荧光技术范文（精选12篇）
荧光技术 第1篇
1 荧光磁粉探伤的特点
荧光磁粉法与非荧光磁粉法的探伤原理完全相同, 即首先在被探伤的铁磁性工件上建立一个磁场, 当工件表面或近表面材料有不连续缺陷时, 会切割工件表面的磁力线, 从而形成缺陷部位的漏磁场。这种漏磁场吸引颗粒极细微的磁粉, 形成肉眼可见的磁痕。通过观察磁痕是否存在及其分布来确定工件表面或近表面有无缺陷和缺陷分布情况, 并将其与相关标准规定的界限对照, 判断被检工件是否合格.以达到探伤的目的。荧光磁粉是在非荧光磁粉颗粒的外表面均匀涂敷了一层荧光物质制成的, 具有适宜的荧光强度, 因而荧光磁粉颗粒中的荧光物质在紫外线灯的照射下, 产生电子跃迁, 激发出波长范围在510 nm～550 nm为人眼接受十分敏感的色泽鲜明的黄绿色荧光, 使荧光磁粉的可见度及与工件表面的对比度都很高, 所以荧光磁粉探伤法具有对比度高、观察容易、缺陷显示醒目、灵敏度高等的优点, 是检验铁磁材料表面缺陷的一种好方法。
2 试验所用器材
1) 探伤设备:CJ X-220E型磁轭探伤仪, 220V交流电, 交流提升力>45N。
2) 磁粉:对于干法用磁粉, 粒度选用80um, 使磁粉容易在空气中分散开, 而且流动性较好;对于湿法用磁粉, 粒度选用15um的黑色磁粉和15um的LY-20A型荧光磁粉。
3) 用A-30/100灵敏度试片实测结果来确定磁化规范的正确性。
4) 黑光灯:选用美国SPECTRONICS公司生产的CH-50P/12黑光灯, 在距灯泡380mm处的工件表面的黑光辐照度不低于1000μW/cm2。
5) 试件A上存在纵横向裂纹8条, 最长18m m, 最短3.5m m;试件B上存在纵横向裂纹16条, 最长21mm, 最短3.0mm。
3 荧光磁粉法与非荧光磁粉法的对比试验
根据荧光磁粉探伤法的对比度高、灵敏度高的特点, 与非荧光磁粉探伤法进行了试验对比。针对试件A上缺陷, 采用三种磁粉即干法黑磁粉、湿法黑磁粉和荧光磁粉分别磁化, 记录所发现的缺陷磁痕数量和所得到的灵敏度。
1) 通过试验比对, 由表1可以看出:在相同的磁化条件下, 荧光磁粉法灵敏度比干法黑磁粉和湿法黑磁粉都要高。荧光磁粉探伤灵敏度相对于干法黑磁粉提高了50%。而湿法黑磁粉的探伤灵敏度比荧光磁粉低12%。
2) 由于磁粉探伤主要依据观察缺陷形成的磁痕来判断缺陷的存在与否及其分布严重程度。因此, 磁痕与周围背景之间的亮度或颜色差别是十分重要的。通过试验, 干法黑磁粉与湿法黑磁粉的缺陷磁痕处对比度明显不如荧光磁粉法, 这对探伤人员来说是不利的。因为, 对比度差, 实际上缺陷的可见性差, 从而降低了灵敏度和可靠性。而荧光磁粉显示与不发光的背景之间的对比度很高, 即使在周围环境有微弱的白光存在, 这个对比度也比较高, 在较暗的背景时, 对比度更高。这种对比度的较大差别, 使得荧光磁粉探伤具有较高的裂纹俘获效率。
3) 其中由于干磁粉的活动性不如磁悬液中的磁粉, 干磁粉洒落到工件表面后不易移动, 不利于漏磁场吸附, 且较粗的干磁粉的比重大, 要求吸附磁粉的磁场强度要比湿法大。因此, 干法黑磁粉的缺陷磁痕堆积长度较湿法黑磁粉短。而湿法黑磁粉和荧光磁粉的磁悬液在试件表面有较好的活动性, 容易被漏磁场吸附, 由于荧光磁粉有良好的对比度和识别力, 从而提高了缺陷的可见性。因此, 荧光磁粉的缺陷磁痕堆积长度要比湿法黑磁粉长。
4) 荧光磁粉适合暗处与空间狭窄部位的磁粉探伤。由于人眼对暗处的荧光磁粉黄绿色磁痕十分敏感, 探伤人员不用贴近工件也不会引起缺陷漏检。同时可以减轻人眼长时间观察的疲劳, 降低磁粉探伤人员劳动强度。
5) 由于荧光磁粉探伤法必须使用紫外线灯, 这给探伤工作带来了一些不便 (一般荧光磁粉探伤不适合单人作业) 。另外, 由于紫外线灯辐射的长波紫外线, 对人体皮肤及眼晶体有伤害作用, 在使用紫外线灯时必须注意光束不能直接照射人眼或皮肤。
4 荧光磁悬液浓度与缺陷检测数量
荧光磁悬液的浓度对探伤质量有着重要的影响, 而在实际探伤过程中, 灵敏度、精确度和可靠性与很多因素有关。在这些因素中, 有些是固定的, 有些是可变的。在可变因素中, 有些因素可以得到控制, 有的则随着使用在不断地变化, 如荧光磁悬液的浓度。恰当的浓度, 对灵敏度、精确度和可靠性有着重要的意义。因此, 通过配制不同的荧光磁悬液浓度, 对试件B上自然缺陷能检测到数量进行测试比较, 并记录如下数据和所得的灵敏度。
说明:在施加荧光磁悬液过程中, 磁悬液一直搅动, 使荧光磁粉颗粒始终处于悬浮状态。
由表2、图3可知, 随着荧光磁粉浓度的增加, 灵敏度也随之提高了, 当浓度为1.2g·l-1时, 灵敏度达到极限值。如果再增加荧光磁粉浓度, 不但不能提高探伤灵敏度, 反而降低对比度 (见图1～图4) , 这是因为在工件表面上滞留过多荧光磁粉, 形成过度背景, 甚至会掩盖相关显示, 给探伤带来困难。因此, 在实际配制过程中, 要避免随意多加荧光磁粉的做法, 认为多加些磁粉会提高荧光磁粉探伤灵敏度的想法是完全错误的。
通过试验, 还发现不同浓度的荧光磁悬液, 在测试同一缺陷时所测出磁痕长度是不同的, 一般磁粉检测所显示的缺陷要比真实的缺陷长。因此, 试验中所测出磁痕长度随着荧光磁粉浓度的增加而增长, 从而使探伤精确度降低。这就意味着将缺陷长度放大, 虽然对探伤本身没有影响, 但对确定缺陷临界尺寸是不利的。所以, 浓度是决定了灵敏度和精确度, 浓度的选取, 取决于需要发现缺陷的大小, 以及缺陷大小对工件的影响程度。而在实际探伤中, 探伤的目的首先是要发现被检工件所存在的缺陷, 然后再对每个缺陷作定性、定量描述。因此, 磁悬液浓度的选取, 应当首先保证探伤灵敏度。
5 结论
1) 荧光磁粉探伤法具有对比度高、灵敏度高、可靠性好、观察容易、缺陷显示醒目、适合暗处及空间狭窄部位的探伤作业, 也能提高检测速度, 是值得推广应用的。由于荧光磁粉的成本高, 紫外线灯管易老化, 且对人体皮肤及眼晶体有伤害作用等原因。因此, 荧光磁粉探伤仍未普及。
2) 湿法黑磁粉虽然探伤灵敏度跟荧光磁粉探伤相差不大, 但精确度低, 尤其是缺陷磁痕亮度 (对比度) 差, 不利于探伤人员观察缺陷。通过上述试验, 使用荧光磁粉不仅在探伤效果方面, 即灵敏度、精确度、可靠性诸方面有显著的优越性, 而且减轻了探伤人员的劳动强度。
3) 荧光磁粉的磁悬液浓度对显示缺陷的灵敏度影响很大, 浓度不同, 检测灵敏度、对比度、精确度也不同。因此, 在配制磁悬液时, 必须严格按制造厂给出的配方配制。试验证明, 荧光磁粉浓度过高或过低, 都会使灵敏度明显下降。
摘要：介绍了荧光磁粉探伤的特点、荧光磁粉法与非荧光磁粉法的对比试验。通过试验, 对荧光磁悬液的浓度与探伤的灵敏度、精确度和可靠性的关系作了评价。
实时荧光定量PCR技术及其应用 第2篇
实时荧光定量PCR技术及其应用
实时荧光定量PCR技术是一种多色荧光检测核酸定量技术,该文简要介绍实时荧光定量PCR技术的原理及其应用.
