CN112014360A - 一种流动系统多环芳烃荧光检测器及应用 - Google Patents

Abstract

本发明专利提供了一种流动系统多环芳烃荧光检测器，检测器由深紫外发光二极管、激发滤光片、流通池、收集透镜、有色吸收玻璃、发射滤光片、光阑、光电二极管、放大电路组成。深紫外LED可激发15种多环芳烃发出荧光；有色吸收玻璃用于强吸收深紫外波段的杂散光；发射滤光片具有超宽光谱，涵盖有15种多环芳烃的发射光谱。本发明用深紫外LED替代氙灯为光源，光电二极管集成放大电路替代光电倍增管(PMT)为探测器，无需波长调节(基线无台阶式上升或下降)，即可同时高灵敏检测15种多环芳烃，对苯并(a)芘检测限≤0.05ppb。相比于现有技术，本发明检测器寿命长、稳定性好、体积小、成本低。

Description

一种流动系统多环芳烃荧光检测器及应用

技术领域

本发明专利涉及分析仪器技术领域，更具体地说，涉及一种流动系统多环芳烃荧光检测器，可用于高效液相色谱(HPLC)、超高效液相色谱(UPLC)及流动注射分析(FIA)等流动分析系统，同时检测15种多环芳烃。

背景技术

多环芳烃(PAHs)是一类具有两个以上苯环的芳香族有机化合物。广泛存在于大气、水体、土壤、食品、沉积物中，半衰期少则2个月、多则几年，多数很难被降解；具有强致癌、致突变及致畸性。我国强制执行国标GB5009.265—2016，该国标建议采用高效液相色谱(HPLC)方法检测食品中PAHs，要求对苯并(a)芘、二苯并(a，h)蒽的检出限为0.33μg/kg。

目前，针对PAHs检测的商品化荧光检测器全都是进口仪器。它使用氙灯为光源、光栅为单色器、光电倍增管(PMT)为探测器。但氙灯寿命短(2000h)、光强稳定性低(10h低于±5％)、功耗高(15～150W)、光效低、成本高(进口灯0.8～2万元/支)、体积大、对环境条件要求高、需高压启动、启动后预热稳定时间长(30min)、需大散热模块。光栅单色器同样结构复杂、价格高。PMT价格昂贵(￥6,000/个)、通电平衡时间长(～20min)、动态范围仅3-4个数量级、需要高压和调理电路、不抗电磁干扰、对工作环境的温湿度要求高、通电情况暴露在强光下立即损坏。另外，由于每种PAHs的最大激发波长和最大发射波长不同，目前商品化的多环芳烃荧光检测器在15种PAHs的一次色谱分离检测中需要针对每种PAH设定激发和发射波长。但是激发和发射波长设定值的改变带来的问题是基线台阶式上升或下降。

发光二极管(LED)被誉为第四代绿色光源，在商品化微型浓度分析仪器上，如叶绿素传感器等，LED已经取代了低压汞灯和氙灯，成为了主流光源。随着半导体技术飞速发展，高亮度、长寿命的深紫外LED光源产品(波长短于340nm)近年来取得了突破性进展。它寿命长(深紫外5000～10000h)、光强稳定性高(10h低于±0.05％)、功耗低(深紫外0.1～2W)、光效高、成本低(50～300元/只)、体积小、无毒环保、对环境条件要求低(抗震、坚固、可靠)、5V电压即可启动、启动后无需预热瞬间稳定(μs)；无需大散热模块。它的光谱输出范围较窄(深紫外15nm)，与荧光探针的吸收光谱带宽匹配较好，使用简单的滤光片单色器即可。然而，深紫外LED带来的问题是波长越短，瑞利散射越强。另外，15种多环芳烃的荧光光谱范围非常宽(330-490nm)，如何同时对其检测而又得到较高的检测信噪比，都是难点，也是关键技术问题。

发明内容

针对上述技术难题，并结合近年来技术发展，本发明提出采用深紫外LED替代脉冲氙灯为激发光源，激发15种多环芳烃发出荧光，寿命更长、稳定性更好、体积更小、功耗更低；采用自研制的光电二极管集成放大电路组件替代进口PMT为探测器，更稳定、可靠，成本更低，且抗强光照射和电磁干扰；增加有色吸收玻璃对深紫外LED的杂散光进行强吸收，对320-600nm波段高透过，吸收-带通组合滤光可进一步提高检测信噪比；采用330-490nm超宽光谱发射滤光技术，覆盖15种多环芳烃的发射光谱，无需调节波长，即可同时高灵敏检测15种PAHs；增设小孔光阑限束，降低因超宽发射光谱导致的高背景杂散光，提高检测信噪比。

