1、然而NOx的测定不同于NO2的测定，NOx包括NO， NO2，测定时需在样品进入反应室之前把NO转化为NO2，而NO2的测定不需要此步。氮氧化物的测定方法目前主要有化学发光法，盐酸萘乙二胺分光光度法，库仑原电池法及传感器法。3.化学发光法3.1化学发光法具有以下几个特点 3.1.1极高的灵敏度荧光虫素（LH2）（luciferin）、荧光素酶（luciferase）和磷酸三腺苷（ATP）的化学反应可测定210-17 mol/L的ATP，可检测出一个细菌中的的ATP含量。3.1.2具有较好的选择性由于可以利用的化学发光反应较少，而且化学发光的光谱是由受激分子或原子决定的，一般来说也是由化学反应决
2、定的。很少有不同的化学反应产生出同一种发光物质的情况，因此化学发光分析具有较好的选择性。 3.1.3仪器装置比较简单不需要复杂的分光和光强度测量装置，一般只需要干涉滤光片和光电倍增管即可进行光强度的测量。3.1.4分析速度快一次分析在1 min之内就可完成，适宜自动连续测定。3.1.5定量线性范围宽化学发光反应的发光强度和反应物的浓度在几个数量级的范围内成良好的线性关系。3.2基本原理化学发光是基于化学反应所提供足够的能量，使其中一种产物的分子的电子被激发成激发态分子，当其返回基态时发射一定波长的光，称为化学发光， 该方法利用O3与NO之间的化学反应生成激发态NO2。N0 +03 N02+O2
3、N02 N02+hr激发态NO：恢复到低能级时，发出波长50O-3000nm的宽带辅助光，一个NO分子只能生成一个NO2分子。因此，化学发光强度和光电倍增管道输出电流大小与样品气中的NO浓度成正比关系。因为只有NO才能和O3反应，若要分析NO2，必须在样品进入反应室之前，先转化为NO。用二氧化氮标准气体标定仪器的刻度，即得知相当于二氧化氮量的氧化氮（NOx）的浓度。仪器接记录器。化学发光包括吸收化学能和发光两个过程。为此，它应具备下述条件：化学发光反应必须能提供足够的化学能，以引起电子激发。要有有利的化学反应历程，以使所产生的化学能用于不断地产生激发态分子。激发态分子能以辐射跃迁的方式返回基态
4、，而不是以热的形式消耗能量。化学发光反应的化学发光效率Cl，取决于生成激发态产物分子的化学激发效率r利激发态分子的发光效率f这两个因素。化学发光的发光强度ICl以单位时间内发射的光子数来表示，它等于化学发光效率Cl与单位时间内起反应的被测物浓度CA的变化（以微分表示）的乘积，通常，在发光分析中，被分析物的浓度与发光试剂相比，要小很多，故发光试剂浓度可认为是一常数，因此发光反应可视为是级动力学反应，此时反应速率可表示为式中k为反应速率常数。由此可得：在合适的条件下，t时刻的化学发光强度与该时刻的分析物浓度成正比，可以用于定量分析，也可以利用总发光强度S与被分析浓度的关系进行定量分析，此时，将式（
5、5-7）积分，得到如果取t10，t2为反应结束时的时间，则得到整个反应产生的总发光强度与分析物的浓度呈线性关系。3.3荧光和磷光的产生荧光和磷光的产生涉及光子的吸收和再发射两个过程。3.3.1激发过程分子吸收辐射使电子能级从基态跃迁到激发态能级，同时伴随着振动能级和转动能级的跃迁。在分子能级跃迁的过程中，电子的自旋状态也可能发生改变。应用于分析化学中的荧光和磷光物质几乎都含有跃迁的吸收过程，它们部含有偶数电子。根据泡里不相容原理，在同一轨道上的两个电子的自旋方向要彼此相反，即基态分子的电子是自旋成对的，净自旋为零，这种电子都配对的分子电子能态称为单重态（singlet state），具有抗磁性
6、。当分子吸收能量后，在跃迁过程中不发生电子自旋方向的变化，这时分子处于激发的单重态；如果在跃迁过程中还伴随着电子自旋方向的改变，这时分子便有两个自旋不配对的电子，分子处于激发三重态（triplet state），具有顺磁性。3.3.2发射过程处于激发态的分子是不稳定的，通常以辐射跃迁或无辐射跃迁方式返回到基态，这就是激发态分子的失活（deactivation）。辐射跃迁的去活化过程，发生光子的发射，即产生荧光和磷光；无辐射跃迁的去活化过程则是以热的形式失去其多余的能量，它包括振动弛豫、内转换、系间跨越及外转换等过程。如图3-2所示，S0、S1、S2分别表示分子的基态、第一和第二激发单重态；T1
