中国原子光谱发展近况概述

原子光谱技术作为现代分析检测技术中的一个重要组成部分,在分析领域中占据着举足轻重的地位,而其发展也反映了分析技术的不断改革与创新。综述了中国原子光谱技术近15年来(2000年—2014年)的研究与应用进展。内容涉及原子光谱的多个分支领域,包括原子发射光谱(atomic emission spectrometry,AES),原子吸收光谱(atomic absorption spectrometry,AAS),原子荧光光谱(atomic fluorescence spectrometry,AFS),X射线荧光光谱(X-ray fluorescence spectrometry, XRF)以及原子质谱(atomic mass spectrometry,AMS)五种原子光谱技术,重点关注各技术在检测方法上的创新及其在环境样品、生物样品、食品饮料以及地质材料等相关领域中的应用,并对原子光谱分析中利用到的各种联用技术进行了简要介绍。最后展望了今后我国原子光谱技术的发展方向。     

中国原子光谱技术及应用发展近况

原子光谱（atomic spectrometry,AS）技术作为分析领域一个重要的组成部分,是尖端科学快速发展的助推器。随着国家对高新技术的愈加重视,国内的分析检测技术也在飞速发展,原子光谱技术作的发展则成为了极其重要的推动力。对中国原子光谱近4年（2015年-2018年）的研究成果与应用进展做了一个综述,内容主要分为六大部分：原子发射光谱（atomic emission spectrometry, AES）包括电感耦合等离子体发射光谱（inductively coupled plasma optical emission spectrometry, ICP-OES）,辉光放电发射光谱（glow discharge optical emission spectrometry, GD-OES）,介质阻挡放电发射光谱（dielectric barrier discharge optical emission spectrometry, DBD-OES）和激光诱导击穿光谱（laser induced breakdown spectrometry, LIBS）;原子吸收光谱（atomic absorption spectrometry, AAS）包括火焰原子化吸收光谱（flame atomic absorption spectrometry, FAAS）,石墨炉原子化吸收光谱（graphite furnace atomic absorption spectrometry, GFAAS）和氢化物发生原子吸收光谱（hydride generation atomic absorption spectrometry, HGAAS）;原子荧光光谱（atomic fluorescence spectrometry, AFS）;X射线荧光光谱（X-ray fluorescence spectrometry, XRF）;元素质谱（elemental mass spectrometry, EMS）包括电感耦合等离子体质谱（inductively coupled plasma mass spectrometry, ICP-MS）,辉光放电质谱（glow discharge mass spectrometry, GDMS）,激光电离源质谱（laser ionization mass spectrometry, LIMS）和原子探针层析成像（atom probe tomography, APT）;原子光谱分析的联用技术。主要关注了各个技术及各种联用技术在仪器设备、检测方法、检测性能上的突破和创新,并简要介绍它们在电子、冶金、地质、环境、制药、食品、生命科学等多种领域中的应用。     

原子光谱分析的进展及其应用

文章综述了原子光谱领域分析仪器及分析方法的最新研究进展;例如原子吸收光谱(AAS)、原子发射光谱(AES)、原子荧光光谱(AFS)、激光诱导击穿光谱(LIBS)以及原子质谱(AMS)等,重点关注在食品、医药及其相关领域中的应用。近年出现的芯片实验室和微等离子体,促进了原子分析仪器的微型化发展,而激光及其联用技术在形态分析中的应用仍颇为流行。     

原子光谱/元素质谱在生命分析中的应用进展

原子光谱/元素质谱是元素分析的强有力手段,其在生命分析领域的应用也越来越广泛。在单细胞元素分析方面,相关研究工作主要关注元素在单细胞中的分布和形态变化;在元素标记策略分析领域,利用原子光谱（atomic spectrometry, AS）和电感耦合等离子体质谱（inductively coupled plasma mass spectrometry, ICP-MS）实现对小分子、核酸、蛋白质等目标分析物的高灵敏检测是研究热点;在金属药物分析领域,ICP-MS为研究金属药物在生物体中的摄入、分布、代谢和排泄等过程提供了便利,也为进一步阐明药物作用机理以及金属药物的设计和改进提供了数据支持;在生物元素成像领域,ICP-MS与激光剥蚀技术（laser ablation, LA）联用,可以对生物样品进行原位分析和微区分析,结合有机质谱实现元素相关生物过程的分子机制研究;与相关分离方法联用,原子光谱和元素质谱还可以对生物组织中元素进行形态分析,研究其在相关过程中的生物转化过程。本文从单细胞元素分析、元素标签标记策略、金属药物转运与代谢以及生物组织中元素分布分析等方面,评述了原子光谱和ICP-MS在生命分析中的应用实例,并对该领域的发展前景进行了展望。     