另外，虽然本发明与现有的LED诱导荧光检测器(LED-IF)在结构上看起来大同小异，但实际上有本质区别，尤其是针对超宽发射光谱增设有色吸收玻璃及小孔光阑限束提高信噪比设计，是针对同时检测15种多环芳烃的荧光仪微型化进行的独到的设计。

本发明的技术方案是：

一种流动系统多环芳烃荧光检测器，包括深紫外LED光源、激发滤光片、流通池、收集透镜、有色吸收玻璃、发射滤光片、光阑、光电二极管和放大电路；深紫外LED光源和激发滤光片组成激发光路，收集透镜、有色吸收玻璃、发射滤光片、光阑、光电二极管和放大电路组成荧光收集光路，激发光路和荧光收集光路的光轴均分别为一条直线；深紫外LED光源发出的光透过激发滤光片到达流通池内，激发其内的荧光分子发射荧光，荧光再依次经过收集透镜、有色吸收玻璃、发射滤光片、光阑后到达光电二极管，光电二极管输出的信号经放大电路被检测；收集透镜的一侧焦点位于流通池的样品激发区域的中部；光阑的透光孔置于收集透镜的另一侧焦点上；有色吸收玻璃和发射滤光片位于收集透镜和光阑之间；光电二极管和放大电路组成光电探测器组件；流通池的管状样品激发区域的轴线和荧光收集光路的光轴相交于一平面上；激发光路的光轴垂直于流通池的管状样品激发区域的轴线和荧光收集光路的光轴所处平面，流通池的管状样品激发区域的轴线与荧光收集光路的光轴夹角为30-60°；

深紫外LED光源的中心波长210～310nm，激发15种多环芳烃发出荧光；有色吸收玻璃对深紫外LED光源的发射光谱强吸收(吸收率≥99％)，对400-500nm波段高透过(透过率≥80％)；发射滤光片具有超宽的发射光谱，光谱带宽330-490nm。

所述深紫外LED光源的发散角5-60°、功耗0.1-2W，其与激发滤光片、激发滤光片与流通池之间的距离均分别为0.1-1mm。

所述流通池的管状样品激发区域采用的透光件为石英管，其密封和连接的材料为惰性材料，如不锈钢、聚醚醚酮、聚四氟乙烯中的一种或二种以上；石英管的内径1-4mm，外径2-6mm，长3-8mm。

所述光阑为圆形或椭圆形的小孔光阑，通孔直径0.5-3mm。

所述的荧光检测器可用于多环芳烃的检测。

由于采用的发射滤光片具有超宽的发射光谱，光谱带宽330-490nm，覆盖15种多环芳烃的发射光谱；其可用于对15种多环芳烃中的一种或二种以上进行定性和/或定量检测；

15种多环芳烃为：萘、苊、芴、菲、蒽、荧蒽、芘、苯并(a)蒽、屈、苯并(b)荧蒽、苯并(k)荧蒽、苯并(a)芘、二苯并(a，h)蒽、苯并(g，h，i)苝、茚并(1，2，3，c，d)芘。

所述的荧光检测器可用于高效液相色谱(HPLC)、超高效液相色谱(UPLC)或流动注射分析(FIA)系统。

本发明用深紫外LED替代氙灯为光源，光电二极管集成放大电路替代光电倍增管(PMT)为探测器，无需波长调节(基线无台阶式上升或下降)，即可同时高灵敏检测15种多环芳烃，对苯并(a)芘检测限≤0.05ppb。相比于现有技术，本发明检测器寿命长、稳定性好、体积小、成本低。

与现有技术相比，本发明流通池具有如下优点：

1、采用深紫外LED替代脉冲氙灯为激发光源，寿命更长、稳定性更好、体积更小、功耗更低。

2、采用自研制的光电二极管集成放大电路组件替代进口PMT为探测器，更稳定、可靠，成本更低，且抗强光照射和电磁干扰。

3、采用330-490nm超宽发射光谱，无需调节波长，即可同时高灵敏检测15种PAHs，基线更稳定，无跳跃式抬升。

4、增加有色吸收玻璃对深紫外LED的杂散光进行强吸收，吸收-带通组合滤光可进一步提高检测信噪比。

5、增设小孔光阑限束，降低因超宽发射光谱导致的高背景杂散光，提高检测信噪比。

附图说明

图1——流动系统多环芳烃荧光检测器的结构示意图，图中：1-深紫外LED光源，2-激发滤光片，3-流通池，4-收集透镜，5-有色吸收玻璃，6-发射滤光片，7-光阑，8-光电二极管，9-放大电路。

