鄒耀民 楊義文

1浙江浙能嘉華發(fā)電有限公司運行部（浙江嘉興 314201）2嘉興學(xué)院生物與化學(xué)工程學(xué)院（浙江嘉興 314001）

在世界的許多地方，二氧化硫都是主要的大氣污染物之一。它主要來源于含硫化石礦物燃料（如煤、石油和天然氣）的燃燒、火山噴發(fā)、含硫礦物的冶煉和焙燒等自然或生產(chǎn)過程。二氧化硫不僅會形成酸雨，腐蝕生產(chǎn)設(shè)備和建筑物，還會對環(huán)境安全、動植物和人體健康造成嚴重危害。人體若過度吸入二氧化硫氣體，不僅會引發(fā)哮喘病、慢性支氣管炎、肺氣腫、肺癌等呼吸系統(tǒng)疾病，還會引發(fā)神經(jīng)系統(tǒng)和心血管等疾病[1]。為了保護人類的健康和安全，美國職業(yè)安全與健康管理局將大氣中二氧化硫質(zhì)量濃度的警戒線定為2 mg/L。針對二氧化硫?qū)Νh(huán)境安全和人類健康所造成的嚴重危害，我國已經(jīng)把治理二氧化硫污染、減小二氧化硫的排放量列為環(huán)境治理的首要任務(wù)，并將長時間嚴格執(zhí)行下去。今后，對排放源特別是二氧化硫排放比較多的地方（如燃煤火力發(fā)電廠、鋼鐵廠等）進行有效控制，并采用可靠、快捷、準確、高效的檢測方法對大氣中二氧化硫的含量進行實時監(jiān)測，顯得尤為重要。

目前，二氧化硫的檢測方法主要包括分光光度法[3]、滴定分析法[4]、電化學(xué)檢測法[5]、極譜法[6]、物理或化學(xué)吸收法[7]、化學(xué)發(fā)光法[8]、流動注射法[9]和離子色譜法[10]等。雖然這些方法對二氧化硫具有一定的靈敏度和選擇性，但不少方法不可避免地存在成本高、操作費時、過程煩瑣等缺點。熒光分析法具有檢出限低、靈敏度高、快速、儀器簡單等優(yōu)點，將其用于二氧化硫的實時檢測，可以發(fā)展可靠、快捷、高靈敏度的分析方法，實現(xiàn)溶液乃至大氣中二氧化硫的準確、快速、高效檢測。本文對二氧化硫的熒光檢測技術(shù)研究進展進行了綜述。

1 熒光分析法的基本原理

某些物質(zhì)被紫外光照射后處于激發(fā)態(tài)，當其從激發(fā)態(tài)回到基態(tài)時，過剩的能量便以電磁輻射的形式發(fā)射出去，這一過程被稱為發(fā)光，這種光被稱為熒光。根據(jù)熒光光譜的特征及強度可以對物質(zhì)進行定性或定量分析。由于有些物質(zhì)本身不發(fā)射熒光（或熒光很弱），這就需要將它們與某些試劑結(jié)合生成熒光較強的物質(zhì)，從而使體系熒光強度增大，這一過程被稱為熒光增強過程。還有些物質(zhì)本身會發(fā)射熒光，當它們與某些物質(zhì)接觸或反應(yīng)時，會導(dǎo)致它們的熒光強度下降或消失，這一過程被稱為熒光淬滅。無論是物質(zhì)受光照射后發(fā)出熒光，還是熒光增強、熒光淬滅過程，都可利用它們對物質(zhì)進行定性或定量分析。

2 二氧化硫的熒光檢測方法研究進展

2.1 基于化學(xué)反應(yīng)的熒光檢測方法

讓有熒光的物質(zhì)與二氧化硫及其衍生物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成無熒光或熒光很弱的產(chǎn)物，利用體系熒光下降強度與二氧化硫及其衍生物的濃度成正比的原理，可檢測出二氧化硫的濃度；或者讓無熒光或熒光很弱的的物質(zhì)與二氧化硫及其衍生物發(fā)生反應(yīng)生成有熒光的物質(zhì)，利用體系熒光上升強度與二氧化硫及其衍生物的濃度成正比的原理，也可檢測出二氧化硫的濃度。