作 者：欧阳松应 杨冬 欧阳红生 马鹤雯 作者单位：解放军军需大学军事兽医系,长春,130062刊 名：生命的化学 ISTIC PKU英文刊名：CHEMISTRY OF LIFE年，卷(期)：24(1)分类号：Q52关键词：实时荧光定量PCR 基因 荧光探针 SYBR Green
定量荧光技术在随钻录井中的应用 第3篇
中图分类号:TU71文献标识码:A文章编号:1674-098X(2011)05(c)-0089-01
冀中坳陷廊固凹陷河西务构造带位于廊固凹陷东部,紧邻武清凹陷,是一个北东走向的地垒带。东西宽12km,南北长36km,面积410km2。该构造带是开发几十年的老油区,以往勘探研究只是以下第三系沙河街组沙三段,沙四段油水显示为主,随着勘探技术的不断成长,新方法的录井等使用手段,目前勘探工作的重点是该构造带潜山地层的丰富地下储气资源。钻井勘探的最终目的是找油找气,由于轻质的凝析油层和日趋复杂钻井工艺下疑难油气薄层的发现对准确判断油气层具有很大的困难。常常混入带荧光的钻井液处理剂,这些带荧光物质的加入使得现场地质录井复杂难辨,而凝析油和轻质原油的储层,原油颜色浅或无色,给常规定性描述含油性本身也带来了一定的困难,不仅如此,轻质油或凝析油储层,由于缺乏有效的检测手段和方法,同样对及时发现、准确识别带来难度,尤其是岩屑录井井段,储层岩石破碎程度高、样品颗粒小,这对含油性定性描述本己困难的轻质及凝析油储层无疑是雪上加霜,因而常常造成轻质油层和凝析油层的漏失,给勘探开发事业带来影响。至此原有的录井评价方法已经不能满足现状,对此定量荧光录井技术的随钻应用弥补了这方面的缺憾。
1 定量荧光录井技术应用
1.1 定量荧光录井技术简介
石油组分中的油质、沥青质等在紫外光的照射下,由组成这些物质的分子吸收紫外光的能量而被激发,这些物质会发射出各种颜色和不同强度的光线,这些光被称为荧光。多年来利用石油组份的荧光特性来发现勘探石油的荧光录井方法已经成为一种必不可少的常规录井方法。
原油激发出的荧光波长分布范围很宽,但主要集中在300～600nm之间,且随原油密度的减小,主峰荧光波长减小,凝析油主要集中在280～330nm之间。而人眼只能识别波长在400～800nm之间的光线。由此,在实际工作中对轻质油、凝析油层的荧光录井就变得十分困难,经常会不知觉的漏掉油气层。钻井过程中由于工程的需要添加含荧光添加剂,会产生荧光干扰,使常规荧光录井变的更加困难,有时甚至无法区分真假显示。
定量荧光分析仪采用的光電元件对荧光波长没有局限性,可以全面检测各波长段的荧光,不论油质轻重都不会漏掉,因此可以弥补常规录井方法的不足。另外仪器具有差谱功能,能自动扣除钻井液添加剂污染、矿物发光等干扰,有利于真伪显示的辨别,再现油气显示的真实面目。同时具有快速、简便、灵敏、直观、操作简单等特点,非常适合随钻录井。
通过定量荧光分析可以直接得到以下几个参数:
(1)荧光波长
反映不同性质原油的出峰位置。在300～340nm范围内出峰为轻质油成份;340～370nm范围内出
为中质油成份;荧光波长大于370nm为重质成分;
(2)荧光峰值(原油荧光强度)
原油中荧光物质所发射荧光的强弱,其反映的是被测样品中,含荧光物质的多少;
(3)相当油含量
指1克样品中被试剂萃取出的原油物质的含量;
(4)对比级
反应1克样品中含油荧光级别的高低(N=15-(4-gc)/0.301,其中N为对比级、C为相当油含量);
(5)油性指数
中质峰最大荧光强度与轻质峰最大荧光强度的比值,反应原油性质。
以上五参数无论是在石油地质勘探与开发,还是录井工作中对油气藏的评价,都具有非常重要的意义。
1.2 建立钻井液添加剂定量荧光分析特征数据库
由于工作需求,在华北钻探的5口储气库注采井中,首次应用定量荧光技术随钻录井。针对钻井工艺复杂性,为排除污染,准确发现地层真实显示,对自上而下钻遇的地层使用的钻井液添加剂进行了细致全面分析,初步建立了污染源定量荧光分析数据库,通过分析数据可以清楚看出,有部分钻井液添加剂对轻质油层、中质油层、重质油层真假显示有一定影响,而荧光分析峰值低的对地层的真显示影响不是很大(可以视同基值)。
1.3 排除污染,评价油气显示
在录井过程中对钻井液中加入的有机添加剂可以利用定量荧光分析仪的差谱功能实现污染的识别与排除,达到评价地层油气显示的目的。这一方法已在各地油田随钻录井中应用多年,并取得了很好的效果,形成了目前较适用的评价标准,见表1。
(1)HX-5井奥陶系峰峰组,井段3352.00～3356.00m,厚4.00m。
钻井液分析主峰波长360nm,对比级4.8级,油性指数4.6,峰型明显与显示层峰型不同。显示层样品岩性为灰褐色荧光灰岩,分析样品4个,主峰波长310nm,相当油含量7.78～40.93mg/L,对比级别4.7～7.1级,油性指数2.1～3.4。原油性质为中质,解释为油气层。
(2)HX-4,下第三系孔店组,井段3052-3058m,厚6m。
钻井液分析主峰波长为311nm,对比级5.5级,油性指数为0.9。显示段岩性浅灰色荧光细砂岩,主峰波长361nm,相当油含量6.52～8.13mg/l,对比级5.7～7.8级,油性指数在3.7左右。与钻井液从谱图对比后明显看出峰型不同,反映地层真实显示。该段原油为中质油,解释为油水同层。
(3)HX-3井,奥陶系峰峰组,井段3370～3374m,厚4.0m。
钻井液分析,主峰波长364nm,对比级别为11级,相当油含量为172.00mg/l,谱图特征与显示层不同。而本井目的层的显示段3370～374m,厚4m。主峰波长在310nm左右,相当油含量18.79～35.90mg/L,对比级别5.9～6.9级,油性指数1.1～1.4。原油性质为轻质,解释为油气层。
2 结束语
(1)定量荧光录井技术是首次应用于储气库注采井,起到了很大作用。采用定量荧光差谱法,能够有效地消除有机物荧光对岩屑荧光录井的影响。
(2)在复杂钻井工艺中为及时发现、评价油气层提供了可靠依据。
(3)引用油性指数可在现场快速进行原油性质判别。
荧光原位杂交技术的研究及其应用 第4篇
目前，荧光原位杂交技术已广泛应用在细胞遗传学、育种学、医学等多个领域，如动植物基因组结构、变异及空间规律的研究、分辨复杂的染色体易位变异、病毒感染、DNA物理图谱的构建、人类的产前诊断、哺乳动物染色体进化研究、转基因的细胞学鉴定、检测外源染色体片段及其渗入特点、物种间的亲缘关系、性别鉴定及RNA的表达。它与放射性同位素技术相比具有快速、安全、灵敏度高、探针可长期保存等特点，不但能显示中期分裂核, 还能显示于间期核，同时在荧光原位杂交基础上又发展了多彩色荧光原位杂交技术和染色质纤维荧光原位杂交技术。随着分子生物学的发展, 新探针的出现特别是全探针及染色体原位抑制杂交技术的出现, 计算机辅助的共聚焦显微系统和数字成像系统的发展, FISH技术的应用会加深加快人类的肿瘤学、产前诊断、哺乳动物的染色体进化研究及亲缘关系等领域的研究。
1 荧光原位杂交技术
1.1 基本原理
荧光原位杂交技术的基本原理是将DNA探针用特殊修饰的核苷酸分子标记，然后将标记的探针直接原位杂交到染色体或DNA纤维切片上，再用与荧光素分子藕联的单克隆抗体与探针分子特异性结合来检测DNA序列在染色体或DNA纤维上的定位、定性、相对定量分析。具体过程包括以下几步:(1)固定标本;(2)预处理样品;(3)用相应的探针进行杂交;(4)洗掉未结合的探针;(5)封固、呈像及结果分析。
1.2 探针和标记
荧光原位杂交探针的类型十分广泛, 大小可以从几Mb到几百bp。探针的获得可通过克隆、酶扩增及化学方法合成，多种探针的使用使得FISH技术成为一个多功能原位研究DNA和RNA结构和功能的方法。
过去的探针均采用放射性物质———同位素来进行标记，其灵敏度虽然较高，但是实验周期长、背影深、分析复杂、放射性探针不稳定、污染环境、对人体健康不利等[2]。荧光(非放射性)原位杂交正是弥补了以上的缺点，与放射性标记相比，非放射性标记具有以下优点: (1) 用荧光试剂标记探针经济、安全，同时在特异性、速度、探针稳定性方面具有明显的优势; (2) 多色FISH可以在同一核中显示不同颜色，从而可检测多种序列; (3) 应用不同的探针可以显示某一物种全部基因、某一染色体或染色体片段; (4) 能通过几次免疫化学反应，杂交信号增强显著，从而提高灵敏度; (5) 杂交信号定位更加准确，分辨率可达3～20 Mb[3]。
1.2.1 探针类型[4,5]：
常用的探针可分3类: (1) 染色体特异重复序列探针 (probe to chromosome-specific repeated sequence) 。像α卫星、卫星Ⅲ类的探针, 他们的杂交靶位常大于1 Mb, 不含散在重复序列, 与靶位结合紧密, 杂交信号强, 易于检测, 常用于监测间期细胞非整倍体和微小标志染色体; (2) 特异性位置探针 (specific-locus probe) 。常有一个或几个克隆序列组成, 可由cDNA克隆或克隆到大片段插入载体的核酸片段制取, 主要用来进行染色体克隆DNA序列定位和检测靶DNA序列拷贝数及结构变化; (3) 全染色体或染色体区域特异性探针 (wholechromosome or chromosome regionspecific probes) 。由一条染色体或其上某一区域的极端不同核酸片段组成, 可由克隆到噬菌体 (phage) 和粘质粒 (cosmids) 上的染色体特异性大片段插入文库制取, 且微切文库探针片段小, 与邻近区域发生重叠及制片过程中被破坏的可能性小。这类探针可用于中期染色体重组和间期核结构分析。
1.2.2 探针标记：
探针的荧光素标记分为间接标记和直接标记：间接标记是用生物素标记的dUTP (biotin-dUTP通过缺口平移法来标记，杂交后再用联有荧光素的抗生物素抗体检测。通过几轮处理，可将检测信号放大，监测到小至500 bp的靶序列，FISH的敏感性可通过酶促信号放大而提高。
直接标记是通过荧光素直接与探针核苷或磷酸戊糖骨架共价结合、或缺口平移法标记探针时掺入荧光素核苷三磷酸标记探针。探针经过简单冲洗就可镜检，省去了间接标记的探针杂交后繁琐的检测步骤，但不能将信号放大，不如间接标记的探针灵敏，其靶较大时还是比较可靠，且探针标记种数不受高亲合力配基能力限制。
2 荧光原位杂交技术的应用
2.1 在染色体生物学研究中的应用2.