导数原子光谱分析新技术研究进展

本文评介了导数测量技术在原子光谱分析中的应用研究进展。介绍了常规原子光谱信号模型及其原子光谱信号的导数模型;讨论了原子发射光谱和原子吸收光谱分析导数测量新技术原理及其分析特性。介绍了导数原子光谱技术在生物样品、环境样品、药物分析、食品饮料、金属及合金样品痕量金属元素分析中的应用。基于信号强度随时间变化的新型导数原子光谱分析新技术较常规原子光谱分析,其灵敏度和基线稳定性显著提高、检出限明显改善,在痕量和超痕量金属元素分析领域有着广阔的应用前景。     

DBD在原子光谱领域内的应用进展

介质阻挡放电因其体积小、结构简单、能耗低、工作温度低、样品解离/激发能力强等显著特点,特别适合于分析仪器的微型化和便携化。目前,基于介质阻挡放电的原子化器或激发光源已成功应用于原子吸收光谱仪、原子荧光光谱仪和原子发射光谱仪中,促进了小型化原子光谱仪器的发展。总结了介质阻挡放电技术在原子光谱领域内的研究进展,着重阐述了介质阻挡放电-原子发射光谱系统在不同进样方式下的应用情况,分析了每种进样方式的优缺点。本文还对介质阻挡放电技术在诱导蒸气发生、固体直接进样方面的新应用方向进行了评述。虽然介质阻挡放电技术已在原子光谱领域内得到广泛的应用,但其反应机理仍然不明确,制约了其后续的拓展研究。     

拉曼光谱技术在药物分析领域的研究进展

拉曼光谱技术因其可有效避免样品中水的干扰、样品前处理简单、可快速无损分析以及表面增强拉曼可极大增强检测灵敏度等显著特点,在药物分析领域中的应用逐渐增多。本文旨在概述十几年来拉曼光谱技术在药物鉴别、药物定量分析、药物晶型分析、药物生产质控过程监测、药代动力学等方面的具体研究实例,对拉曼光谱技术在药物分析领域中的研究应用进行一次较为全面的综述,为之后该领域研究提供必要参考。     

激光诱导击穿光谱技术在气体检测中的研究综述

随着工业技术的发展,气体检测领域对在线检测仪器及检测技术的要求越来越高,气体成分在气体流动时会发生复杂变化,通常的检测手段傅里叶变换红外光谱技术（FTIR）、光腔衰荡技术（CRDS）、电化学传感等往往不能满足检测要求或仅对局部区域检测。激光诱导击穿光谱（LIBS）作为一种新兴的原子发射光谱分析技术,得到光谱分析领域研究者的广泛重视与研究。LIBS技术具备多元素同时检测、非侵入式、实时在线以及无需样品特殊制备等技术优势,已应用于固体、液体和气体的检测。在环境恶劣、干扰较大的气体制造及检测领域LIBS技术能够实时准确地进行检测。介绍了LIBS技术基本原理并描述等离子体物理特性的两个参数等离子体温度及等离子体电子数密度,针对LIBS技术在气体检测领域中的应用,从通过原子谱线强度比分析燃料的当量比、燃料混合气燃烧产物的气体组分、工业制造中作为保护气的氮气及稀有气体、温室气体和新能源气体的检测,以及与之相关的LIBS实验装置及实验方法的改进与优化等6个方面介绍了LIBS技术应用于气体检测领域的近些年国内外进展。对气体检测领域激光诱导击穿光谱研究的前景进行了展望。     