早在1970年，Axelrod等[11]就利用熒光淬滅原理檢測模擬樣品中二氧化硫的濃度。先將樣品溶于四氯汞鈉溶液生成四氯汞鈉-SO2絡(luò)合物，然后讓四氯汞鈉-SO2絡(luò)合物與甲醛反應(yīng)生成羥基甲磺酸，再加入5-氨基熒光素（有熒光的物質(zhì)）與之反應(yīng)，得到無熒光或熒光很弱的產(chǎn)物（見圖1），在此過程中實現(xiàn)了熒光淬滅，其熒光下降強度與二氧化硫的質(zhì)量濃度成正比。該方法檢測限可達0.02μg/mL。雖然該方法為二氧化硫的檢測提供了一種新的思路，但尚不能用于實際樣品的檢測。

圖1 5-氨基熒光素與羥基甲磺酸的反應(yīng)機理

2002年，Santhanalakshmi等[12]發(fā)現(xiàn)，水合二氧化硫與四磺化酞菁鋅(II)熒光體會發(fā)生配位反應(yīng)而產(chǎn)生熒光淬滅現(xiàn)象（見圖2），并在0.1～1.0 mmol/L濃度范圍內(nèi)與熒光下降的強度具有良好的線性關(guān)系。該方法最低檢測限可達1×10-4mol/L，適合于水合二氧化硫樣品的檢測，尚不能用于實際氣體樣品的檢測，且靈敏度有很大提高空間。

圖2 二氧化硫與四磺化酞菁鋅(II)的反應(yīng)機理

2005年，Chang等[13]提出了一種基于微芯片、可用于在線檢測空氣中微量二氧化硫的方法。當空氣中的二氧化硫穿過薇芯片的多孔玻璃材料后，會被三乙醇胺溶液吸收生成亞硫酸根負離子（SO32-），后者進一步與N-(9-吖啶基)馬來酰亞胺反應(yīng)，定量生成強熒光的物質(zhì)，亞硫酸根負離子在1.5～30μmol/L的濃度范圍內(nèi)與體系熒光上升的強度具有良好的線性關(guān)系（相關(guān)系數(shù)R2=0.995），檢測限達1.4μmol/L。雖然微芯片技術(shù)具有檢測試劑消耗少、樣品用量小、污染少、可集成小型化與自動化等優(yōu)點，但目前該核心技術(shù)仍缺乏規(guī)范和標準，技術(shù)難題有待突破，且生產(chǎn)成本昂貴。

2014年，Wang等[14]在碳納米點(CDs)的表面連接了一個花青染料分子，該分子可選擇性地和亞硫酸氫根負離子（HSO3-）反應(yīng)。在溶液中沒有亞硫酸氫根負離子時，由于花青染料分子和碳鈉米點存在熒光共振能量轉(zhuǎn)移(FRET)，碳鈉米點的能量被轉(zhuǎn)移，導(dǎo)致碳鈉米點熒光很微弱。而在溶液中加入亞硫酸氫根負離子后，花青染料分子與之反應(yīng)，花青染料分子和碳鈉米點之間的熒光共振能量轉(zhuǎn)移路徑被切斷，碳鈉米點的能量不會被轉(zhuǎn)移，從而使碳納米點保持較強的熒光（見圖3）。通過該熒光增強原理，Wang課題組成功實現(xiàn)了溶液中亞硫酸氫根負離子的高選擇性檢測，檢測限可達1.8μmol/L，并且溶液中的其他組分不會對檢測過程造成影響。此外，該方法還可用于空氣中二氧化硫氣體的檢測。雖然該方法選擇性較好，但靈敏度仍有待提高。

圖3 HSO3-與花青染料反應(yīng)導(dǎo)致的熒光增強機理

2015年，Wang等[15]又通過量子點（QDs）與3-氨丙基三乙氧基反應(yīng)，在量子點表面修飾了氨基。該氨基可通過靜電吸引與香豆素-3-羧酸進行連接，導(dǎo)致香豆素-3-羧酸的熒光減弱，而使體系熒光比較微弱。當在體系中加入二氧化硫后，由于二氧化硫可與量子點表面的氨基發(fā)生反應(yīng)生成穩(wěn)定的電荷轉(zhuǎn)移復(fù)合物，導(dǎo)致氨基與香豆素-3-羧酸分離。香豆素-3-羧酸脫離量子點表面后，其熒光得到恢復(fù)，從而使體系熒光增強（見圖4）。通過該熒光增強原理，對二氧化硫氣體進行了高選擇性的檢測，檢測限可達6 μg/L，取得了良好的檢測效果。