1.1 FISH在基因定位中的应用：FISH可以直接测定DNA序列在染色体上的定位情况，基因的染色体定位是FISH在分子生物学上应用的重要方面[6]。如FISH与生化、计算机和重组DNA技术结合检测Alu位点，表明DNA序列与带型有关;FISH还为当前着丝粒结构研究提供了重要的研究手段，主要是对着丝粒重复序列的分析，包括重复元件，如α、β和传统卫星DNA的性质和分布;FISH可以直接观察染色体端粒，简化了对其在核内的结构和功能研究，定位其端粒序列。2.1.2在染色体结构研究中的应用：理论上认为中期染色体中姐妹染色单体形成的螺旋手性相反。有研究应用FISH确定几个单拷贝DNA序列的位置，因为所用小探针的荧光信号可以被认为在染色单体的内侧，中间和外侧的不同部位，结果发现它们在姐妹染色单体之间位置是对称的，而且这种非随机位置在染色体从前中期到中期的不同阶段均保持不变，证实了FISH技术能够检测到中期染色体的高度有序结构。
FISH直接观察SC结构中的染色质可以阐明减数分裂染色体的高度有序结构，有助于了解减数分裂染色体配对和重组的机制。而荧光原位杂交技术用人染色体特异探针能有效地检测出人类和灵长类动物染色体畸变，有研究还表明荧光原位杂交技术与G显带技术相结合研究同一标本能迅速准确地描绘出染色体结构畸变的类型和细节。
2.2 在微生物生态学中的应用
FISH技术具有很多优点，如快速、准确、原位等, 因而目前在微生物生态学各个领域研究中已成为了强有力的工具。
2.2.1 环境样品中微生物多样性的检测：
目前，环境中存在的微生物品种和数量远远超过已鉴定的微生物，FISH技术可以将整体微生物环境清晰的呈像出来而不需要额外的抽提和扩增等易引起偏差的步骤，所以, FISH技术被广泛应用于环境微生物多样性的研究。Simon Nathalie等在2002年利用FISH技术研究海水中细菌和有害藻类种群之间的相互作用[7];Araya Ruben等在2003年对溪流中和水中生物膜上的微生物群落进行了FISH研究[8]。
FISH技术不仅提供静止的实验结果, 还可以动态地观察流动水体中的微生物种群变化, 可以检测季节更替对高山湖泊中微生物群落的影响, 并且利用FISH技术得到了一些在人工条件下很难培养的菌种以及一些新的菌种信息。Girguis P R, Delong E F利用FISH技术对从深海沉积物中培养到一些古菌进行鉴定[9], Mcnamara Christopher J, Lemke Michael J, Leff Laura G利用FISH技术对美国卡罗莱纳州南部溪流沉积物中可培养和不可培养的细菌群落进行分析[10], 这些研究对于人们理解环境中微生物种群的组成和动力学都有极大的重要性。
2.2.2 污水处理相关微生物多样性研究：
Ardern和Lockett在1914年发明了活性污泥法处理污水[11]，但是直到今天微生物种群在此工艺中的作用还没有完全了解清楚。基于r RNA的FISH技术开始使人们逐渐摸清了微生物的作用机理，Coskuner G, Curtis TP于2002年用FISH技术原位鉴定了活性污泥中硝化细菌群落的组成和分布, 为理解污水处理中氮素循环提供了重要的信息[12]。
2.2.3 内共生微生物的研究：
大部分的内共生微生物是难于培养的，利用16SrRNA技术, 它们可以被鉴定和系统分类，但在原生动物和真核细胞生物中有很多摄食泡或肠内的微生物不易和真正的内共生微生物区分，利用FISH技术的原位杂交原理可以对它们进行鉴别。Peraud O, YousafM, HamanaM T等于2002年对海绵体中微生物种群进行的分析, 发现产生抗疟疾化合物ManzamineA的海绵可能仅仅只是真正产生此化合物微生物的宿主[13]。
2.2.4 FISH技术分析复杂的微生物群落：
(1) 口腔中的微生物：
有研究证明, FISH技术是分析正常的微生物群落和混合细菌感染的强有力的工具，利用FISH技术检测到在人类口腔中有300余种不同的细菌, 其中大多数是很难培养或根本不能培养的品种。如Brinig Mary M等2003年通过FISH技术研究了难于培养的TM-7细菌在人类口腔中的分布和传染机理[14]。2003年Foster Jamie S等通过FISH技术以人类口腔细菌群落为模型研究了基因对基因相互作用[15]。
(2) 胃肠菌群：
肠胃是微生物在人体最大的定居和活动场所, 所以研究正常健康的肠胃菌群和其形成的生物膜是非常重要的，而用常规的培养方法会低估微生物的数量和种类。Swidsinsk Alexander;Ladhoff Axel等于2002年利用FISH技术研究了肠炎患者的肠粘膜菌群，发现随着病人疾病程度的加重，其肠粘膜上的菌群密度也增大[16]。2002年Ben-Amor Kaouther等利用FISH技术对人类粪便中难于培养的卵胃球菌样细菌 (Rum inococcus obeumlike bacteria) 进行了鉴定和计数, 发现此类细菌是人类粪便中极其重要的组成部分[17]。
(3) 呼吸道菌群：
社区获得性肺炎是近年来开始流行的严重的呼吸系统疾病。Buccat A等于2002年利用FISH技术对能够引起社区获得性肺炎的病原体进行了快速鉴定[18]。军团菌病也是一种较严重的呼吸系统流行病，2002年Buchbinder Susanne等利用FISH技术在水样中的鉴定了军团菌 (Legionella spp.) [19]。
3 展望
FISH技术从发展至今，经历了一系列的发展, 逐渐形成了快速、精确、原位以及可动态观察等特点，目前荧光原位杂交技术已越来越广泛的应用在细胞遗传学、育种学、医学等多个领域, 尤其在检测遗传物质的突变和染色体上基因定位等方面显示了极大的优势。随着分子生物学的发展，新探针的不断出现特别是全探针及染色体原位抑制杂交技术的出现，计算机辅助的共焦显微系统和数字成像系统的发展，FISH技术的应用会加深加快人类在肿瘤学、产前诊断、哺乳动物的染色体进化研究及亲缘关系等领域的认识[20]。近几年来, FISH技术逐渐向生态学领域尤其是微生物生态学领域渗透利用此技术已经在微生物生态学研究中取得了一系列重大成果[10]。但是, 任何技术都有不足之处, FISH技术也不例外，样品自身产生的荧光, 以及探针的特异性都会影响试验的结果。所以在进行研究时结合传统的培养、镜检等方法及现代分子生物学的多种方法, 得到的结果将更加可信，而随着技术的不断进步, FISH的准确性和灵敏度将进一步提高, 必将在微生物生态学研究领域得到更加充分的应用。
摘要：荧光原位杂交 (fluorescence in situ hybridization, FISH) 是现代分子生物学及基因工程中广泛应用的新技术, 它可以鉴定核酸分子之间的同源性。荧光原位杂交技术是一种应用非放射性荧光物质依靠核酸探针杂交原理在核中或染色体上显示DNA序列位置的方法。综述了荧光原位杂交技术的原理、应用及其前景。
荧光技术 第5篇
高光谱荧光成像技术在识别早期腐烂脐橙中的应用研究
摘要：腐烂是发生在柑橘类水果中最普遍、最严重的病害,早期腐烂果的自动化检测有助于提高水果加工业的市场竞争力.然而,目前没有有效的自动化检测技术.以脐橙为研究对象,利用荧光高光谱成像检测早期腐烂果.最佳指数OIF理论用于识别腐烂果的最优波段组合(498.6和591.4 nm).基于最优波长的比图像及双阈值分割算法,识别率达到100%.研究表明,该方法能有效克服梗伤果及果梗在紫外线诱导下所产生的荧光效应对腐烂果识别的影响.该研究为基于多光谱成像技术对早期腐烂果的.在线检测系统的开发奠定了基础. 作者： 李江波王福杰应义斌饶秀勤 Author： LI Jiang-boWANG Fu-jieYING Yi-binRAO Xiu-qin 作者单位： 浙江大学生物系统工程与食品科学学院,浙江杭州,310058 期 刊： 光谱学与光谱分析 ISTICEISCIPKU Journal： Spectroscopy and Spectral Analysis 年，卷(期)： 2012,32(1) 分类号： S126 TP391.4 关键词： 高光谱荧光图像 波段比算法 OIF理论 脐橙 早期腐烂 梗伤 机标分类号： TJ5 D69 机标关键词： 高光谱荧光成像技术识别率腐烂脐橙应用研究DetectionTechnologyImageFluorescence自动化检测多光谱成像技术在线检测系统阈值分割算法紫外线诱导市场竞争力荧光效应研究对象水果检测技术 基金项目： 国家杰出青年科学基金项目，中央高校基本科研业务费资助项目 高光谱荧光成像技术在识别早期腐烂脐橙中的应用研究[期刊论文]光谱学与光谱分析 --2012,32(1)李江波王福杰应义斌饶秀勤腐烂是发生在柑橘类水果中最普遍、最严重的病害,早期腐烂果的自动化检测有助于提高水果加工业的市场竞争力.然而,目前没有有效的自动化检测技术.以脐橙为研究对象,利用荧光高光谱成像检测早期腐烂果.最佳指数OIF理论用于...
荧光技术 第6篇
关键词：荧光物质；荧光现象；中学化学综合实践活动
文章编号：1005–6629（2014）2–0031–04 中图分类号：G633.8 文献标识码：B
综合实践活动是区别于学科课程的一门非学术性课程，主要是通过学生的亲身实践，学习科学研究的方法、增强科学探究的能力、加深对社会的了解、加强课堂知识和社会生活的联系[1]。目前综合实践活动作为国家规定学校必须执行的一门课程，已受到各个学校的重视，我们也在摸索和探寻中尝试开展化学综合实践活动，并力求在活动与实践中培养学生的化学科学素养。
2011年关于“纸巾荧光剂超标”[2]以及“猪肉发荧光”[3]等新闻报道频频见诸各类媒体，学生因这类新闻而激发出了对于荧光现象以及荧光物质的强烈好奇心。鉴于此，我们在参加化学竞赛的学生中开展了“探秘生活中常见荧光物质与荧光现象”这一密切联系生活实际的化学综合活动。活动开展的过程中不仅提升了学生的化学研究能力，拓展了学生的化学视野、增强了学生的社会责任感，更为今后进一步开展其他化学综合实践活动积累了一些实用的经验。现介绍如下。
1 实施方案
1.1 知识和技能准备
综合实践活动指导教师首先对参加实践活动的学生进行“图书馆资料如何查询”、“中国知网如何使用”、“网络搜索引擎介绍”等几方面内容的讲授，使学生了解获取基本知识的来源和方法。然后结合中学实际介绍“苯环的芳香性”、“刚性平面”、“电子跃迁”等基础化学知识，为学生阅读与“荧光”相关文献打下基础。最后综合实践指导老师还必须对需要进行实验操作的学生进行基本的实验操作训练，以使学生掌握该综合实践活动所需的基本实验操作技能。
1.2 综合实践小组的划分及研究内容和方案
为使得综合实践活动能够在学校规定的课程实施时间内顺利完成，并使得学生学会团队分工合作，我们在实施该综合实践活动时按照学生个人兴趣爱好以及课题研究的几个具体方面将参加该综合实践活动的学生分为四个小组。
第一组负责查阅文献获知荧光现象产生的基本原因及荧光物质的基本结构特点。要求将文献结果整理成文并制作相应PPT在整个课程实践小组展示。
第二组学生结合文献查阅和调查，寻找日常生活及自然界中常见具有荧光特性的物质。要求查阅清楚所寻找到的荧光物质的结构，以及产生荧光的原因，并收集含有荧光物质的实物若干，于整个实践组展示。