7、，T2分别表示第一和第二激发三重态。（1）振动弛豫（Vibration Relaxation，VR）。即由于分子间的碰撞，振动激发态分子由同一电子能级中的较高振动能级转移至较低振动能级的无辐射跃迁过程。发生振动弛豫的时间约为10-12 s数量级。（2）内转换（Internal Conversion，IC）。指在相同多重态的两个电子能级间，电子由高能级转移至低能级的无辐射跃迁过程。当两个电子能级非常靠近以致其能级有重叠时，内转换很容易发生。两个激发单重态或两个激发三重态之间能量差较小，并且它们的振动能级有重叠，显然这两种能态之间易发生内转换。（3）荧光发射。激发态分子经过振动驰豫降到激发单重态的
8、最低振动能级后，如果是以发射光量子跃迁到基态的各个不同振动能级，又经振动驰豫回到最低基态时就发射荧光。从荧光发射过程明显地看到：荧光是从激发单重态的最低振动能级开始发射，与分子被激发至哪一个能级无关；荧光发射前后都有振动驰豫过程。因此荧光发射的能量比分子所吸收的辐射能量低，所以对于溶液中分子的荧光光谱的波长与它的吸收光谱波长比较，荧光的波长要长一些（Stock位移）。（4）系间跨越（Intersystem Crossing，ISC）是指不同多重态间的无辐射跃迁，同时伴随着受激电子自旋状念的改变，如S1T1。在含有重原子（如溴或碘）的分子中，系间跨越最常见。这是因为在原子序数较高的原子中，电子的
9、自旋和轨道运动间的相互作用变大，原子核附近产生了强的磁场，有利于电子自旋的改变。所以含重原子的化合物的荧光很弱或不能发生荧光。（5）（External Conversion，EC）是指激发分子通过与溶剂或其他溶质分子间的相互作用使能量转换，而使荧光或磷光强度减弱甚至消失的过程。这一现象又称为“熄灭”或“猝灭”。（6）磷光发射 第一激发单重态的分子，有可能通过系间跨越到达第一电子激发三重态，再通过振动驰豫转至该激发三重态的最低振动能级，再以无辐射形式失去能量跃迁回基态而发射磷光。激发三重态的平均寿命为10-410 s，因此，磷光在光照停止后仍可维持一段时间。3.4气相化学发光主要有O3，NO和S
10、O2，S，CO的化学发光反应，应用于检测空气中的O3，NO，NO2，H2S，SO2和CO2等。火焰化学发光也属于气相化学发光范畴。在300400 的火焰中，热辐射是很小的，某些物质可以从火焰的化学反应中吸收化学能而被激发，从而产生火焰化学发光。火焰化学发光现象多用于硫、磷、氮和卤素的测定。3.5液相化学发光液相化学发光反应在痕量分析中十分重要。常用于化学发光分析的发光物质有鲁米诺、光泽精、洛粉碱、没食子酸、过氧草酸盐等，其中鲁米诺是最常用的发光试剂，其化学名称为3-氨基苯二甲酰酸肼，在碱性水溶液、二甲基亚砜或二甲基甲酰胺等极性有机溶剂中能被某些氧化剂氧化，产生最大辐射波长为425 nm（水溶液
11、）或485 nm（二甲基亚砜溶液）的光，化学发光效率为0.010.05。鲁米诺被H2O2氧化的反应速度很慢，但许多金属离子在适当的反应条件下能增大这一发光反应的速度，在一定的浓度范围内，发光强度与金属离子浓度呈良好的线性关系，故可用于痕量金属离子的测定.这些方法的灵敏度都非常高，但由于至少有约30种金属离子回催化或抑制该反应，使方法的选择性不好，限制了在实际工作中的应用。鲁米诺及其衍生物的发光反应还可以应用于有机物、药物、生物体液中的低含量激素、新陈代谢物的测定（表3-3）。例如机体中的超氧阴离子O2-，能直接与鲁米诺作用产生化学发光而被检测，灵敏度高，仪器设备简单，便于推广。机体中的超氧化物
