毛细管微池激光热透镜光谱分析方法研究

刘 蓉，闫宏涛

(西北大学化学与材料科学学院，陕西西安 710069)

基于辐射场与物质相互作用建立和发展起来的激光光谱分析技术和方法，为人们深入研究化学、物理、环境和生命科学等领域的问题提供了有力的分析方法和手段。激光热透镜光谱分析法(Laser Thermal Lens Spectrometry，LTLS)是基于热透镜效应建立和发展的一种高灵敏度激光光热光谱分析技术[1]。它以其高灵敏应用于众多领域样品的分析测定，成为一种具有广阔发展前景的光谱分析方法[2,3]。

微量样品高灵敏度的光谱分析方法的研究与发展，对于分析科学具有重要的实用价值。本文报道了毛细管微池激光热透镜光谱分析方法研究。基于激光热透镜光谱分析高灵敏度特性，采用毛细管为测定微池，建立了毛细管微池激光热透镜光谱分析方法。探讨了毛细管微池光散射及其在光路位置特征和有机溶剂增强效应，理论上给出了毛细管微池激光热透镜光谱分析理论表达式，并分别应用于土壤和水样中痕量磷、孔雀石绿含量的测定，取得了满意的结果。

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

UV-2550紫外-可见分光光度计(日本，岛津公司)；MRL-FN激光器(可调输出激光能量为0～200 mW，中科院长春激光有限公司)；PM激光能量计(中科院长春激光有限公司)。毛细管微池：玻璃毛细管(长115 mm，直径Ф1.3 mm，华西医科大学)。

激光热透镜光谱分析仪示意图如图1[4]。 采用MRL-FN激光器为光源(λ671 nm)，入射于样品毛细管激光能量为 50 mW。激光器输出激光光束，经光束调制器调制为260 Hz的激光光束，聚焦后入射于样品毛细管微池，产生热透镜效应。通过毛细管微池样品的激光束，经0.1 mm光栏，由光电器件接收，放大，显示并记录激光热透镜光谱信号强度。实验测定过程采用PM激光能量计实时监测激光输出能量。

NaH2PO4(西安化学试剂厂)，(NH4)2MoO4(天津市化学试剂四厂)，H2SO4(四川南陇化工有限公司)，硫脲(西安化学试剂厂)，抗坏血酸(天津市光复精细化工研究所)，丙酮(天津市富宇精细化工有限公司)，孔雀石绿(天津市大茂化学试剂厂)，Triton-X 100(Solarbio,Beijing)，十六烷基三甲基溴化铵(天津市光复精细化工研究所)，NaCl(天津市傅迪化工有限公司)。实验所用试剂均为分析纯，水为二次蒸馏水。

1.2 毛细管微池测定装置

激光热透镜光谱分析仪中毛细管微池测定装置如图2所示，它是由毛细管及其有机玻璃固定支架(120 cm×365 mm×105 mm)构成。固定支架入射光孔为3.5 mm2(10×0.35 mm)。实验测定中，采用毛细管微池直接移取样品溶液。然后，将毛细管微池置于激光热透镜光谱仪的毛细管微池固定支架上进行测定。

1.3 实验方法

1.3.1钼蓝法测定磷准确移取一定体积磷标准溶液(或待测样品溶液)于容量瓶中，依次分别加入1.5 mL 0.0205 mol/L (NH4)2MoO4溶液，1.0 mL 0.125 mol/L H2SO4，1.0 mL 2%抗坏血酸-硫脲混合溶液，再用丙酮定容至10 mL。显色反应20 min后，用毛细管吸取测定溶液置于毛细管微池固定支架，进行激光热透镜光谱分析测定。

1.3.2浊点萃取测定孔雀石绿准确移取一定量孔雀石绿标准溶液(或待测样品溶液)至10 mL的离心管中，依次分别加入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铵溶液，2 mL 3.00 mol/L NaCl溶液，调节pH=3。65 ℃恒温水浴反应15 min，两相完全分离后，冰水冷却，以毛细管微池自动吸取表面活性剂相，测定热透镜信号强度STLS。

2 结果与讨论

2.1 毛细管微池激光热透镜光谱分析理论表达式

激光热透镜光谱分析是基于热透镜效应建立和发展的一种高灵敏度激光光热光谱分析技术。当一束高斯强度分布的特征波长激光入射毛细管样品微池，样品溶液分子吸收激光辐射，以无辐射弛豫形式将其全部或部分能量转化为热，于是在样品溶液内形成了高斯强度径向温度梯度分布，从而诱导样品溶液的折射率温度指数(dn/dT)发生变化，形成了热透镜效应。其瞬态焦距f(t)和稳态焦距f(∞)分别由下式给出[5]：

f(t)=f()

(1)

f()

(2)

(3)

式(3)中，k为样品的导热系数(W·cm-1·K-1)，dn/dT为样品折射指数的温度系数(K-1)，A为样品溶液的吸光度，ω为样品池中激光束的半径(cm)，P为入射激光的功率，tc为特征时间常数(s)，ρ为溶剂的密度(g·cm-1)，CP为溶剂的比热(cal·g-1·K-1)。

对于大多数液体，其折射指数的温度系数dn/dT为负值，从而使得通过毛细管微池样品溶液的激光束扩散，即产生热透镜效应。测定激光束扩散前后中心光强的相对变化则可得到待测样品溶液的浓度。

因为[6]

(4)

(5)

(6)

式中，Z1是束腰至样品池的距离，Z2是样品池至透镜L2的距离，Z3是透镜L2至用于测量光束中强度Ibc的光电检测器(置于针孔处)之间的距离，Zc是共焦矩；f2为焦距。