第三组学生利用第二组同学寻找到的具有荧光特性的物质设计完成引发这些物质荧光现象的实验，完成相应实验报告，并拍摄实验视频或照片若干。
第四组学生通过文献分析并结合另三组同学研究成果，撰写“我眼中的荧光现象”综述。要求通过调查了解荧光现象目前在日常生活各个层面的应用实例，并结合调查的结果阐述如何正确地看待荧光现象。
2 成果呈现
2.1 第一组报告——荧光现象产生的原因及荧光物质的结构特点
该组同学利用搜索引擎以“荧光”为关键词搜索了网络资料，弄清了荧光产生的相关机理。并利用校图书馆馆藏大学教材找到了荧光物质所有具有的结构特征。在实践中提升了资料获取能力以及信息整合能力。
2.1.1 什么是荧光
常温下，当某种物质被某种波长的入射光（通常是紫外线或X射线）照射，吸收光能后即进入激发态，并发出比入射光的波长长的出射光（通常波长在可见光波段，波长400～700 nm），具有这种性质的出射光就被称之为荧光[5]。而萤火虫以及荧光棒则是通过化学物质发生化学反应而产生发光的现象，一般称为“化学发光”或“生物发光”，不属于我们此处研究的“荧光现象”。
2.1.2 荧光现象产生的光物理过程
具有荧光性的分子吸收入射光的能量后（如图1所示），该物质中电子从基态S0
（通常为自旋单重态）跃迁至具有相同自旋多重度的激发态S1或
S2
。处于激发态的电子可以通过各种不同的途径释放其能量回到基态。如激发态S2 的电子可经由非常快的（短于10-12秒）内转换过程无辐射跃迁至能量稍低并具有相同自旋多重度的激发态S1 ，紧接着以发光的方式释放出能量回到基态S0 ，这里发出的光就是荧光，其频率即为νF 。由于S1 激发态的能量相对低，故在这一过程中发出的荧光的频率νF 低于入射光的频率νA。荧光态的寿命为10-8至10-5秒。
此外，电子也可以先从激发态经由系间跨越过程无辐射跃迁至能量较低且具有不同自旋多重度的激发态S1 （通常为自旋三重态），再经由系间窜跃等方式无辐射跃迁至激发态T1 ，最后以发光的方式释放出能量而回到基态S0 。由于激发态和基态S0 具有不同的自旋多重度，这一跃迁过程是被跃迁选择规则禁戒的，因而需要比释放一般荧光更长的时间（从10-4秒到数分钟乃至数小时不等）来完成该过程；当停止入射光后，物质中还有相当数量的电子继续保持在亚稳态上并持续发光直至所有的电子回到基态，这种缓慢释放的光通常被称为磷光，磷光频率为νp 。
2.1.3 具有荧光现象物质的结构特点
发荧光的物质一般具有下列结构特点：（1）分子中含有共轭双键等强吸收基团，且在一定程度上共轭体系越大，π电子的离域性越强，越易被激发而产生荧光。（2）分子的刚性平面有利于荧光产生。刚性平面结构主要可以减少分子的振动和碰撞去活的可能，有利于荧光的产生。（3）诸如-OH、-NH2、-OR等给电子取代基可使共轭体系增强，导致荧光增强[7]。
2.2 第二组报告——调查寻找生活中存在的典型荧光物质
该组同学首先通过网络和图书馆相关资料查询具有荧光性质的物质名称和结构，再分析这些物质可能存在于哪些日常生活常见的物品，最后再实地寻查菜场、药店、超市等多个场地收集含有荧光物质的具体物品。通过不懈的努力共寻得日常生活中含有荧光特性物质多种（如表1所列）。
该组同学在完成本组任务的过程中不仅充分锻炼了信息获取能力，更走入了社会提升了沟通和交流的能力。
2.3 第三组汇报——利用生活中常见荧光物质引发荧光实验
第三小组是由整个实践小组实验能力最强，且最喜欢动手操作的学生组成的。他们不仅要设计不同的实验方案将第二小组同学收集来的含有荧光物质的各种日常物品中的荧光物质释放，还要多次实验从而摸索出观察到荧光现象的最佳途径。多次的实验不仅是实验能力的提升，更是意志的锻炼，荧光实验的成功不仅证实第二组同学研究结果的真实性，更让学生进一步理解实验是化学的基础。
2.3.1 实验1 叶绿素荧光实验
所需仪器与试剂：紫外光源（波长315～400 nm）、研钵和研杵、100 mL烧杯、3～5片菠菜叶子、95%乙醇。（此处使用紫外光源为网购一般驱虫用的黑光灯）
实验过程：取2～3片菠菜叶在研钵中磨碎，然后将研碎的菠菜叶溶解在50 mL 95%乙醇中，过滤得滤液。在暗室用紫外光源照射菠菜汁，观察荧光。如果观察不到荧光，加入乙醇稀释该溶液。实验观察到绿色溶液在紫外灯照射下呈现红色荧光。
2.3.2 实验2 原卟啉荧光实验
所需仪器与试剂：紫外光源（波长315～400 nm）、100 mL烧杯、棕色壳鸡蛋2只、0.1 mol/L盐酸。
实验过程：将2只棕色蛋壳放入50 mL 0.1 mol/L盐酸中，盐酸与蛋壳中的碳酸钙反应，鸡蛋壳表面立即产生大量的气泡，待碳酸钙反应完毕后，蛋壳中的原卟啉被释放出来。在暗室中用紫外灯照射含有原卟啉的溶液，可以观察到绿色荧光现象。
2.3.3 实验3 维生素B2荧光实验
所需仪器与试剂：紫外光源（波长315～400 nm）、100 mL烧杯、研钵和研杵。
实验过程：在研钵中将复合维生素片研磨成粉末，并将粉末转移到烧杯中加50 mL水溶解，随后在暗室中用紫外光照射，可观察到黄绿色荧光现象。
2.3.4 实验4 奎宁荧光实验
所需仪器与试剂：紫外光源（波长315～400 nm）、100 mL烧杯、黑松汽水或通力水。
实验过程：将黑松汽水倒入烧杯中，直接在暗室中用紫外灯照射，可观察到红色荧光。
2.4 第四组汇报——如何正确看待荧光现象
第四组同学通过网络和各类期刊文献调查荧光现象的应用范围、应用实例以及应用原理，并将所调查的结果写成综述，在整个综合实践小组展示。学生在综述的过程中学习了科技文献的写作，提升了资料整合能力。
2.4.1 荧光现象的应用综述
2.4.2 对于荧光现象的评价
荧光现象是特殊结构的物质产生的特殊光化学现象，广泛存在于我们的生活之中。此类现象并不神秘，我们应从容看待，遇到诸如“猪肉荧光”等新闻报道时不应为事物表面的“神秘”所蒙蔽，而应具有从事物本质看待具体问题的基本观念。此外，正确利用荧光物质和荧光现象可更多发展科技，造福人类。如奎宁等物质本身具有荧光性，但人们关注这类物质荧光性以外的用途，也是对物质应用的不同方面。同时也应注意荧光现象使用的适度问题，如利用荧光物质给纸类等增白不应一味追求“白”而忽略荧光物质给人类健康带来的危害。只有根据生产生活实际，合理适度利用荧光现象才是科学的做法。
3 总结与反思
本综合实践活动，是我们尝试在学生中开展的一个较具学科深度的研究课题。通过该课题的开展，我们认为化学综合实践活动课题的选择应充分关注生产生活热点与学生的兴趣点，兼顾这两点的课题能够充分激发学生自主学习的热情，为活动的顺利开展提供的动力与激情。
本活动的开展教师并未完全放手，而是在最初的知识准备阶段和活动小组建立过程中发挥了主导作用，教师有效的组织和引导是顺利开展综合实践活动的重要保障。
该综合实践活动从内容上看，涉及理论的学习，文献的查找、实验的开展、物质的寻求等多个方面，要求学生通力合作方可完成。多方面能力的培养是综合实践活动开展的宗旨，综合实践活动的设计应兼顾以上所述各个层面。
从最终呈现的活动成果来看，我们的研究并未能涵盖“荧光现象”的所有问题，研究的结果也未能提出创新的观点。但综合实践活动侧重于学生科研意识、分析问题能力以及实践操作能力的培养，为今后发展打下基础。
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荧光技术 第7篇
机车车辆滚动轴承故障是铁路车辆运输中的主要故障之一, 也是影响铁路运输畅通和安全生产的关键因素。轴承的表面裂纹及缺陷是造成行车事故的潜在威胁, 在装车运行一段时间后需要对其进行表面缺陷检测。荧光磁粉探伤是轴承表面检测的一种常用方法。由于传统荧光磁粉探伤采用的是人工观察, 检测人员长期在暗室里处于紫外线光照射下, 不仅工作环境差, 而且很容易疲劳, 造成人为漏检[1]。针对人工观察方法的不足, 拟采用数字图像采集及图像处理的方法, 对轴承表面缺陷磁痕图像进行判断和报警, 改善检测人员的工作环境, 克服主观因素造成的失误, 提高检测的准确性和可靠性, 最大程度地避免漏检事故发生。
1 图像处理方法
对荧光磁粉探伤的工件进行图像采集, 得到彩色图像, 其中工件表面吸附的荧光磁粉在紫外线辐射可激发出黄绿色荧光。系统采集的图像受到水滴、水迹、刀痕、表面污染和表面反光等干扰信息的影响, 不可避免地存在一些噪声。图像处理的任务是获取图像中的可疑成分, 去除噪声的影响, 对图像可疑区域进行判断, 获得裂纹信息。
1.1 图像可疑成分的获取
采集的数字图像采用RGB色彩模式存储。RGB色彩模式是工业界的一种颜色标准, 是通过对红 (R) 、绿 (G) 、蓝 (B) 三个颜色通道的变化以及它们相互之间的叠加得到各式各样的颜色。RGB即是代表红、绿、蓝三个通道的颜色, 这个标准几乎包括了人类视力所能感知的所有颜色, 是目前运用最广的颜色系统之一。
RGB色彩模式使用RGB模型为图像中每一个像素的RGB分量分配一个0～255范围内的强度值。例如:纯红色的取值应为R=255, G=0, B=0;灰色的R, G, B三个值相等 (除了0和255) ;白色的R, G, B都为255;黑色的R, G, B都为0。RGB图像只使用三种颜色, 就可以使它们按照不同的比例混合, 在屏幕上重现16 581 375种颜色。
在RGB模式下, 每种RGB成分都可使用从0 (黑色) ～255 (白色) 的值。 例如, 亮红色使用的值应为R=246, G=20, B=50;当所有三种成分值相等时, 产生灰色阴影;当所有成分的值均为255时, 结果是纯白色;当该值为0时, 结果是纯黑色。
文中图像的可疑成分即是轴承工件表面吸附荧光磁粉的部分, 亦即图像中的荧光色彩部分。由于荧光磁粉受紫外线辐照所激发出光的色彩与光源的强度, 与荧光磁粉的自身特性有关, 故该色彩应在实际环境中测定, 文中的取值为R=118, G=237, B=153。由于工件所受的光照不均, 所吸附的磁粉密度不同, 所以不能要求图像中的荧光图像色彩数值与标准值完全相等, 需要设定一定的容差TH。
图像中可疑成分的提取过程是判断图像中的每一个点, 用该点的色彩RGB的数值与标准值做比较, 若R, G, B三个值与对应标准值的差值均小于容差TH, 则判定该点为可疑成分, 判断完成后的结果存储为二值图像, 即每一像素点使用一个布尔值表示;true用白色点表示;false用黑色点表示。原图的可疑成分用白色表示;背景表示为黑色。
容差TH值的大小由实验确定。容差过大, 会使背景区域误判做可疑区域, 造成误判;容差过小, 会使可疑区域漏判, 导致可疑区域选取过小, 甚至丢失。文中选定TH=40, 所得结果如图1 (b) 的P1所示。
1.2 噪点去除
上述过程提取出的结果P1为轴承工件图片中工件表面吸附荧光磁粉的部分, 即可能存在裂纹和表面缺陷部分, 也可能包含由于不够光滑、锈迹等因素而吸附磁粉的部分。过程中需要去除小的噪点及像素块, 以减少噪声的影响。在此采用数学形态学的方法进行除噪。
数学形态学的基本思想是用具有一定形态的结构元素去度量和提取图像中对应的形状, 以达到对图像分析和识别的目的。数学形态学的数学基础和所用语言是集合论, 因此它具有完备的数学基础, 这为形态学用于图像分析和处理、形态滤波器的特性分析和系统设计奠定了坚实的基础。数学形态学的应用可以简化图像数据, 保持它们基本的形状特性, 并除去不相干的结构。数学形态学的算法具有天然的并行实现结构, 实现了形态学分析和处理算法的并行, 大大提高了图像分析和处理的速度。