12、歧化酶（SOD）能促使O2-歧化为O2和H2O2，故SOD对O2-有清除作用，由于SOD的存在，使鲁米诺-O2-体系的化学发光受到抑制，可间接测定SOD。3.6激发光谱和发射光谱3.6.1激发光谱荧光和磷光均为光致发光现象，所以必须选择合适的激发光波长。激发光谱的测绘方法为：固定荧光的最大发射波长，然后改变激发光的波长。根据所测得的荧光（或磷光）强度与激发光波长的关系作图，得到激发光谱曲线，见图3-3A。激发光谱曲线上的最大荧光（或磷光）强度所对应的波长，称为最大激发波长，用ex表示。它表示在此波长处，分子吸收的能量最大，处于激发态分子的数目最多，因而能产生最强的荧光。3.6.2发射光谱又称荧
13、光（或磷光）光谱。选择最大激发波长作为激发光波长，然后测定不同发射波长时所发射的荧光或磷光强度，得到荧光或磷光光谱曲线，见图3-3F、P。其最大荧光或磷光强度处所对应的波长称为最大发射波长，用em表示。溶液荧光光谱通常有以下几个特征：Stokes位移。在溶液荧光光谱中，所观察到的荧光的波长总是大于激发光的波长，即emex。这主要是由于发射荧光之前的振动驰豫和内转换过程损失了一定的能量，这是产生Stokes位移的主要原因。荧光发射光谱的形状与激发波长无关。由于荧光发射发生于第一电子激发态的最低振动能级，而与荧光体被激发至哪一个电子态无关，所以荧光光谱的形状通常与激发波长无关。与激发光谱大致成镜像
14、对称关系。一般情况下，基态和第一电子激发单重态中振动能级的分布情况是相似的，所以荧光光谱同激发光谱的第一谱带大致成镜像对称。3.7测量仪器气相化学发光反应主要用于某些气体的检测，目前已有各种专用的监测仪，本书不予讨论，下面主要讨论液相化学发光反应的检测。在液相化学发光分析中，当试样与有关试剂混合后，化学发光反应立即发生，且发光信号瞬间即消失。因此，如果不在混合过程中立即测定，就会造成光信号的损失。由于化学发光反应的这一特点，样品与试剂混合方式的重复性就成为影响分析结果精密度的主要因素。按照进样方式，可将发光分析仪分为分离取样式和流动注射式两类。3.8分离取样式分离式化学发光仪是一种在静态下测量
15、化学发光信号的装置。它利用移液管或注射器将试剂与样品加入反应室中，靠搅动或注射时的冲击作用使其混合均匀，然后根据发光峰面积的积分值或峰高进行定量测定。分离取样式仪器具有设备简单、造价低、体积小和灵敏等优点，还可记录化学发光反应的全过程，故特别适用于反应动力学研究。但这类仪器存在两个严重缺点：一是手工加样速度较慢，不利于分析过程的自动化，且每次测试完毕后，要排除池中废液并仔细清洗反应池，否则产生记忆效应；另一点是加样的重复性不好控制，从而影响测试结果的精密度。3.9流动注射式流动注射式是流动注射分析在化学发光分析中的一个应用。光度法、化学发光法、原子吸收光度法和电化学法的许多间隙操作式的方法，都
16、可以在流动注射分析中得到快速、准确而自动地进行。流动注射分析是基于把一定体积的液体试样注射到一个运动着的、无空气间隔的、由适当液体组成的连续载流中，被注入的试样形成一个带，然后被载流带到检测器中，再连续地记录其光强、吸光度、电极电位等物理参数。在化学发光分析中，被检测的光信号只是整个发光动力学曲线的一部分，以峰高来进行定量分析。在发光分析中，要根据不同的反应速度，选择试样准确进到检测器的时间，以使发光峰值的出现时间与混合组分进入检测器的时间恰好吻合。目前，用流动注射式进行化学发光分析，得到了比分离式发光分析法更高的灵敏度与更好的精密度。3.10影响因素物质分子吸收辐射后，能否发生荧光取决于分子
17、的结构。荧光强度的大小不但与物质的分子结构有关，也与环境因素有关。3.10.1荧光量子产率 荧光量子产率 又称荧光效率，它表示物质发射荧光的能力，越大，发射的荧光越强。由前面已经提到的荧光产生的过程中可以明显地看出，物质分子的荧光产率必然由激发态分子之活化过程的各个相对速率决定。若用数学式来表达这些关系，得到式中：kf为荧光发射的速率常数，ki为其他无辐射跃迁速率常数的总和。显然，凡是能使kf升高而其他ki值降低的因素都可使荧光增强；反之，荧光就减弱。kf的大小主要取决于化学结构；其他ki值则强烈地受环境的影响，也轻微地受化学结构的影响。3.10.2荧光与分子结构的关系（1） 跃迁类型。实验证