基于共振激发的激光诱导击穿光谱技术研究进展

激光诱导击穿光谱技术是一种新型的原子光谱分析技术,具有实时快速、 多元素同时分析和样品预处理简单等特点,从一出现便受到研究人员的广泛关注,但分析灵敏度差一直是限制该技术发展的重要因素。基于共振激发的激光诱导击穿光谱技术将原子荧光光谱技术和激光诱导击穿光谱技术结合,对目标元素进行选择性激发,可以大幅提高激光诱导击穿光谱技术的分析灵敏度,极大地拓展了LIBS技术在痕量元素检测领域的应用。本文综述了基于共振激发的激光诱导击穿光谱技术的研究进展,介绍了激光诱导等离子体中荧光光谱的产生过程以及基于共振激发的激光诱导击穿光谱技术的基本类型和基础原理,详细分析了烧蚀激光能量、 共振激发激光能量和波长、 烧蚀激光和共振激发激光之间的延时以及光谱采集门宽对光谱增强效果的影响,阐述了其在冶金、 环境监测、 同位素检测等领域的应用现状和存在的问题,并对其未来发展前景进行了展望。     

电火花诱导击穿光谱技术的发展及研究应用分析

电火花诱导击穿光谱(SIBS)技术是一种基于原子发射光谱学的物质浓度与成分的定性、定量分析技术。与传统的实验室分析技术如电感耦合等离子体原子发射光谱(ICP-AES)、原子吸收光谱(AAS)、质谱(MS)等相比具有实时、实地、在线快速检测、高灵敏度以及低成本、小体积、维护简单等优点。目前对该技术已有的研究集中在气溶胶成分分析、土壤成分分析、金属颗粒物浓度检测、水泥成分分析等方向,在环境监测、工业卫生、食品安全、生物医疗等领域都有广泛且良好的应用前景。从SIBS技术的基本原理入手,综述了其光谱分析的原理,即利用高压脉冲电源产生的电火花激发被测物体表面,使被测物体在电源正负极间产生等离子体,利用光谱仪光纤探头收集等离子体冷却过程中通过跃迁放出的光子与特征辐射谱线,由于不同元素具有独特的特征谱线,进而可以根据特征谱线对被测物质进行成分与浓度的定性和定量分析;接着分析了影响SIBS技术光谱图像和光谱分析的相关因素如脉冲电源参数、电极材料与入射角度和等离子体本身特性等,并定量地指出了部分因素与光谱信号强弱的关系;综述了该技术在发展过程中的一些技术革新和应用创新如激光+电火花诱导(LA-SIBS)...     

拉曼光谱技术在农产品质量安全检测中的应用

农产品的质量安全与我们老百姓的身体健康和生命安全密不可分。传统的化学检测方法具有需要样品前处理,操作过程复杂以及破坏样品等诸多缺陷。拉曼光谱技术作为一种分析、测试物质分子结构强有力的表征手段,可以快速实现样品的无损伤、定性定量检测分析。随着拉曼光谱技术的不断完善和应用范围的逐渐拓宽,拉曼光谱技术在农产品的质量安全检测中发挥着极其重要作用,并且具有广阔的应用前景。目前,已经有大量的基于拉曼光谱技术检测农产品质量安全的相关研究报道,为了解拉曼光谱技术的检测原理以及发展现状,并跟踪国内外最新研究进展,简述了拉曼光谱技术的基本原理及其发展、拉曼光谱检测装置,深入综述了拉曼光谱技术在果蔬、禽畜、粮食质量安全检测中的最新研究进展,指出了拉曼光谱技术应用在农产品质量安全检测中的现存的技术问题。另外,还简要介绍了国内外部分拉曼光谱仪的部分信息和便携式拉曼光谱仪专利申请状况,展望了该项技术的研究方向和应用前景。     