图2——流动系统多环芳烃荧光检测器的整体光路示意图，为正交式、斜收集光路，图中：10-流通池的轴线，11-荧光收集光路的光轴，12-荧光收集光路的光轴和流通池的轴线所处平面，13-激发光路的光轴(垂直于荧光收集光路的光轴和流通池的轴线所处平面)。

图3——液相色谱多环芳烃检测谱图，色谱峰的序号为：1-萘，2-苊，3-芴，4-菲，5-蒽，6-荧蒽，7-芘，8-苯并(a)蒽，9-屈，10-苯并(b)荧蒽，11-苯并(k)荧蒽，12-苯并(a)芘，13-二苯并(a，h)蒽，14-苯并(g，h，i)苝，15-茚并(1，2，3，c，d)芘。

具体实施方式

一种流动系统多环芳烃荧光检测器，包括深紫外LED光源1、激发滤光片2、流通池3、收集透镜4、有色吸收玻璃5、发射滤光片6、光阑7、光电二极管8和放大电路9；深紫外LED光源1发出的光透过激发滤光片2到达流通池3内，激发其内的荧光分子发射荧光，荧光再依次经过收集透镜4、有色吸收玻璃5、发射滤光片6、光阑7后到达光电二极管8，光电二极管输出的信号经放大电路9被检测；收集透镜4的一侧焦点位于流通池3的样品激发区域的中部；光阑7的透光孔置于收集透镜4的另一侧焦点上；有色吸收玻璃5和发射滤光片6位于收集透镜4和光阑7之间；光电二极管8和放大电路9组成光电探测器组件；流通池3的管状样品激发区域的轴线和荧光收集光路的光轴相交于一平面上；激发光路的光轴垂直于流通池3的管状样品激发区域的轴线和荧光收集光路的光轴所处平面，流通池3的管状样品激发区域的轴线与荧光收集光路的光轴夹角为30-60°；

深紫外LED光源1的中心波长210～310nm，激发15种多环芳烃发出荧光；有色吸收玻璃5对深紫外LED光源1的发射光谱强吸收(吸收率≥99％)，对400-500nm波段高透过(透过率≥80％)；发射滤光片6具有超宽的发射光谱，光谱带宽330-490nm，覆盖15种多环芳烃的发射光谱；15种多环芳烃为：萘、苊、芴、菲、蒽、荧蒽、芘、苯并(a)蒽、屈、苯并(b)荧蒽、苯并(k)荧蒽、苯并(a)芘、二苯并(a，h)蒽、苯并(g，h，i)苝、茚并(1，2，3，c，d)芘。

深紫外LED光源1的发散角5-60°、功耗0.1-2W，其与激发滤光片2、激发滤光片2与流通池3之间的距离均分别为0.1-1mm。

流通池3的透光件为石英管，其密封和连接的材料为惰性材料，如不锈钢、聚醚醚酮、聚四氟乙烯中的一种或二种以上；石英管的内径1-4mm，外径2-6mm，长3-8mm。

光阑7为圆形或椭圆形的小孔光阑，通孔直径0.5-3mm。

实施例1

一种高效液相色谱(HPLC)用多环芳烃荧光检测器，激发光源为中心波长280nm的深紫外LED，发散角7°，额定电流40mA；激发滤光片带宽20nm，LED与激发滤光片、激发滤光片与自研制流通池的石英管均距离0.5mm；石英管内径2mm，外径5mm，长7mm；荧光收集透镜直径6.3mm，焦距12mm；有色吸收玻璃对深紫外LED的发射光谱强吸收(光学密度OD＞4)，对320-600nm波段高透过；超宽发射滤光片带宽为340-480nm；小孔光阑直径1mm；光电探测器件为中国科学院大连化物所研制的光电二极管集成放大电路组件。液相色谱条件：色谱柱：Agilent ZORBAX Eclipse PAH C18(4.6×250mm，5μm)；进样浓度50ppb混标(溶剂：乙腈)，进样体积20μL；流动相：乙腈和水；优化梯度洗脱程序，总流速2ml/min。色谱工作站用于采集信号。

实验结果：

图3为检测谱图，其中对苯并(a)芘检测限为0.05ppb，半峰宽0.136min，峰拖尾因子1.049，满足国标检测要求。作为对比，分别采用商品化的安捷伦和岛津荧光检测器进行测试，均得到了更低的检测限值。但是，因其需要设定程序优化波长，故均有一定程度的基线跳跃。而本发明的多环芳烃荧光检测器基线稳定，无需波长调节，即可同时高灵敏检测15种多环芳烃，对苯并(a)芘检测限≤0.05ppb，基线无台阶式上升或下降。相比于安捷伦和岛津荧光检测器(氙灯光源、PMT检测)，本发明多环芳烃荧光检测器寿命更长、稳定性更好、体积更小、成本更低，有很大的市场和推广前景。