(7)

(8)

(9)

令E为灵敏度增强系数，即E=-P(dn/dT)/λk，则

(10)

式(10)即为毛细管微池激光热透镜光谱分析基本关系式。

在弱吸收(低浓度)溶液的条件下，热透镜稳态焦距f1(∞)较大，则(10)式中的二次项可以忽略，于是

(11)

式(11)即为毛细管微池激光热透镜光谱分析的理论公式。与文献[8，10]等结果一致。

对于一定的测定溶液系统，K为常数。表明在一定的入射激光能量下，激光热透镜信号强度与样品溶液吸光度A呈线性关系，即与待测样品溶液浓度呈正比。

2.2 毛细管微池光反射的消除

实验中采用重量法测量了毛细管微池样品溶液体积，即以水为标准，准确称取毛细管微池移取样品前、后重量进行计算。结果表明毛细管微池样品溶液体积为7.6 μL。结果表明采用毛细管样品微池，所需样品溶液用量约为通常采用光度法测定池样品量的25%(以样品池加入3 mL样品溶液计)。适用与液-液微萃取、浊点萃取等检测联用进行热透镜光谱分析测定。

实验测定中是将毛细管样品微池置于激光热透镜光谱仪光路。为了消除样品毛细管微池凸面光反射对于测定的影响，实验中将图2所示样品毛细管固定支架表面镀黑，并在固定支架光束出射面设置一光栏(0.1 mm)，从而达到了有效地消除毛细管微池凸面光反射对于实验测定的影响。

2.3 毛细管微池的光路位置特征

2.4 有机溶剂增强效应

激光热透镜光谱分析，热透镜信号强度不仅与待测样品溶液分析物的光吸收有关，亦与待测样品溶液的热物理特性密切相关。理论研究表明采用加入与水混溶的有机溶剂能有效地改变测定溶液热物理特性，增强热透镜信号强度[10 - 12]。实验探讨了5种常用与水混溶的有机溶剂及其不同混合体积比对于激光热透信号强度的增强作用，结果表明这5种有机溶剂的激光热透镜信号强度增强效应依次为：丙酮>乙醇>乙腈>甲醇>异丙醇，其中以丙酮为最强，这是由于丙酮具有较高的热物理性质所致[13](灵敏度增强系数E为2360，λ632.8 nm)。而且样品溶液中有机溶剂所占比例越大，激光热透信号越强。实验中，当有机溶剂与测定溶液混合比大于1∶2(V∶V)后，其热透镜信号强度增长趋势减缓；而且加入丙酮的比例过大，热透镜信号信噪比变差。综合考虑，实验选择丙酮/水混合比为1∶2(V∶V)。

2.5 方法应用

2.5.1钼蓝法测定磷磷的测定对作物的优质高产以及环境水质监测具有十分重要意义[14 - 16]。采用研究建立的毛细管微池激光热透镜光谱法进行了土壤和水样中磷含量的测定。实验采用抗坏血酸-硫脲混合还原剂，有效地提高了钼蓝法测定磷的稳定性。分别考察了钼酸铵、抗坏血酸-硫脲混合还原剂的浓度，反应酸度、时间以及各试剂加入顺序对测定的影响。在优化条件(1.5 mL 0.0205 mol/L (NH4)2MoO4溶液，1.0 mL 0.125 mol/L的H2SO4，1.0 mL 2%的抗坏血酸-硫脲混合溶液，反应时间20 min)下，磷浓度在0.1～2.0 μg/L范围内与热透镜信号强度STLS呈线性关系，线性方程为：STLS=3.2959c+1.1881，相关系数(R)为0.9969，检测限(3σ/k)为0.06 μg/L。应用于水样和土壤中磷的测定，结果如表1所示。分光光度法采用加入3 mL样品溶液于1 cm样品池进行测定。与分光光度法测定结果进行对比，两种检测方法测定结果基本一致，回收率在97.0%～104.7%之间。

表1 样品中磷的测定结果(n=3)

2.5.2浊点萃取测定孔雀石绿实验采用浊点萃取与毛细管微池激光热透镜光谱法结合，进行了水样中孔雀石绿的测定。在优化条件(0.3 mL 0.25 mol/L Triton-X 100,0.4 mL 5%十六烷基三甲基溴化铵,2 mL 3.00 mol/L的NaCl，65 ℃，pH=3萃取15 min)下，采用本文方法进行测定。结果表明孔雀石绿浓度在0.4～5.0 μg/L范围与热透镜信号强度STLS呈线性关系，线性方程为:STLS=1.76871c+1.48179，相关系数(R)为0.9918。应用于鱼塘水样中孔雀石绿的检测，样品中未检出。加入回收率在96.5%～108.2%之间，结果见表2。

表2 样品中孔雀石绿的测定结果(n=3)

3 结论

采用毛细管微池取代常规的样品测定池，研究并建立了毛细管微池激光热透镜光谱分析方法，分析了毛细管微池激光热透镜光谱分析的理论表达式，实验探讨该方法的参数并优化了实验条件。应用该方法于土壤、水样实际样品中磷和孔雀石绿的含量测定，取得了满意结果。研究建立的毛细管微池激光热透镜光谱分析方法，所需样品溶液为微升级，减少了试剂用量，特别是适用与液-液微萃取、浊点萃取等分离富集方法结合进行分析。对于微量样品的分析测定以及激光热透镜光谱分析在绿色分析化学中的应用具有实际应用价值和积极的促进作用。