综述:紫外辐射辅助消化技术及其在绿色分析化学中的应用设备

时间:2026年1月20日
来源:TrAC Trends in Analytical Chemistry

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紫外辐解技术通过绿色高效分解复杂有机基质实现样品前处理革新,其核心机理在于紫外激发自由基生成与有机物协同降解,结合微流控与多场协同系统可显著提升消解效率并降低污染。该技术已广泛应用于环境水质、生物样本及食品医药安全检测,未来向智能化、微型化发展潜力显著。

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杨晓芳|刘园园|张占科|文晓东|郑成斌
中国云南省大理大学组织学与胚胎学系,671000

摘要

随着对环保分析技术需求的不断增长,迫切需要开发绿色高效的样品消化方法来克服传统技术的不足。紫外光辅助消化(UVD)作为一种替代方案,使用少量试剂即可完成样品消化,从而最大限度地减少试剂带来的污染并提高分析性能。这对超痕量分析非常有益,因此在许多分析领域引起了广泛关注。本文全面总结了UVD方法和设备的最新进展及其应用,系统阐述了紫外光诱导自由基生成和有机基质分解的机制,总结了紫外光源的关键进展,强调了UVD反应器设计的创新,并深入探讨了其在各个领域的应用,同时讨论了该技术的未来前景。本文为UVD技术在分析化学中的持续创新和更广泛应用奠定了理论和实践基础。

引言

在现代分析化学中,样品预处理对于提高分析结果的准确性、灵敏度和可靠性至关重要[1]、[2]、[3]、[4]。对于含有复杂有机基质的样品(如环境水、食品、生物和药品样品),在避免分析物损失和二次污染的同时,高效彻底地分离或转化目标分析物仍然是分析科学的核心挑战[5]、[6]、[7]。传统的样品消化方法主要依赖于高温条件下的强酸处理,包括开放式和封闭式消化技术[8]。开放式消化存在分析物挥发损失和有毒酸雾生成的风险,而封闭式消化(尤其是MIC和MWD)虽然能够减少挥发损失,但仍需要繁琐的后处理步骤(如酸去除和长时间冷却),从而显著降低了分析效率[9]、[10]、[11]。因此,开发快速、高效且环保的新型样品预处理方法已成为分析化学研究的重要课题。
紫外光辅助消化(UVD)技术作为一种基于光化学原理的先进氧化过程,为解决上述问题提供了绿色高效的途径[12]、[13]。该技术利用紫外光生成高活性的氧化物质,使样品中的有机基质在常温或温和温度下快速完全分解。其方法论和设备的发展密切相关,共同推动了这项技术的进步。从最初的简单浸没式和批量UVD反应器,到与流动分析技术(如FIA[14]、[15]和SIA[16])无缝集成的复杂在线连续流系统,再到与微波[17]和超声波[18]等能量场协同工作的混合消化系统,最近的创新显著加速了该技术在自动化、微型化和集成方面的发展。特别值得注意的是先进紫外光源的出现,包括VUV系统、UV-LED和微等离子体UV灯,这些光源在波长选择性、即时操作和紧凑设计方面具有显著优势[13]、[19]。同时,光-Fenton/Fenton类材料(如Fe2+和Fe0[20]、[21])、光催化材料(例如TiO2和CdTe)[22]、[23]以及光电化学系统[19]的战略性结合显著提高了紫外光的利用效率和消化性能。这些发展结合微流控技术和基于MEMS的反应器设计[25],使得UVD平台实现了微型化、自动化和高效化,适用于实验室和现场应用。
本文旨在系统总结UVD方法论的进展和设备创新。首先将阐明不同系统中活性氧化物质生成途径和作用机制,随后详细分析UVD系统的核心组成部分,包括紫外光源的演变和特性,以及反应器设计的创新和优化。此外,本文还将全面总结和评估UVD方法和设备在水质分析、生物样品分析、食品安全监测和药品质量监控等领域的应用,展示其在解决实际问题方面的能力(图1)。最后,本文将探讨UVD方法和设备的未来发展趋势,讨论其在智能化、微型化和处理更复杂基质方面的潜力。通过本文,我们希望为相关领域的研究人员提供有价值的见解,并促进UVD在分析化学中的进一步创新和应用。

紫外光辅助消化机制

紫外光的氧化特性长期以来一直受到研究[26]。自然环境中发生的光氧化过程伴随着氧化自由基的生成,这些自由基几乎可以攻击和降解所有有机化合物[27]、[28]、[29]、[30]。本节重点讨论样品消化过程中紫外光诱导的自由基生成机制。目前,通过紫外光生成自由基的主要途径有:(1)

紫外光源

紫外光的波长范围为10至400纳米,传统上分为以下几类:UVA(400–320纳米)、UVB(320–280纳米)和UVC(<280纳米)[47]、[48]、[49]。在这些应用范围内,主要使用含有挥发性元素(如汞或镉)的放电灯[50]。这一传统可以追溯到人们发现汞在电弧中的蒸发会产生强光,由此发明了第一盏汞灯。

紫外光辅助消化方法和设备的应用

由于其独特的优势,UVD技术在多个分析领域展示了显著的应用价值。从最初的环境水质分析应用,到其在生物样品分析、食品安全监测和药品质量控制中的广泛应用,UVD方法和设备不断进行创新,设备持续优化,应用范围也在不断扩大(表2)。

结论与未来展望

经过数十年的发展,UVD技术已经发展成为一个涵盖多种方法和设备的综合体系。其进步清楚地反映了分析科学向绿色化、自动化、微型化和智能化发展的必然趋势。从方法论角度来看,UVD技术已从单纯依赖紫外光解发展到结合多种技术的先进氧化平台。

数据提供

数据可应要求提供。

作者贡献声明

张占科:验证。 文晓东:撰写——审稿与编辑,监督,项目管理。 郑成斌:撰写——审稿与编辑,监督,项目管理。 杨晓芳:撰写——初稿。 刘园园:验证

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

作者衷心感谢国家自然科学基金(编号:22176021)和云南省基础研究项目[编号:202401AS070028]的支持。

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