰酸钾化学发光体系2.2常见的化学发光体系2.3化学发光最新进展2.3.1纳米粒子在化学发光分析中的应用张新荣研究小组发现，当一些醇、醛和酮类有机气体通过具有催化活性的纳米粒子表面(例如Ti02、Zr02、BaC03、SrC03)时，能够产生强烈的化学发光。据此，设计了一系列测定乙醇、乙醛、氨、硫化氢、丁酮等的纳米材料化学发光传感器。王周平等研究了纳米晶体CdTe的化学发光性质，研究表明，在碱性水溶液中，氧化剂可以直接氧化CdTe发光，且随着晶体尺寸的增加，发光强度也增大；当加入一定浓度的表面活性剂CTAB和环糊精时，化学发光强度又会增加。2.3.2化学发光显微成像技术的研究仪器分析通常以信号形式提供样品体系的间接信息，而成像技术提供直观图像，这对生物分析、医学临床诊断等显得更为方便。显微成像技术利用单光子检测，进一步提高了化学发光检测的灵敏度。2.3化学发光最新进展2.3.3后化学发光反应的应用研究吕九如等研究发现，当将一些物质注入某些化学发光反应结束后的溶液中时，又能引发一个新的化学发光反应。他们将这种奇特的化学发光现象称为后化学发光现象，相应的化学发光反应称为后化学发光反应。后化学发光现象是化学发光研究的一个新领域，具有普遍性，对此反应的深入广泛研究必将对化学发光的研究产生重大影响。2.3化学发光最新进展3化学计量学方法3.1化学计量学概况化学计量学(Chemometrics)是一门化学与统计学、数学以及计算机科学交叉所产生的新兴的化学学科分支，它综合运用数学、统计学、计算机科学以及其它相关学科的理论与方法，优化化学量测过程，并从化学量测数据中最大限度地提取有用的化学信息，是一门化学量测的基础理论与方法学。3.2常见的几种多元矫正方法及其应用3.2.1主成分回归(PrincipalComponentRegression，PCR)主成分回归法的产生是基于对P-矩阵法的一种改进，它可以分为两步：(1)确定主成分数，并由主成分分析将量测矩阵X降维；(2)对于降维的X矩阵再进行线性回归分析。主成分回归法既保持了P-矩阵法可进行实验设计和一步计算之优点，又无须丢失大部量测信息，损失估计准确性，是一种很好的间接校正方法，近年来在化学计量学中得到了广泛的应用3.2.2卡尔曼滤波法(KalmanFilter,KF)卡尔曼滤波法在60年代初由Kalman等人提出，是递归型的线性状态估计方法KF的基本思想是在状态模型、量测模型和预测模型基础上根据获得的新数据对前面旧量测数据所得估计值不断的进行修正，进而预测新的估计值，即“新估计值=旧估计值+修正值”。KF是借助递推算法解决线性参数统计问题的有效方法。KF是借助递推算法解决线性参数统计问题的有效方法。通过递推算法，从一系列带有误差的实测数据中分离出各种所需要量的估计值，与分析化学中测量数据处理在本质上是一致的。3.2常见的几种多元矫正方法及其应用3.2.3偏最小二乘法(PartialLeastSquares，PLS)PLS最显著的特点是：同时对X矩阵和Y矩阵逐个主成分提取有用信息，直到一定主成分时建立线性回归模型，即对X矩阵进行特征值分析，消除X矩阵中的无用信息，同样，Y矩阵中也包含了无用信息，也做同样的处理，其数学模型为：X=TP+E(1)Y=UQ+F(2)式中：T和U为X和Y的得分矩阵；P和Q为X和Y的载荷矩阵；E和F为运用偏最小二乘模型法去拟合X和Y所引进的误差。3.2常见的几种多元矫正方法及其应用在实际分析中，X中误差与Y中误差并不相关，因而T≠U,但当两个矩阵同时用于确定因子时，则X和Y的因子具有如下关系：U=BT+e(3)式中B即为关联系数矩阵：B=TU(T，T)-1(4)3.2.3偏最小二乘法(PartialLeastSquares，PLS)3.2常见的几种多元矫正方法及其应用4化学计量学方法在化学发光分析中的应用4.1同时测定葡萄糖和果糖根据葡萄糖和果糖混合溶液的发光强度，利用PLS方法构建线性预测模型，从而对二者的浓度进行预测分析。这时，变量X指混合溶液的发光强度量测值矩阵，变量Y指相对应的二元组分浓度矩阵。X和Y之间的关系可表示为：Y=k0+k1X1+k2X2+…+knXn将多元校正方法应用到Co2+和Cr3+两组分同时测定中。基于Co2+和Cr3+催化Luminol-H202发光反应的速率不同，采用静态注射的方式得到发光强度-时间曲线。从曲线可以看出，Co2+和Cr3+发光信号的上升过程相似。但衰减过程不同，Co2+比Cr3+的发光信号下降更快。基于此，应用偏最小二乘校正模型，对合成水样和标准水样中的Co2+和Cr3+进行了同时测定。在另一工作中，仍然基于Co2+和Cr3+催化Luminol-H202发光反应，采用两种停流模式获得发光动力学曲线，一种是流动注射进样-停流模式；另一种是连续流动进样-停流模式。应用偏最小二乘法和H-点标准加入法(HPSAM9)对水样中的Co2+和Cr3+进行预测，发现后一种模式的预测效果较好。4.2同时测定两种金属元素李保新研究小组在这方面作了很多工作。他们发现在碱性介质中，Co2+和Cu2+均可催化Luminol-H202化学发光反应，但Co2+和Cu2+的催化动力学及二者在体系中扩散过程不同，导致两者催化产生的流动注射曲线有很大的区别，通过测量流动注射曲线上不同位置的化学发光强度，用偏最小二乘法(PLS)建立校正模型并进行预测，建立了同时测定Co2+和Cu2+的流动注射化学发光分析法。另外，根据Co2+和Cr3+两离子的催化活性随pH的变化(逐步升高)有显著的差异，通过测量不同pH值的化学发光强度，将偏最小二乘法(PLS)引入流动注射化学发光分析，实现了不经分离进行Co2+和Cr3+混合物的同时测定。4.2同时测定两种金属元素4.3同时测定药物这方面的应用研究较少，李保新研究小组做了此方面的研究工作。维生素C和半胱氨酸均可定量还原Fe(Ⅲ)生成Fe(Ⅱ)，而二者与Fe(Ⅲ)的反应速率相差较大，利用Fe(Ⅱ)-02-Luminol化学发光体系测定还原生成的Fe(Ⅱ)以确定维生素C和半胱氨酸的含量。通过测量不同反应时间的化学发光强度，用偏最小二乘法(PLS)建立校正模型并进行预测，实现维生素C和半胱氨酸的同时测定。5发展前景在当前的化学发光研究中，主要有两大方向：一方面人们在不断地寻找新的高灵敏度化学发光体系，拓宽化学发光分析的应用范围；另一方面人们将化学发光分析法与其它技术联用，以提高化学发光分析的选择性。把化学计量学中多元校正方法引入到化学发光分析中，同时兼顾了化学发光的高灵敏度和化学计量学在数据处理方面的优势，从一定程度上解决传统化学发光选择性差的问题，为化学发光研究开拓了一个新的方向，使化学发光分析方法更加丰富，应用范围更加广泛。同时，化学计量学与化学发光的结合将促进化学计量学自身的发展，对化学计量学提出了更高的要求，从而促进新的化学计量方法的产生。