数学形态学是由一组形态学的代数运算子组成的, 它的基本运算有膨胀 (或扩张) 、腐蚀 (或侵蚀) 、开启和闭合。这4个基本运算在二值图像和灰度图像中各有特点。基于这些基本运算还可推导和组合成各种数学形态学的实用算法, 用它们可以进行图像形状和结构的分析及处理, 包括图像分割、特征抽取、边界检测、图像滤波、图像增强和恢复等。数学形态学方法利用一个称作结构元素的“探针”收集图像信息, 当探针在图像中不断移动时, 便可考察图像各个部分之间的相互关系, 从而了解图像的结构特征。数学形态学基于探测的思想, 与人的FoA (Focus of Attention) 的视觉特点有类似之处。作为探针的结构元素, 可直接携带知识 (形态、大小、甚至加入灰度和色度信息) 来探测和研究图像的结构特点[2]。
此处使用数学形态学算法中的开运算。开运算用来消除小物体, 在纤细点处分离物体, 在平滑较大物体边界的同时, 并不明显改变其面积。
这里使用图2所示4个结构元素分别对P1图进行开运算, 所得的两个结果相加, 得到去除单个像素噪声点后的结果P2 (图略) 。该过程后依然留下一些小的像素块噪声待后文处理。
1.3 裂纹断点的连接
图像的采集以及可疑成分的提取过程可能会使裂纹荧光磁痕的图像出现间断点, 这时需将裂纹图像连接起来。在此采用数学形态学中的闭运算方法对P2图进行处理。
该过程的关键是选取适当大小的结构元素, 采用直径为D的圆形结构元素对P2图进行闭运算用来连接图像中的间断点和微小缺陷, 以平滑图像。直径D的选取直接影响处理效果的好坏, D过大会导致裂纹图像与附近噪声区块甚至另一条裂纹相连, 造成判断图像模糊及裂纹的准确度下降;D过小则可能无法连接裂纹中的间断点, 并可能丢失裂纹信息。现选取D=7的圆形结构元素, 对P2进行闭运算后的结果记为图像P3 (图略) 。
1.4 连通区域的提取
这里需要提取P3图像中的每一个连通区域, 判定其是否为裂纹。在此提出一个简便的提取图像连通区域的方法:
(1) 创建一个与P3图像大小等同的二值图像R, 并设置所有值为false (即全黑) , 用于临时存放一个提取出的连通区域。
(2) 在P3中自上而下, 自左而右, 遍历各个像素, 查找第一个值为true点的坐标, 在图像R中设置该坐标点的值为true。
(3) 用3×3的结构元素对图像R做膨胀运算, 所得结果与P3做逻辑与运算, 得到图像R1。比较R与R1, 若R1中, true值点的数目多于R, 则令R=R1, 再次重复上述运算, 直至R中true值点的数目与R1的相等, 即图像R中的连通区域大小不再增加, 表示完成一个连通区域的提取。
(4) 提取一个连通区域后, 令P3=P3-R, 即在P3中去除已提取的连通区域, 再次查找P3中的首个true值点, 进行另一个连通区域的提取, 直至P3中所有值为false。如此即可提取P3中的所有连通区域。
该方法使用3×3的结构元素对连通区域的已知点做膨胀运算, 得到连通区域可能增加的所有点, 再与图像P3做逻辑与运算, 即可实现原连通区域的增加, 当连通区域不再增加时即为提取出了一个连通区域。该方法实现简便, 思路清晰, 计算效率也可满足需要。
1.5 对连通区域是否为裂纹的判断
经过上述四个步骤后所提取的连通区域尚不一定是裂纹图像, 仍有可能是工件表面污渍、锈迹等形成的斑痕, 这些斑痕有可能会比较大, 若直接使用连通区域像素数量的多少来判别连通区域是否为裂纹会产生误判。故此, 采用判别连通区域大小并结合判别连通区域圆形度大小的方法来判定区域是否为裂纹。
首先, 判断连通区域的大小, 即统计图像R中true值点的个数AREA。由图像与实际工件尺寸的比例来计算和设定区域大小的门限阈值THA, 即若AREA>THA, 则该区域可能为裂纹;若AREA<THA, 则该区域不可能为裂纹, 应为未消除的噪声像素块, 可将其忽略不计。文中设置的THA值为20。
对于可能为裂纹的连通区域, 计算连通区域图像的圆形度大小。圆形度用来描述区域形状接近圆形的程度, 它是测量区域形状常用的量。圆形度的一种计算方法是:圆形度
在圆形度的计算中, 参数AREA即为连通区域中像素点的个数。计算周长C的最简便方法是统计区域与背景交界点的个数, 该个数计为C, 这种计算方法在裂纹为斜向时会产生较大误差, 这里的方法是根据区域与背景交界点的不同状态赋予不同的权重, 若交界点在上下左右四个方向只有一侧为背景区, 则该点的边长权重为1;若交界点在两个方向接触背景区 (如上和右) , 则该点的边长权重为
创建与P3图像大小相同的二值图像P4, 用于存放被判定为裂纹的连通区域, P4各点初值设置为false, 得到一个判定为裂纹的连通区域图像R时, P4与R做逻辑或运算, 结果返回P4, 即P4 = P4 | R, 将所有连通区域判断完成后, 即得到原图像中所有裂纹的图像, 用于存储和记录。
连通区域图像的提取与裂纹判定的流程图如图3所示。
本文中的处理结果如图4所示, 它完成了荧光磁粉探伤图像的裂纹提取及识别。
2 结 语
使用裂纹自动识别系统代替轴承荧光磁粉探伤中的人工观察具有实用价值。这里对裂纹自动识别的软件方案进行了探讨和尝试, 提出了一种简便的连通区域提取方法, 改进了数字图像区域周长的计算方法。该算法在Matlab中完成测试, 识别结果具有一定的准确度, 证实了识别算法的可行性。
参考文献
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荧光技术 第8篇
一、资料与方法
1. 细胞系试剂及主要仪器
(1) 细胞系试剂
从美国Sigma公司购置荧光染料、顺铂、转染试剂、Bid、Caspase-3以及蛋白酶抑制剂等, 从国内暨南大学医学院获得人类肺腺癌细胞系, 从英国GIBCO公司购置小牛血清、培养基等。
(2) 仪器
微型CO2细胞培养箱, 酶联免疫检测仪, 激光共聚焦扫描显微镜以及红外荧光扫描成像系统。
2. 方法
(1) 质粒构建与细胞培养、转染
首先, 质粒p FRET-Bid在全长Bid的C端与N端口融合CFP与YFP。质粒p SCAT3主要是由Caspase-3的切割物DEVD联合YFP突变体形成的。质粒可以将氧化酶基因通过限制性内切酶酶切位点插入载体的N端, 进一步构建成在哺乳动物细胞内表达的新质粒。其次, 细胞培养液是DMEM, 需要加入浓度为10%的小牛血清, 约100mg/L的链霉素、青霉素等, 人的肺腺癌细胞需用胰蛋白酶消化, 并将其转移到细胞培养皿中, 培养1天左右, 促使细胞汇合 (50~70) %左右, 全部试验用品都利用顺铂处理诱导细胞凋亡。
(2) 激光聚焦显微镜成像检测
研究过程中激光共聚焦扫描在显微镜上实现, 为了检测转染p FRET-Bid、p SCAT-3在活细胞中的荧光共振能量转移效应, 需用长度为458nm的氩离子激光为激发光源, 用带 (470~500) nm长度的滤光片记录CFP、YFP通道的荧光图像, 并选用型号为BP600-650的滤色镜。然后用CCK-8检测顺铂细胞毒性, 将细胞在96孔板中培养, 确保其密度是5×103个/毫升。在浓度为5%的CO2, 温度为37度的饱和适度条件下培养1天左右。再将ASTC-a-1细胞放置一次性培养皿内, 分成观察组与对照组两组, 在观察组中加入20umol/L的顺铂进行处理, 用PBS清洗, 然后在荧光显微镜下观察细胞核型, 用相机记录实验结果。收集经过顺铂处理以后的细胞, 使用预冷PBS洗两次, 并用Bradford方法检测蛋白质浓度, 加入适量缓冲液之后将其置于100℃的温度条件下煮5min左右, 将浓度为12%的SDS-PAGE分离蛋白质以后转移膜, 膜需要用浓度为5%的脱脂牛奶封闭45分左右。最后将膜放在型号为LI-COR Odyssey红外荧光扫描成像系统中成像。
(3) 分析研究数据
研究所得的数据、图像等都用型号为Zeiss Rel3.2的软件进行图像处理, 在选定区域范围内实施荧光强度的定量分析。每次实验需重复3次以上, 对于重复的多个细胞实验进行详细分析。
二、结果
和对照组相比, 观察组通过顺铂处理后一天, 细胞活性显著性下降, 说明细胞存活率很低。然后在顺铂引导超过16h以后用Hoechst染色来检测细胞核形态发现, 对照组的细胞核呈现圆形, 而观察组的细胞核明显固缩凝聚, 部分甚至还发生了断裂, 进一步表明了通过顺铂诱导的细胞很容易发生凋亡。
采用根据荧光共振能量转移原理制作的荧光探针在活细胞内检测顺铂诱导细胞凋亡变化过程中Bid的蛋白切割变化。当Bid处于被切割之前, 其YFP与CFP距离很近, 激发CFP以后, 能量可以在彼此之间发生共振转移, 检测到YFP的荧光。在切割的过程中, YFP与CFP会被分离, 同时荧光共振能量转移降低或消失。而在漂白范围内, YFP的荧光强度显著性降低, 因供体蛋白能量不能共振转移到受体蛋白, 以至于供体荧光蛋白的荧光强度会骤然增强。
三、讨论
顺铂是当前临床治疗恶性肿瘤的常用化疗药品之一, 抗癌谱广, 但是患者长时间使用可能引起肿瘤耐药性, 进而降低疗效。本文通过研究荧光共振能量转移技术条件下各蛋白质分子动态行为可以提高对顺铂药理机制及功效的认识, 进而为临床诊治提供有益参考。在试验过程中用20umol/L的顺铂诱导人类肺腺癌细胞系的凋亡情况, 利用荧光成像的压细胞水平分析Bid转位线粒体的动力学特点发现:顺铂可诱导Bid切割, 切割以后从胞浆内转位至线粒体, 并且在凋末期, 能够检测到被激活的Caspase-3[2]。
Bid是促进细胞凋亡的重要因子, 其在触发线粒体凋亡过程中具有重要作用。运用FRET技术在活细胞中检测Bid切割情况, 分析出动力学特点可知, 这是一个非常缓慢的过程, 当Bid被切割以后向线粒体转位, 需花费 (90.6±15.8) 分钟。而Caspase是最终凋亡的执行者, 一般情况下, 该物质是以活性酶原形的方式存在哺乳动物的组织细胞中, 其被活化之后会切割底物的氨基酸序列, 促使细胞进程出现功能障碍, 进而破坏细胞结构成分[3]。其是诱发细胞凋亡蛋白酶级联反应的核心。通过借助FRET技术, 达到在活细胞生理条件下可看到顺铂诱导Caspase-3的动态变化过程。结果表明, 在细胞凋亡末期该物质被完全活化。
总而言之, 本次研究通过借助FRET技术, 在活细胞内部适时直接地观察到了顺铂诱导细胞凋亡的整个过程, 了解了Bid与Caspase等物质在凋亡过程中的动态变化, 有利于临床加深对顺铂这种药品抗肿瘤机制的认识, 进而为临床治疗提供有效借鉴。
摘要：本文主要利用荧光共振能量转移技术, 在活细胞内直观地研究分析顺铂这种药品诱导细胞凋亡的整个过程, 发现了Bid与Caspase等蛋白质分子在细胞凋亡过程中的动态变化, 以期提高临床对顺铂这种药品抗肿瘤机制的认识, 进而提高临床治疗肿瘤的效果。
关键词：荧光共振能量转移技术,顺铂,细胞凋亡
参考文献
[1]陆锦玲, 储军, 杨杰等.利用受体漂白荧光共振能量转移技术研究茁-分泌酶在活细胞内的二聚化[J].生物化学与生物物理进展, 2008, 35 (3) :268~273.