共振拉曼光谱技术应用综述

拉曼光谱是提供物质结信息的强有力工具。但由于拉曼散射信号弱,灵敏度低,因此应用范围受到限制。而在共振拉曼光谱(RRS)中,由于激发光源频率落在分子的某一电子吸收带内,分子吸收光子向电子激发态的跃迁变成了共振吸收,因此对入射光的吸收强度大大增加。与常规拉曼光谱相比,RRS能够提高信号强度的106倍。因此,RRS检测技术以其更高的灵敏度和选择性而具有更广的应用,特别是在生物学及医学等领域。如：(1)生物基质中的类胡萝卜素和叶绿素等色素分析;(2)细胞、蛋白质和DNA等有机物研究以及一些临床疾病诊断。RRS可以得到在常规拉曼光谱中隐藏的、更为重要的分子结构信息。RRS总是在很低的浓度下测试,且共振拉曼增强的谱线是属于产生电子吸收的基团,这对于有色物和生物样品尤为重要。因为很多这类样品的活性部位接近于生色基团,且研究对象往往是生物大分子的某一部分,所以在研究生物物质的结构和功能的关系时,RRS起着重要作用。近年来,由于光谱技术的发展使得RRS检测技术得到创新与延伸,如液芯光纤共振拉曼光谱和透射共振拉曼光谱等新技术的应用。通过对近几年有关RRS技术应用的原始论文、数据和主要观点进行归纳整理与分析提炼,介绍了RRS这一专题的历史背景和研究现状,分别对共振拉曼光谱的色素检测、生物检测和爆炸物检测等应用领域展开详细的综述,并介绍了相关新技术的发展应用。随着光谱技术的快速发展,RRS必将在科研领域拥有其他光谱技术不可取代的重要地位。     

拉曼光谱技术在食品质量安全检测中的应用

拉曼光谱技术具有样品无需前处理、操作简便、时间短、灵敏度高等优点,可获得样品的物理化学及深层结构信息,已广泛应用于石油化工、生物医学、地质考古、刑事司法、宝石鉴定等领域。拉曼光谱对水等极性物质极其不敏感,在食品质量安全检测方面具有良好的应用前景。论文简述了拉曼光谱技术的检测原理、分类以及系统的组成,综述了拉曼光谱技术在食品成分分析和农药残留检测中的最新研究进展,指出了该技术在食品质量安全检测中的关键技术并对今后的研究进行了展望。     

基于原子光谱法的元素形态分析技术进展

元素的形态分析在环境和生物分析中极其重要,因为元素在生物体内的作用及其代谢过程在很大程度上取决于元素存在的化学形态,而不仅仅是元素的总量。形态分析是指测定样品中构成元素总量的单独物理化学形式的浓度。最先进的形态分析方法是色谱分离和光谱检测的联用技术,特别是色谱和电感耦合等离子-质谱(ICP-MS)的联用。但是,联用技术的设备投入大、运行成本高,难以在常规实验室中的推广应用。在许多情况下,采用非色谱分离方法对样品进行处理,也可以得到足够的元素形态信息。基于非色谱分离、原子光谱测定的元素形态分析方法的费用低、操作简单、易于推广应用。本文总结了元素形态分析的样品前处理方法,综述了基于原子光谱法的元素形态分析中比较常用的非色谱分离技术,对溶剂萃取、浊点萃取、单滴微萃取、分散液液萃取等分离技术的原理、应用和优缺点进行了评述,介绍了固相萃取中常用的吸附剂及其在元素形态分离中的应用,以及氢化物发生、共沉淀等分离方法。相比于色谱分离方法,非色谱方法是快速、灵敏、廉价的分离技术。     

腔增强热里德伯原子光谱

高精度里德伯原子光谱在研究里德伯原子间的相互作用、里德伯能级结构、电磁场的精密测量等方面具有重要的应用价值,里德伯原子光谱对比度、信噪比的提高和线宽的压窄是获得高灵敏测量的基础.本文通过理论和实验研究了腔增强的里德伯原子光谱,与自由空间的光谱相比实现了在光谱线宽不变情况下11.5倍的光谱对比度和信噪比的提高.其原因是在双光子共振处产生的电磁诱导透明和光泵浦效应会导致腔内原子对探测光吸收的减弱,提高了光学腔的阻抗匹配效率,从而使进入腔内的光强增大,因此提高了里德伯原子光谱的对比度和信噪比,提高的倍数取决于探测光穿过原子的透射率.预期通过优化铯原子温度,光谱的对比度和信噪比能够提高23倍.本工作为提高里德伯原子光谱的对比度和基于里德伯原子的精密测量灵敏度提供了参考.     