18、明，跃迁是产生荧光的主要跃迁类型，所以绝大多数能产生荧光的物质都含有芳香环或杂环。（2） 共轭效应。增加体系的共轭度，荧光效率一般也将增大，并使荧光波长向长波方向移动。共轭效应使荧光增强的原因，主要是由于增大荧光物质的摩尔吸光系数，电子更容易被激发，产生更多的激发态分子，使荧光增强。（3） 刚性平面结构。荧光效率高的物质，其分子多是平面构型，且具有一定的刚性。例如荧光素和酚酞结构十分相似，荧光素呈平面构型，是强荧光物质，而酚酞没有氧桥，其分于不易保持平面，不是荧光物质。又如芴和联苯，芴在强碱溶液中的荧光效率接近1，而联苯仅为0.20，这主要是由于芴中引入亚甲基，使芴刚性增强的缘故。再有萘和维生
19、素A都有5个共轭双键，萘是平面刚性结构，维生素A为非刚性结构，因而萘的荧光强度是维生素A的5倍。一般说来，分子结构刚性增强，共平面性增加，荧光增强。这主要是由于增加了电子的共轭度，同时减少了分子的内转换和系间跨越过程以及分子内部的振动等非辐射跃迁的能量损失，增强了荧光效率。（4） 取代基效应。芳烃和杂环化合物的荧光光谱和荧光强度常随取代基而改变。表3-1列出了部分基团对苯的荧光效率和荧光波长的影响。一般说来，给电子取代基如-OH，-NH2，-OR，-NR2等能增强荧光；这是由于产生了p-共轭作用，增强了电子的共轭程度，导致荧光增强，荧光波长红移。而吸电子取代基如-NO2，-COOH，-CO，卤
20、素离子等使荧光减弱。这类取代基也都含有电子，然而其电子的电子云不与芳环上电子共平面，不能扩大电子共轭程度，反而使S1T1系间跨越增强，导致荧光减弱，磷光增强。例如苯胺和苯酚的荧光较苯强，而硝基苯则为非荧光物质。卤素取代基随卤素相对原子质量的增加，其荧光效率下降，磷光增强。这是由于在卤素重原子中能级交叉现象比较严重，使分子中电子自旋轨道耦合作用加强，使S1T1系间跨越明显增强的缘故，称为重原子效应。3.10.3环境因素对荧光光谱和荧光强度的影响（1）溶剂的影响。一般地讲，许多共轭芳香族化合物的荧光强度随溶剂极性的增加而增强，且发射峰向长波方向移动。如图3-4所示，8-羟基喹啉在四氯化碳、氯仿、丙
21、酮和乙腈四种不同极性溶剂中的荧光光谱。这是由于n跃迁的能量在极性溶剂中增大，而跃迁的能量降低，从而导致荧光增强，荧光峰红移。在含有重原子的溶剂如碘乙烷和四氯化碳中，与将这些成分引入荧光物质中所产生的效应相似，导致荧光减弱，磷光增强。（2）温度的影响。温度对于溶液的荧光强度有着显著的影响。通常，随着温度的降低，荧光物质溶液的荧光量子产率和荧光强度将增大。如荧光索钠的乙醇溶液，在0以下温度每降低10，荧光量子产率约增加3%，冷却至-80时，荧光量子产率接近100%。（3）pH的影响。假如荧光物质是一种弱酸或弱碱，溶液的pH值改变将对荧光强度产生很大的影响。大多数含有酸性或碱性基团的芳香族化合物的荧
22、光光谱，对于溶剂的pH和氢键能力是非常敏感的。表3-1中苯酚和苯胺的数据也说明了这种效应。其主要原因是体系的pH值变化影响了荧光基团的电荷状态。当pH改变时，配位比也可能改变，从而影响金属离子-有机配位体荧光配合物的荧光发射。因此，在荧光分析中要注意控制溶液的pH。（4）荧光的熄灭。它是指荧光物质分子与溶剂分子或其他溶质分子的相互作用引起荧光强度降低的现象。这些引起荧光强度降低的物质称为熄灭剂。3.11化学发光法测定卷烟主流烟气中的氮氧化物用化学发光法测定卷烟主流烟气中NO的方法，即将每口新鲜主流烟气经剑桥滤片过滤后引入到一个常压下的馄合室，经充分混合后，用氮氧化物分析仪根据化学发光原理测定卷
23、烟主流烟气中氮氧化物。该方法的CV98,并用外标法定量测定了6种牌号卷烟主流烟气中的氮氧化物。该方法快速、重复性好、回收率高，适用于卷烟烟气中的氮氧化物的分析。卷烟烟气中含有微量氮氧化物（NOx），其中，N0除本身是自由基外，还可与卷烟烟气中的烃或二烯类等有机分子反应产生过氧化或烷自由基的连锁反应，加剧烟烟气分析和仪器分析工作。人体内的氧化和过氧化损伤程 度，对机体务器官组织的危害性较大1。近年来，随着人们对吸烟与健康问题的日益关注，卷烟烟气中N0x含量的高低也为人们所关注。3.11.1材料与设备 42CNO-NOx分析仪（美国热电公司），146C Dymamic Gas Calibrator