[2]张志毅, 周涛.荧光共振能量转移技术在生命科学中的应用及研究进展[J].电子显微学报, 2007, 26 (6) :256-257.
荧光技术 第9篇
1 量子点的基本特性
量子点又可称为半导体纳米微晶体, 是一种由II-VI族或III-V族元素组成的纳米颗粒。目前报道的主要是由Ⅱ-Ⅵ族 (如Cd S、Cd Se、Cd Te) 和Ⅲ-V族 (如Ga As、In Ga As、In P) 元素组成的均一或核/壳结构 (如Cd S/Hg S/Cd S) 纳米颗粒。由于光谱禁阻的影响, 当这些半导体纳米晶体的直径小于其玻尔直径 (一般小于10nm) 时, 就会表现出特殊的理化和光谱性质。如表面效应、量子尺寸效应、介电限域效应和宏观量子隧道效应, 从而派生出与宏观体系和微观体系不同的低维物性, 展现出许多不同于宏观块体材料的物理化学性质和独特的发光特性。
传统上, 量子点材料一般用于电子、物理和材料工程领域, 而1998年美国加州伯克利大学的Alivis atos小组和印第安纳大学Nie小组几乎同时提出荧光量子点可应用于生物标记这一思想, 并同时在《Science》发表了相应的研究结果, 开创了荧光量子点在生物技术中研究应用的先河。随后, 生物化学、分子生物学、细胞生物学、蛋白质组学、医学诊断、药物筛选和荧光检测等领域都不同程度的开展了相关的研究, 取得了可喜的研究成果, 而且荧光量子点在其他领域的新应用也如雨后春笋般涌现。本文重点综述了量子点的特性及其在荧光定量检测应用中的研究进展, 并对其在食品安全检测方面的发展前景予以展望。
2 与传统有机染料相比, 量子点有以下的优势
2.1 量子点是无机半导体材料, 激发谱宽, 发射谱窄
可以通过单一波长激发, 产生多种可被同时检测的发射颜色, 因此可用于多色标记。而传统的有机染料正好与之相反。
2.2 量子点的稳定性要远远高于有机染料分子
有资料表明, 大约是100倍。这点足以实现对一些生物过程的长时间跟踪标记。
2.3 量子点通过调整粒径的大小得到不同颜色的荧光
使用一种偶联方法就可实现多色标记。而这对于有机染料分子是不可能达到的。
3 量子点在荧光检测中的应用
3.1 常规荧光检测法
量子点在常规的荧光检测中的应用主要是荧光淬灭法。一些本身不发荧光的被分析物质可以使某种荧光化合物发生荧光淬灭, 通过测量荧光化合物荧光强度的下降, 可以间接的测定该物质的浓度。目前, 我国对这方面的研究比较多, 主要针对一些毒离子定量和快速测定。
严拯宇等于2005年首次报道了应用量子点进行药物分析的研究, 建立了一种测定中药饮片中微量铜残留的方法。Cd Se/Zn S核壳型量子点表面用牛血清白蛋白修饰后作为荧光探针, 而Cu2+在p H=7.4的缓冲液中的能使其发生荧光淬灭, 因而间接测定了铜的含量。研究表明, Cu2+浓度在0.6~6.0 ng/m l范围内有良好的线性关系 (r=0.9989) , 检测限为0.1ng/ml, 回收率在93.6%~108.0%。随着量子点在生物领域的应用日益广泛, 人们也开始尝试着利用其进行生物大分子的测定。
3.2 免疫荧光检测方法
美国华盛顿的Goldman研究小组长期以来一直致力于量子点标记抗体进行免疫荧光检测的研究并取得了卓著的成果。首先, 他们使用了一种重组蛋白作为量子点和抗体的偶联物, 通过静电作用完成对抗体的标记。而后, 他们又寻找到了一种更为优秀的偶联物———生物素。生物素和亲和素既可偶联抗体等生物大分子, 又可与多种标记物结合;生物素化的抗体还保持着原有的活性;1分子亲和素可与4分子的生物素结合, 而结合力是抗原抗体反应的1万倍, 从而产生多级放大效应, 大大提高检测的灵敏度。2003年, 他们应用此方法成功的检测了葡萄球菌B型肠毒素的含量, 检测限为10 ng/m l。
3.3 荧光共振能量转移
荧光共振能量转移 (FRET) 是一种荧光淬灭机制, 一种非辐射能量跃迁, 通过分子间的电偶极相互作用, 将供体激发态能量转移到受体激发态的过程, 供体荧光强度降低, 而受体可以发生敏化荧光或荧光猝灭。以前, 多利用此原理进行蛋白特异性结合的检测, 近年来也有人尝试利用此原理来进行定量分析。
Wang等用红色量子点标记BSA, 用绿色量子点标记抗牛血清白蛋白抗体 (Ig G) , 当二者发生特异性结合时, 由于发生了偶极-偶极相互作用, 产生了共振能量转移, 结果红色量子点荧光强度增强, 绿色量子点荧光强度相应减弱。当加入未标记量子点的BSA时, 与QD-BSA竞争性结合Ig G, 则红色量子点荧光强度下降, 而绿色量子点荧光强度恢复, 因而从荧光强度的变化可以检测BSA的浓度。
4 量子点在荧光检测中的前景和展望
随着量子点的制备技术和偶联技术的不断完善以及商品化量子点产品的推出, 量子点在各个生命科学领域的应用程度势必大大加强, 应用范围势必大大拓宽。在食品安全领域, 动物性食品中抗生素的残留问题一直是人们比较关注的话题, 但目前, 不同类药物的多残留检测方法还没有得以实现, 量子点的多色标记的出现给这个课题的攻关带来了新的转机, 并且已有试验表明量子点可以标记相应抗体用于抗生素的残留检测, 这一点足已为多残留检测的实现奠定坚实的基础。此外, 在医学临床方面, 可以根据量子点的多色标记特性, 同时检测几种病原, 节省诊断时间, 提高诊断效率, 从而达到更好的治疗效果。
总而言之, 一个新的材料的出现一定会给各种领域难以解决的问题带来新的希望, 在不久的将来, 人们一定会更好地利用荧光量子点的各种特性, 在越来越多的研究领域取得更大的突破。
摘要：量子点在生命科学的应用已成为人们研究的热点, 量子点荧光探针是近几年发展起来的一种新型荧光标记物。该文主要就量子点的荧光性能, 基于量子点标记的生物荧光探针的制备及其在生物医学领域中的应用研究进展作一概述及展望。
关键词：量子点,探针,荧光标记,荧光共振能量转移
参考文献
[1]杨文胜, 高明远, 白玉白, 等.纳米材料与生物技术[M].北京:化学工业出版社, 2005.