拉曼光谱技术研究男性生殖生育

拉曼光谱通过记录光与物质作用时频率的改变,进而获得物质分子振动、转动信息,从而实现物质分子结构及其变化的检测。相比于常规生化检测分析方法,拉曼光谱技术具有无损、非标记检测及对检测样品要求低等优点。 拉曼光谱技术已广泛应用于生物医学领域的研究,如人体组织、器官、细胞以及人体体液的各种疾病诊断、检测研究。本文主要综述了拉曼光谱技术在人体精液的研究进展,首先介绍了拉曼光谱技术(包含表面增强拉曼光谱)在法医学领域针对精液整体开展的研究及相关的数据处理方法,然后重点介绍拉曼光谱在男性生殖生育方面的研究,即分别介绍了可客观反映精液质量及男性生殖生育能力的基于精液(精浆)拉曼光谱的定性和定量检测分析;另外,介绍了基于显微拉曼光谱技术开展的单精子水平的精子质量的刻画和评估,以及目前研究初步获得的有望用于优质精子判别的拉曼光谱标记指标,最后展望了拉曼光谱技术在生殖生育领域的应用发展前景。     

基于近红外光谱技术的秸秆工业分析

工业分析是生物质热化学工程技术中的一项常规应用分析。文章探讨了近红外光谱技术(NIRS)在秸秆工业组成分析上的应用,并利用近红外光谱技术预测了秸秆中挥发分和固定碳含量。利用Foss 6500光栅型近红外光谱仪在1 108～2 492 nm光谱范围内分别对直接切短秸秆样品中水分、灰分、挥发分和固定碳以及干燥粉碎样品中灰分、挥发分和固定碳的近红外光谱建立了预测模型。对于直接切短秸秆样品,水分、灰分、挥发分和固定碳校正模型外部验证的R2_V(SEP)分别为0.92(0.76%),0.94(0.84%),0.88(0.82%)和0.75(0.65%)。干燥粉碎样品中灰分、挥发分和固定碳的近红外光谱模型外部验证的R2_V(SEP)分别为0.98(0.54%),0.95(0.57%)和0.78(0.61%)。实验结果表明,近红外光谱技术能实现秸秆的快速分析和多组分同时测定, 从而可降低秸秆工业分析的成本。     

共振电离光谱学在分析上的应用——单个原子的检测

辨认和检测极少数量原子或分子的技术,几乎在各个科学领域中都会遇到.但只是在近年来才可能检测到低于100个原子/厘米~3. 激光光谱的最重要和有价值的应用之一,就是痕量原子和分子的分析。特别是赫斯特(G·S·Hurst)等人发展的共振电离光谱学(RIS)的光致电离方法,进行单个原子的检测,受到了高度评价.赫斯特最近指出,除了He和Ne以外,周期表里的元素都有可能被它灵敏地检测出。     

拉曼光谱技术在农作物生理信息检测中的研究进展

拉曼光谱(Raman spectroscopy,RS)是一种散射光谱,具有样品前处理简单、响应速度快、灵敏性高以及原位无损检测等特点。由于拉曼信号具有指纹图谱特性和不受水分信息干扰的优势,其在生物体信息检测方面发挥着重要作用。拉曼光谱成像技术是拉曼光谱技术发展的新方向,其可以同时获取研究对象的空间及光谱信息;显微拉曼光谱技术不仅可以进行分子结构的检测,还能够实现生物组织微区化学成分的空间分布分析。目前,应用拉曼光谱进行农作物生理信息的检测成为学者们的研究热点。本文概述了拉曼光谱的基本原理和分类,并重点介绍了拉曼光谱技术在农作物的生殖与营养器官(种子,花朵,果实和根,茎,叶)中生理信息检测方面的国内外最新研究进展。最后结合国内外研究现状,分析了拉曼光谱在农作物生理信息检测中的局限,并对其的应用前景进行了展望。     

微流控SERS及其在生物医学应用的研究进展

微流控芯片以其对微量样品的精确操控能力而引起特别关注,表面增强拉曼光谱(SERS)作为一种超灵敏的光谱检测技术近年来在痕量检测上应用广泛。微流控芯片与SERS相结合的系统可对微量生物样品进行无损、快速、高灵敏度且高通量的检测分析,在生物医学领域有巨大的应用潜力,是当前的研究热点之一。本文介绍了微流控SERS系统近年的发展情况,包括微流控芯片的制作加工和流体操控,以及微流控芯片中SERS基底的集成;并重点介绍了近年来SERS微流控芯片系统在生物医学上的应用,如生物分子的检测、细胞分析、药物监测和筛选、疾病诊断,以及在环境和食品健康安全方面的检测应用。