24、 （动态气体校正仪）（美国热电公司），Model 111 Zero Air Supply（零气发生器）（美国热电公司），Borgwaldt RM20CS吸烟机，真空泵，磁力搅拌器，磁力搅拌子，电磁三通阀，1/4OD（外径）、1/8ODTeflon管，44mm剑桥滤片和Teflon集气袋（1L）等。NO标准气体（N2保护，34.1、69.4、163、267、484和979 mol/mol，国家环保总局标准样品研究所） 。3.11.2卷烟烟气中NOx的测定 将卷烟样品放置于温度（221）和相对湿度（602）的环境中调节48h，挑选40支平均重量0.02g和平均吸阻49Pa的烟支为测试样品。在温度为
25、（222）和相对湿度（605）的环境中及标准抽吸条件下用吸烟机抽吸测试样品卷烟。每种卷烟样品各抽吸5组，1支/组。每组样烟抽吸完后，按相同的时间间隔空抽2口。用NO /NOx 分析仪在线测定（图1）卷烟主流烟气中的NO、NOx（或NO+N02）。测定过程如图l所示，混合室（1000mL平底烧瓶）插有4根管子：一根与电磁三通阀2相连，然后连接到一个不限流量的真空泵上，作为混合室的排气口，通过电磁三通阀2旋转，使真空泵从混合室或大气中抽气；一根与电磁三通阀1相连，然后连接到42CNO / NOx 分析仪入口处，每抽吸一口样气阀1以精确的时间间隔旋转，使NO/NOx分析仪从混合室或大气中抽气，此管路
26、的流量为NO/NOx分析仪的进气流量；一根直接与 RM20 / CS 吸烟机排气口相连，作为混合室样气的进气口：一根与大气相通，为压力平衡口。混合室中装有磁力搅拌子，在磁力搅拌器的作用下，磁力搅拌子不停地旋转，达到均匀混合样气的目的；42CNO/NOx分析仪的信号通过色谱工作站来记录和处理。测定NO选择NO 测量模式：测定NOx，选择NOx模式。 吸烟机开始抽吸卷烟时，系统进入测量状态，此刻为“0”时刻，这时电磁三通阀1和阀2都与大气相通，吸烟 机把样气排放到混合室中，搅拌混合3s，在第5s时阀1转动到与混合室相连，开始测量样气，测量持续10s， 到第15s时，阀1和阀2同时转动，这时阀1与大
27、气相通，阀2与混合室相通，开始对混合室进行清洗，直到第 60s吸烟机抽吸下一口时，又开始下一个如前所述的过程。如此循环，就实现了对逐口主流烟气中NOx的测定。3.11.3结果与讨论 （1） 工作曲线 用Teflon集气袋小心移取NO标准气体，然后连接至吸烟机的抽吸单元，用NO/NOx分析仪分别测定各浓度标准气体的NO和NOx。每次测定抽吸10口。用色谱王作站记录的信号峰面积之和（10个色谱峰）对10口NO标气量之和（单位为mol）作图，得到NO和NOx工作曲线及其校正方程（表2）。由表2可见，方程的相关性良好。（2） 回收率和重复性 用146C Dynamic Gas Calibrator 在
28、线配制浓度为90.50 mol/mol（含氧量约19）、流量为12L/min的NO标准样气，用NO/NOx分析仪分别对NO和NOx进行3次平行测定，并根据测定值和标准值计算其相应化合物的同收率，结果见表3。由此可见，方法的准确性较高。采用NO/NOx分析仪分别对3个牌号的卷烟烟气中的NO和NOx进行5次平行测定，果（表4）显示，其RSD均小于5%说明方法的重复性较好。（3） 测定条件的优化 死体积的确定 NOx检测系统的死体积是指从吸烟机的烟支夹持器到系统混合室之间所有管路的容积和混合室与电磁阀1（图1）之间管路容积之和。死体积的大小直接影响到新鲜烟气被陈化的比例，从而影响到NOx测定的准确性。本试验通过改变死体积的大小（从8.041.5mL），分别对各死体积下NO和NOx的回收率进行了2次平行测定，结果见表5。由此看出：死体积对NOx回收率的影响不明显；NO的回收率随着死体积的增大而减小，若用死体积对NO回收率作图（图3），可以看出NO的回收率与检测系统的死体积存在明显的负相关，所以系统