原子荧光检测技术及其不确定性分析 第10篇
随着社会的飞速发展与先进科学技术的不断提高, 人们对生活水平要求的标准也随着进一步提高。在日常生活中, 汞与砷会以各种化学形态侵入到环境中, 会污染空气, 污染水质及土壤, 同时也会造成食品污染, 直接间接地对人体造成极大的伤害。在环境监测、水质分析、食品检测和卫生防疫系统中, 汞与砷就在必须检测的一系列元素之中。现如今人们对饮水的要求已经不仅仅是卫生, 纯净, 更重要的是检测水里是否含有过高的有害物质, 同时对土壤污染程度, 食品卫生及食物内所含成分的比例及标准值也十分关注。检测技术中原子荧光检测技术则可以用来检测饮用水中汞和砷的含量, 土壤中砷含量及食用大米中汞含量是否超出国家标准, 用以保障人们的正常生活与身体健康。
一、原子荧光检测技术原理简析
在酸性的条件下, 化合价为三价的砷元素和化合价为二价的汞元素被硼氢化钾还原成砷化氢, 氢气和氩气在特制的点火装置作用下形成氩氢火焰, 从而使待测元素原子化。在元素砷和元素汞特制空心阴极灯的激化下, 砷原子与汞原子从基态被激发直至高能态, 在高能态回到基态的时候, 发射出特征波长的原子荧光, 其荧光强度在一定的范围内元素砷与元素汞的含量成正比。
二、原子荧光检测技术的特点
实现多元素同时检测, 且不受外界干扰, 使用方法简单快捷, 检测结果精确在检测技术的领域中是一项重大的突破。原子荧光检测技术则将这些检测优点集于一身。原子荧光光度计是一种可以同时检测砷和汞含量的方法, 并且此方法比以往传统的检测技术操作过程要更加简单快捷, 方便可靠, 最重要的是使用原子荧光检测技术, 其检测灵敏度更高, 且受干扰程度少, 检测结果精确可靠。
三、原子荧光检测技术的重要性
水资源与土壤资源是与人类生活密切相关的, 我们赖以为生的水稻生长是否健康安全绝大部分因素则取决于以上两种资源的安全程度。砷元素广泛的存在于自然界当中, 并且具有强金属性。从化学的角度上看, 砷元素的毒性及其低, 但其化合物通常带有剧毒, 其中化合价为三价的砷化物, 其毒性要比化合价为五价的砷化物毒性更加强, 倘若进入生物体内则会产生剧毒。元素砷可以通过皮肤, 呼吸系统及消化系统进入人体内部, 如果砷的摄入量超过一定限度, 则会在生物体内累积, 从而引起慢性或急性中毒事件。其中慢性砷中毒会引起消化系统异常, 神经系统及皮肤发生病变, 急性砷中毒很大可能会直接导致死亡, 并且砷元素还会致癌。国家标准认定, 汞元素在人体内累积到一定量时会对人的肾脏, 肝脏及神经系统产生及其严重的破坏。由此可见, 砷与汞超标对人体的危害都是极大的, 造成的损伤也是无法挽回的。所以, 一种高效快速, 且精密的检测设备显得尤为重要。
四、原子荧光检测技术的不确定性分析
原子荧光检测技术中所产生的不确定因素有很多, 其中包括测量仪器不够精密、环境条件的干扰、人员操作不当等等, 从而使实验室间的测量结果具有可比性。在上述引起不确定性的因素当中, 绝大多数都是由于在检测实验操作过程中产生的误差所引起的, 通常情况下与方法的固有偏差无关。
偏差整体控制与影响结果方法参数的控制有着密切的关系。同时从各个不确定度分量对测量不确定度大小的对比来看, 含量测定不确定度的主要因素是测量试液中砷元素含量与重复性引发的不确定度。所以, 在日常测量过程中, 我们必须随时调整仪器, 保证试验中实验仪器的良好性, 以避免或减少以上所述的不确定度分量。
计算不确定度分量大致可分为随机变化估计、回收不确定度估计、总性能研究的不确定度等。由于称量过程而引起的不确定度, 实验时, 我们将天平的灵敏度进行调整, 测量的可能值区间为半个区间, 由误差引起不确定度。重复称量引起的不确定度, 实验时将砝码放在天平上反复称量, 观察变动性标准差引入标准不确定度。
在使用比色管定容消化液时也可能产生不确定度, 比色管和溶液温度与校正时的温度不同同样会引起检测体积的不确定度。使用比色管引起不确定度时, 包括标准不确定度和相对不确定度, 温度引起的误差不确定度与重复测量引起的误差不确定度。但在实验时我们常常会忽略稀释对不确定度的影响。在实际使用原子荧光光度计测量时, 仪器自校准是保证其检测质量的一项重要手段。
五、原子荧光光度计故障排查
原子荧光光度计在对土壤的砷元素检测时, 其荧光强度非常低, 并且不会随着标准浓度变化而变化, 标准下的浓度荧光强度基本上和空白时相同。根据原子荧光光度计的工作原理, 其故障发生在荧光检测仪器内、原子化系统、氢化物发生系统、气路系统及电子线路部分的可能性极大。荧光检测器原子化系统排查时需注意, 使用原子荧光技术检测砷元素时, 检测过程中会产生有关砷的氢化物, 所以检测时必须要提供原子化温度。原子化温度主要是由氩氢火焰提供的, 炉丝除了点燃火焰外, 其自身还有保持炉体温度的作用, 所以炉丝在供电电压过低的情况下, 虽然也能点燃火焰, 但炉体温度过低会导致原子化效率, 导致基态原子生成不足, 使荧光的强度也过低, 因此检测时必须要达到合适的原子化温度才可进行检测。
六、结语
原子荧光光度计检测技术本着检测操作过程简单快捷, 方便可靠, 灵敏度高, 且抗干扰能力强, 检测结果精确可靠等众多优点已成为全国各个领域的常规检测仪器, 并向着更广阔的领域应用与发展。
摘要：随着高端科技的不断发展, 高分析度、高灵敏度、线性范围广、可同时检测分析多种元素的成为当今检测技术关注的焦点。原子荧光光谱分析是上世纪60年代中期提出并迅速发展起来的新型光谱技术。目前, 在国际上检测砷与汞的方法多种多样, 但这些方法都是单一的检测砷元素或者单一的检查汞元素。而原子荧光光度计是一种可以同时检测砷和汞含量的方法, 并且此方法比以往传统的检测技术操作过程要更加简单快捷, 方便可靠, 最重要的是使用原子荧光检测技术, 其检测灵敏度更高, 且干扰少, 结果精确可靠, 是当今检测技术的先锋。
关键词：原子荧光检测,砷,汞,不确定性
参考文献
[1]刘明钟.原子荧光光谱分析[M].化学工业出版社, 2008.
[2]蒋孝雄.原子荧光光度计砷检出限测量结果的不确定度的分析[J].江苏省计量科学研究院, 2010 (12) :56-57.
闪闪荧光棒 第11篇
威尔斯·钱铎斯是美国纽泽西州的一位化学家，酷爱野外露营。夏日的一个周末，好友爱德温一家三口邀请他去野外露营，钱铎斯欣然前往。夜幕降临，四个人围着篝火一边烤食物一边聊天。
突然，爱德温3岁的女儿苏珊兴奋地大叫：“快看，树林里有好多闪闪的小星星。”她一边喊着，一边往树林里跑去。爱德温夫妇赶忙跟着追了过去。原来，那是许多萤火虫在林中翩翩飞舞。苏珊跳着笑着，追逐着萤火虫，度过了一个难忘的周末。
两天后，钱铎斯去爱德温家，准备把落在爱德温车上的背包拿回家。可爱德温看上去有些发愁，原来苏珊病了——那天晚上的萤火虫很美，苏珊喜欢上了它们，可家里没有萤火虫，她很失落，抑郁成疾。
钱铎斯非常喜欢这个小家伙，决定看看她。苏珊一见到钱铎斯，便满眼期盼地说：“叔叔，萤火虫一闪一闪的，好漂亮，你让它们一直陪着我玩，好吗？”
钱铎斯不忍拒绝，应道：“好的，叔叔一定把萤火虫找来陪你，你不要再难过了，好吗？”苏珊一听，立刻高兴起来。
回到实验室，他便潜心研究萤火虫，弄清了它们发光的原因：萤火虫有发光细胞，发光细胞内有两种化学物质即荧光素和荧光素酶。荧光素接受ATP（三磷酸腺苷）提供的能量后被激活。在荧光素酶的催化作用下，激活的荧光素与氧发生化学反应，形成氧化荧光素并且发出荧光。
能不能根据萤火虫发光的原理发明一种发光的东西呢？经过多次试验，他发现草酸酰氯和过氧化氢与荧光染料混合，能发生微弱的化学发光反应。
这天苏珊生日，钱铎斯带着一个小盒子提前来到爱德温家，和爱德温一起布置苏珊房间。
晚上，苏珊和妈妈刚从外婆家回来，钱铎斯便告诉她，房间里有惊喜。她立即跑进房间，一开门，荧光点点，她惊喜万分。
原来钱铎斯找人在工艺店里做了一些小“萤火虫”——透明塑料管，管内放了过氧化氢与荧光染料。这些“小萤火虫”用细线悬在房间里，闪闪发光。
几天后，钱铎斯去看一场演唱会，观众热情高涨，几乎陷入了疯狂。一个男孩为了引起台上的注意，高举点燃的打火机。没想到，歌星注意到了这点光亮，并给了他热情的回应。
不一会儿，男孩周围的光亮连成了一片。原来附近所有有打火机的人全都点亮了打火机，现场气氛越来越火爆。
这时，钱铎斯突然想到如果在场的人都把他发明的“萤火虫”举起来，那现场气氛多热烈啊。
他回来后，把这个想法告诉了美国氰胺公司的迈克尔·劳赫。迈克尔觉得这个想法不错，决定与他合作。
最终，他们研制出了一种苯基草酸酯，这种酯类化合物和过氧化氢及荧光染料混合，能发出很亮的荧光。
之后，他们把苯基草酸酯装在一个细玻璃管里，外面套一个塑料管，里面装过氧化氢及荧光染料。使用时，将塑料管轻轻弯曲，折断塑料管中的玻璃管，再轻轻摇动，使液体充分混合，以达到最佳的发光效果。这种塑料管就是荧光棒。
荧光技术 第12篇
关键词：X射线,荧光,光谱,检测
原级X射线照射在待测样品上产生的次级X射线叫X射线荧光。X射线荧光光谱技术作为常规的射线检测技术,始于20世纪50年代初期,经历了50多年的发展,现在已经成为物质组成分析的必备方法。利用X射线荧光原理,理论上可以测量元素周期表中的每一种元素,但是在实际应用中,一般有效的元素测量范围为从铍(Be)到铀(U)的90余种元素。
X射线荧光光谱检测技术具有分析速度快、检测元素范围广、前处理简便、无污染、成本低廉以及无损检测等优点。在半定量和定量分析中,X射线荧光光谱检测技术优势也很明显,如在理论基础上发展起来的,已基本参数法为代表的基体校正方法已经广泛用于常规分析,使X射线荧光光谱的定量分析方法逐步从使用与试样的物理、化学形态相似的标准样品向使用非相似的标准样品过渡。其中半定量分析方法经调试后的仪器可以不用标准样品而进行定量分析,为提高X射线荧光光谱的野外现场分析和过程控制分析提供了有效的解决途径。X射线荧光光谱检测不但能对待测样品的元素组成进行定性和定量分析,还可以获得化学结构方面的信息(配位、价态、键性能等),如使用波长色散谱仪(EDXRF)进行样品检测分析。
从仪器的发展来看,随着微电子学和计算机技术的发展,谱仪已经具有了自动化、智能化、专业化、集成化和小型化的特点,如德国SPECTRO公司的x SORT型手持式XRF和美国Innov-X的Delta系列手持式XRF,它们最大的特点就是携带方便,适合外出检测和现场检测的需要。X射线荧光光谱仪已经从单一的波长色散X射线荧光光谱仪发展成为拥有波长色散、能量色散、全反射、同步辐射、质子X射线荧光光谱仪和X射线微荧光分析仪等仪器的家族系列,结合偏振光、掠射设计等装置可以满足不同层次和要求的检测任务,如Rigaku NEX QC能量色散X射线荧光光谱仪采用半导体制冷、50k V X射线管,自动连续批量测样。从常规分析的需求来看,现代X射线荧光光谱仪分析结果的准确度已经接近或达到化学分析水平,如赛默飞世尔公司的ARL PERFORM X波长色散X射线荧光光谱仪的测量范围从亚ppm到100%,可以测定元素周期表中超过90种元素并且可以对微小点状污染物或缺陷进行分析。
本文就X射线荧光光谱检测技术的基本原理和方法及其在相关学科领域的研究与应用进展等作一简要概述,提出了中国X射线荧光光谱检测技术发展中现存的不足,以期为XRF的快速发展提供借鉴并推动XRF光谱检测技术的进一步应用。