圖4 二氧化硫與量子點表面的氨基反應(yīng)導(dǎo)致的熒光增強機理

2.2 紫外熒光檢測方法

在紫外光的照射下，二氧化硫分子會發(fā)出熒光，其熒光強度與自身濃度成正比，因而可通過該原理檢測出二氧化硫的濃度。

1973年，Okabe等[16]通過紫外熒光的方法對二氧化硫的濃度進行了檢測。研究發(fā)現(xiàn)，在鋅燈照射下，空氣中的二氧化硫在0.1～500 mg/L的范圍內(nèi)與熒光強度具有良好的線性關(guān)系。而在鎘燈照射下，其線性質(zhì)量濃度范圍為0.1～1600 mg/L，最低檢測限為20μg/L。其中O3，H2S，NO2/CO2，CO和H2等氣體對檢測過程無干擾。而高質(zhì)量濃度的CS2（SO2質(zhì)量濃度的500倍）、NO（SO2質(zhì)量濃度的500倍）或C2H4（SO2質(zhì)量濃度的4000倍）會對檢測過程造成干擾。該方法雖然選擇性較好，但靈敏度仍有待提高。

2005年，Matsumi等[17]通過紫外激光誘導(dǎo)熒光技術(shù)對大氣中的二氧化硫氣體進行了檢測。在60 s的積分時間內(nèi)靈敏度高達0.005μg/L。此外，由于二氧化硫獨特的光譜特征，大氣中的其他氣體組分基本不會對檢測造成影響，因而該方法具有高選擇性。雖然激光誘導(dǎo)熒光技術(shù)對二氧化硫氣體的選擇性及靈敏度都較高，但存在儀器昂貴、成本高、激發(fā)波長單一、激發(fā)波長不可調(diào)等缺點。

2.3 基于能量轉(zhuǎn)移的熒光檢測方法

讓二氧化硫與熒光物質(zhì)接觸，使熒光物質(zhì)的電子或能量發(fā)生轉(zhuǎn)移，從而導(dǎo)致體系熒光強度下降，利用體系熒光下降強度與二氧化硫的濃度成正比的原理，可檢測出二氧化硫的濃度。

1999年，Arnold等[18]以硅酮和羅丹明B異硫氰酸酯制成的傳感膜、調(diào)制的藍色LED燈以及光電二極管檢測器做成了固態(tài)熒光傳感器。由于二氧化硫能使羅丹明B異硫氰酸酯的熒光發(fā)生淬滅，因此可通過該原理對二氧化硫的濃度進行檢測。實驗結(jié)果表明，在載氣流氮氣中，二氧化硫的檢測限可達0.114%±0.009%，其中HCl，NH3，NO和CO2等氣體不會對檢測過程產(chǎn)生干擾，而氧氣會有一定的影響。由于空氣中的氧氣含量較多，該方法選擇性較差。

2017年，Wang等[19]報道了一種陰離子功能化的熒光離子液體，該離子液體可高容量地吸收二氧化硫，并可作為二氧化硫的熒光傳感器。和傳統(tǒng)的熒光傳感器相比，該離子液體不會因為聚集發(fā)生熒光淬滅或發(fā)射現(xiàn)象。當二氧化硫與離子液體發(fā)生物理吸附后，就能發(fā)生熒光淬滅現(xiàn)象。研究表明，該離子液體是一種優(yōu)秀的液體傳感器，它可對二氧化硫進行定量和高選擇性的檢測，在0～0.23 mol/mol的濃度范圍內(nèi)與熒光下降的強度具有良好的線性關(guān)系。雖然該方法選擇性較好，但靈敏度偏低。

2018年，Qian等[20]通過“原位二次生長”策略在普通玻璃表面構(gòu)建了Eu3+-有機結(jié)構(gòu)膜，并首次用于二氧化硫氣體的直接熒光感應(yīng)。由于二氧化硫和有機配體可發(fā)生分子間電荷轉(zhuǎn)移，Eu3+的熒光發(fā)射可快速、顯著地被二氧化硫氣體所淬滅。在短短6 s的感應(yīng)時間內(nèi)，檢測限可達0.65 mg/L。雖然該方法可對二氧化硫氣體進行直接檢測，但方法的選擇性及靈敏度均有待提高。

3 結(jié)論與展望

熒光分析法是一種可靠、快速、靈敏度高和操作簡便的方法，將其用于二氧化硫的檢測，已取得了較大的進展。但同時也存在一定的不足，如某些方法的儀器昂貴，檢測成本高，大多數(shù)方法對二氧化硫分子的選擇性不夠理想，導(dǎo)致類似物質(zhì)對測定的干擾較大。今后，在二氧化硫的熒光檢測中，若能引進分子印跡技術(shù)或核酸適配體技術(shù)[21-22]，提高熒光傳感器對目標分子的選擇性，減小測定過程中的干擾，同時降低檢測成本，將有望實現(xiàn)二氧化硫分子的低成本和高選擇性檢測。