实施例2

将激发光源改为中心波长265nm的深紫外LED，将该多环芳烃荧光检测器用于流动注射(FIA)检测海水样品中多环芳烃总量。进样体积20μL，流动相70％乙腈/水，流速1ml/min。高压恒流泵用于液体传输，色谱工作站用于采集信号。实验测得，检测限≤0.05ppb。可见，本发明的多环芳烃荧光检测器也可用于流动注射系统检测多环芳烃总量，得到较高的检测灵敏度。

依据本发明实施例的设计思想对具体实施方式及应用范围进行修改对本领域的专业技术人员来说是显而易见的。本发明将不会被限制于本文所示的实施例，而是要符合与本文所公开的一般原理和新颖特点相一致的最宽的范围。凡依据本发明设计思想所做的任何无创造性劳动的改变都在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种流动系统多环芳烃荧光检测器，包括深紫外LED光源(1)、激发滤光片(2)、流通池(3)、收集透镜(4)、有色吸收玻璃(5)、发射滤光片(6)、光阑(7)、光电二极管(8)和放大电路(9)；深紫外LED光源(1)和激发滤光片(2)组成激发光路，收集透镜(4)、有色吸收玻璃(5)、发射滤光片(6)、光阑(7)、光电二极管(8)和放大电路(9)组成荧光收集光路，激发光路和荧光收集光路的光轴均分别为一条直线；深紫外LED光源(1)发出的光透过激发滤光片(2)到达流通池(3)内，激发其内的荧光分子发射荧光，荧光再依次经过收集透镜(4)、有色吸收玻璃(5)、发射滤光片(6)、光阑(7)后到达光电二极管(8)，光电二极管输出的信号经放大电路(9)被检测；收集透镜(4)的一侧焦点位于流通池(3)的样品激发区域的中部；光阑(7)的透光孔置于收集透镜(4)的另一侧焦点上；有色吸收玻璃(5)和发射滤光片(6)位于收集透镜(4)和光阑(7)之间；光电二极管(8)和放大电路(9)组成光电探测器组件；流通池(3)的管状样品激发区域的轴线和荧光收集光路的光轴相交于一平面上；激发光路的光轴垂直于流通池(3)的管状样品激发区域的轴线和荧光收集光路的光轴所处平面，流通池(3)的管状样品激发区域的轴线与荧光收集光路的光轴夹角为30-60°；

深紫外LED光源(1)的中心波长210～310nm，激发15种多环芳烃发出荧光；有色吸收玻璃(5)对深紫外LED光源(1)的发射光谱强吸收(吸收率≥99％)，对400-500nm波段高透过(透过率≥80％)；发射滤光片(6)具有超宽的发射光谱，光谱带宽330-490nm。

2.根据权利要求1所述的流动系统多环芳烃荧光检测器，其特征在于：所述深紫外LED光源(1)的发散角5-60°、功耗0.1-2W，其与激发滤光片(2)、激发滤光片(2)与流通池(3)之间的距离均分别为0.1-1mm。

3.根据权利要求1所述的流动系统多环芳烃荧光检测器，其特征在于：所述流通池(3)的管状样品激发区域采用的透光件为石英管，其密封和连接的材料为惰性材料，如不锈钢、聚醚醚酮、聚四氟乙烯中的一种或二种以上；石英管的内径1-4mm，外径2-6mm，长3-8mm。

4.根据权利要求1所述的流动系统多环芳烃荧光检测器，其特征在于：所述光阑(7)为圆形或椭圆形的小孔光阑，通孔直径0.5-3mm。

5.一种权利要求1-4任一所述的流动系统多环芳烃荧光检测器的应用，其特征在于：所述的荧光检测器可用于多环芳烃的检测。

6.根据权利要求5所述的应用，其特征在于：

由于采用的发射滤光片(6)具有超宽的发射光谱，光谱带宽330-490nm，覆盖15种多环芳烃的发射光谱；其可用于对15种多环芳烃中的一种或二种以上进行定性和/或定量检测；

15种多环芳烃为：萘、苊、芴、菲、蒽、荧蒽、芘、苯并(a)蒽、屈、苯并(b)荧蒽、苯并(k)荧蒽、苯并(a)芘、二苯并(a，h)蒽、苯并(g，h，i)苝、茚并(1，2，3，c，d)芘。

7.根据权利要求5所述的应用，其特征在于：

所述的荧光检测器可用于高效液相色谱(HPLC)、超高效液相色谱(UPLC)或流动注射分析(FIA)系统。

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