1 X射线荧光检测仪的构成、原理及分析方法
1.1 构成
X射线荧光光谱仪结构上一般由激发样品的光源(X射线管)、探测系统(色散、探测、谱仪控制)和数据处理系统3部分组成。X射线管产生入射X射线激发被测样品,从而使样品中的待测元素受激发放射出次级X射线,并且不同的元素受激放射出的X射线荧光具有特定的能量特性和波长特性;探测系统收集、测量这些次级X射线的能量及数量,通过仪器数据处理软件将探测系统所收集到的荧光信息转换成样品中待测元素的种类及含量信息。
1.2 基本原理
X射线荧光光谱法是利用样品对X射线的吸收随样品中的成分及其多少而变化来定性或定量测定样品中成分的一种方法。稳定的原子结构由原子核及核外电子组成,核外电子以各自特有的能量在各自的固定轨道上运行。当足够能量的初级X射线照射待测样品时,原子内层电子获得能量脱离原子的束缚而释放,该电子壳层产生相应的电子空位,处于高能量电子壳层的电子跃迁到该低能级电子壳层来填补相应的电子空位。由于不同电子壳层之间存在着能量差,这些能量差以X射线荧光(XRF)的形式释放出来。各元素的特征X射线的强度除与激发源的能量和强度有关外,还与这种元素在样品中的含量有关,根据不同元素的特征X射线的强度,通过换算从而获得该元素的含量信息。
1.3 分析方法
X射线荧光光谱检测技术的分析方法主要有定性分析、半定量分析和定量分析三大类。其中定性和半定量分析可检测出元素周期表中绝大部分元素,可测浓度范围大(0.0001%~100%)并且对样品非破坏,可以快速检测未知样品的组成和大致含量。定量分析结果的准确度已经接近或达到化学分析的水平。
1.3.1 定性分析
Moseley定律可以由下式表示:
式中:K、S为常数。
由Moseley定律可知,待测元素产生的特征X射线的波长λ与其原子序数Z一一对应。在定性分析中,需要从扫描获得的谱线图中辨认谱峰,从而确定测试样中含有的元素种类,进而逐步熟悉待测元素的主要特征谱线,以及常见的干扰谱线,从而确定合适的测量谱线,用于定量分析程序的编制以及谱线的重叠校正等。现代XRF谱仪均可自动对扫描的图谱进行峰位确定、背景和峰位净强度计算以及特征谱线数据库中进行配对,从而确定待测元素的种类和谱线类型。
1.3.2 半定量分析
长期以来XRF的半定量分析一直进展不大,主要由于不同元素的谱线之间以及同一元素的不同谱线之间的灵敏度均不相同,有的甚至相差很大,并且灵敏度还随着所使用的谱仪以及测量条件(如靶材、过滤片、管压、管流、狭缝、晶体、探测器、样品杯直径等)的不同而不同,加上元素之间存在的吸收—增强效应,以及试样形态的不同(合金或者氧化物、粉末压片或者熔融片)对待测谱线强度的影响,使得根据谱线强度进行半定量分析变得十分的复杂和困难。
1.3.3 定量分析
初级X射线照射试样,使待测元素产生X射线荧光,若元素和试验条件一致,X射线荧光的强度Ii与分析元素的质量百分浓度Ci的关系可以用下式表示:
式中:μm,K为常数。
在一定条件下(如样品组成均匀、表面光滑平整且元素间无相互激发),X射线荧光强度与分析元素含量之间存在线性关系,从而可以进行定量分析。
定量分析方法可以从不同角度分类成不同的方法,如从基体校正的角度出发可以分为:理论影响系数法、基本参数法、经验系数法、试验型无标样计算和试验校正法。但是,目前X射线荧光光谱法的基体校正仍未有普适性的方法,且复杂模型不利于实际应用。因此,在实际工作中常将理论影响系数法和经验系数法结合使用。
2 X射线荧光检测的典型应用
X射线荧光光谱分析适用性广,可以直接对块状、液体和粉末样品进行分析,也可对小区域或者微区试样进行分析;检测精度高,波长色散(WDXRF)和能量色散X射线光谱仪(EDXRF)对于元素的检测范围可以达到0.00001%~100%,对水样的分析可以达到10-9数量级,全反射X射线荧光光谱仪(TXRF)的检测限已经达到10-9~10-12g;稳定性高,光源的稳定性指标从原来的0.1%提高到了现在的0.04%,保证了仪器的长期稳定性,从而保证了分析数据的可靠性和结果的高精度。因此,X射线荧光光谱检测技术作为比较成熟的分析手段,已广泛的应用于工业、地矿、农田环境评价、医药卫生等领域,取得了广泛的社会经济效益。
2.1 XRF在工业、地矿中的应用
工业和地矿是X射线荧光光谱检测技术应用最为广泛的领域。以钢铁工业为例主要有矿山的矿石分析,选矿厂的流程在线分析,金属材料的分类和鉴定,炉前取样分析,镀层厚度和组成分析等应用。N.V.Alov等人利用XRF建立了连续控制系统,在传送带上对铁矿石组分在线分析,相比其他分析方法更有效率,提高了铁矿石组分管理的可靠性。Kozo Shinoda等人借助X射线荧光和X射线吸收光谱对Fe-Mn合金中元素组成和分布进行深入分析,结果表明:合金表面Mn含量丰富,在高温下有利于表面氧化锰的形成。陈荣庆等人用X射线荧光光谱法测定了钒渣中V2O5、Si O2、Al2O3、Ca O等成分的含量,采用“干扰增量法”测量与计算出重叠校正系数K进行校正测定钒渣标样的结果与认可值符合良好。韩杰等人应用X射线荧光光谱仪,对不同比例的Mn O和Mn O2的人工混合样品的谱峰参数进行了研究,找出了各个谱峰参数与不同价态锰含量之间的关系,并据此确定了中太平洋海山区大量富钴结壳样品中Mn4+的相对含量。
2.2 XRF在农田环境评价中的应用
农田环境是农产品质量安全的基础,其中重金属作为主要污染因子之一严重影响着产地环境的安全,因此对于土壤中重金属的分布规律和环境负荷指数的研究显得尤为重要。由于土壤基质复杂,且受到土壤含水量、粗糙度等理化因子的影响较大,应用XRF现场快速检测土壤中重金属的准确度和精密度都不太理想,无法实现大规模的应用,近年来科研工作者做出了很多尝试并取得了一些成果。Markey AM等人对78个土壤样本中的Pb含量,采用火焰原子吸收法(FAAS)和XRF法进行了分析,结果表明两种方法得到的结果相一致,但土壤中水分的影响XRF法直接用作田间筛选还存在困难。王平等人建立了偏振能量色散X射线荧光光谱用来同时测定土壤中Cr、Mn、Pb、Cu、As、Se重金属元素的方法并优化了试验条件,得到的方法线性良好,结果与原子吸收法和原子荧光法的测定结果相吻合。黄启廷等人尝试使用偏最小二乘法分析NITON XLt92O型便携式X射线荧光光谱仪采集的土壤X射线荧光光谱,分析土壤中Pb的含量,结果表明PLS回归分析模型预测的准确度显著优于一元线性回归和多元线性回归分析,证明该方法可作为进一步分析有效的筛选手段。X射线荧光快速检测与统计学和GIS相结合,对于认识区域土壤中重金属的分布规律,制定环境负荷指数具有积极的意义。
2.3 XRF在医药卫生行业中的应用
中国XRF应用领域主要集中在工业和矿山等传统领域,近年来,在医药卫生,尤其是中药成分研究、药物真伪辨别等方面出现了新的研究和应用成果。P.Mahawatte等人用EDXRF法对药物阿育吠陀中的K、Ca、Cr、Mn、Ti等19种元素的浓度进行了检测,为建立药品质量的重金属检测提供了简单的方式。王文静等人采用XRF测定了不同产地的阿胶样品中的元素种类和含量,并作出了元素特征谱,与阿胶对照品的元素特征谱作对比分析,建立了快速鉴别阿胶真伪的新方法。关颖等人利用XRF对第4代太空及地面组防风药用部分的元素含量进行测定和对比分析,结果表明太空防风药材中与性味功效相关的Zn、Fe、Mn和Cu的含量比地面组有相应的提高。
2.4 XRF在其他领域的应用
XRF除了在工业、地矿、农田环境、医药卫生领域得到应用之外,在其他领域也有应用尝试。如在考古领域中,K.Tantrakarn等人使用便携式X射线荧光光谱仪对克罗地亚扎达尔地区的罗马公墓中出土的玻璃制品进行现场和无损分析,结果表明天然Na2CO3被作为助熔剂,并且发现了克罗地亚沿岸和扎达尔用在制作无色钟形瓶所使用的脱色剂Mn和Sb的差异。在珠宝鉴定领域中,李建军等人采用常规宝石学手段并结合傅里叶变换红外光谱仪和能量色散X射线荧光光谱仪分别对水镁石、软玉和玻璃样品进行了测试和分析,结果表明:对于宝石的鉴定具有借鉴意义。在司法鉴定领域中,Visalakshi A.等人通过能量色散X射线荧光光谱法对玻璃碎片的元素组成进行分析,结果表明:不同玻璃的特性可以被区分,为犯罪证据的鉴定提供了依据。在生物细胞领域中,Lei等人用同步辐射X射线荧光法探针检测了Pb和As在超富集植物柔毛堇菜叶片中的细胞分布,得到了其在叶片中的分布区模式;在食品安全领域,Peter T等人对美国食品药物管理局(FDA)在食品、食品配料和食品添加剂等许多案例的研究表明,XRF法已被用于筛选并确定的某些产品的有毒元素量化指标。
3 中国X射线荧光光谱检测技术发展存在的问题
3.1 仪器方面问题
从技术层面看,中国X射线荧光光谱技术和国外依旧存在着较大差距,如国产X射线荧光光谱仪器,尽管使用寿命和精确度可以达到国际水平,但是由于自主研发能力薄弱,仪器的关键部件,如高分辨率的检测器、长寿命的X射线管,采用的都是进口部件,因此需要在关键技术和关键部件研发上开展科技创新,加强自主研发,开发一批拥有自主知识产权的低成本、高效用新设备。
从使用层面看,中国无论是在传统的矿山、钢铁领域还是在新兴的医药卫生、农田环境监测领域,XRF的使用都将会越来越普遍,发挥的作用也将越来越大,但是国外X射线荧光光谱设备动辄几十万、上百万,使国内很多机构无法负担昂贵的仪器购买费用,在很大程度上限制了X射线荧光光谱检测技术在国内的发展。
3.2 基体效应问题
使用XRF法快速检测样品时,由于基体效应的存在造成增强效应或者吸收效应,破坏了X射线荧光照射率与含量之间的线性关系,为此对非单一组分的测量对象必须考虑基体效应问题。随着XRF技术的发展以及现代化学、计量学和人工智能技术等的引入,基于基体校正定量分析方法的研究,国内外学者在诸多领域尝试了许多新的方法。Tuo等人研究了在EDXRF分析中,基于神经网络的基体效应校正方法,通过对样品的自动分类,有效校正了基体效应,提高了准确度。童晓民等人选择了二次干扰曲线法并依据一定顺序校正谱线重叠干扰和加内标元素校正基体效应,建立了测定Zr O2试剂及其矿物中含量范围较宽的Zr O2和Hf O2的X射线荧光光谱分析方法。李哲等人采用先分类后预测的神经网络技术对用EDXRF分析仪测量钛铁矿样时存在的基体效应影响进行了校正,具有着一定的实用价值。对于基体效应的校正仍然有很多研究工作有待完成。
3.3 标准的建立
由于X射线荧光光谱技术应用领域广泛,不同环境中测试条件存在差异,检测结果往往相差较大,随着XRF技术的发展和普及,对于XRF使用标准的建立就显得非常重要。当前只有冶金行业有使用WDXRF测定Ni、Si、P、Mn、Co、Cr和Cu含量的国标方法,但是该标准的应用范围只有铸态镍铁,而铸态镍铁标样的获取比较困难,粉末状的镍铁由于存在较严重的基体效应,而熔融法测镍铁又需要较高技术,都无法推广使用,因此标准的适用性并不很强。将XRF做为标准方法推广使用还有很多工作需要完成。
4 结语
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