厦门大学王秋泉团队创新光催化技术，开启原子光谱新范式

厦门大学王秋泉团队创新光催化技术，开启原子光谱新范式

原子光谱（Atomic Spectroscopy, AS）作为元素分析中的核心技术，凭借其对电子跃迁的高选择性，长期占据着分析化学领域的重要地位。传统原子光谱的分析流程通常包括溶液样品制备、雾化形成气溶胶、传输、随后进入火焰或非火焰原子化器完成气相原子化，最终进行光谱检测。这一流程在实际应用中，各环节均存在显著的效率损耗。

以氢化物发生-原子荧光光谱（HG-AFS）为例，其流程包括氢化物发生、气液分离、气体传输、氩氢火焰原子化以及光谱激发与检测。然而，氢化物的发生效率受酸度、氧化态和共存离子的多重影响；气液分离装置对氢化物的捕集效果有限；气体传输过程则因稀释效应而削弱信号强度；至于火焰原子化器，其高能耗和对环境因素的敏感性也带来诸多挑战。更关键的是，对于无法生成挥发性氢化物或冷蒸气的元素（如镍、钴、镉、锌、铅等），传统方法几乎无法胜任，必须依赖更为复杂的等离子体源（如ICP）或石墨炉原子化器，进一步推高了仪器成本和操作难度。

多年来，研究者们持续探索替代方案。早期尝试包括在溶液中通过化学还原法（如Ag⁺、Cu²⁺、Pd²⁺的还原）生成自由原子并检测其吸收信号。然而，这种方法仅适用于少数具备低还原电位的金属离子，难以推广至多数元素。近年来，光化学蒸气发生和纳米半导体光催化蒸气发生技术（如UV/TiO₂-HCOOH）虽取得一定进展，但这些技术依然遵循“气相原子化”的传统框架——光化学过程用于生成氢化物或挥发性物质，原子化仍需依赖外部火焰原子化器。此外，这些方法通常依赖有害的紫外光，带来操作风险。

因此，一个关键问题浮出水面：是否有可能完全跳过气液分离、气相传输和火焰原子化器等环节，直接在溶液中实现元素的原子化并进行光谱检测？如果这一设想得以实现，将对原子光谱技术带来革命性变化：

1. 消除气液分离和传输过程中的稀释效应，从而显著提升检测灵敏度；
2. 摆脱对挥发性物种生成能力的依赖，大幅扩展原子光谱可检测的元素种类；
3. 取代有害紫外光和火焰原子化器，实现更绿色、安全、节能的分析流程。

要实现“溶液原位原子化”，核心挑战在于如何在温和条件下（如室温、中性或弱酸性环境、溶液相中）提供足够的还原驱动力，将离子态元素还原为自由原子，并确保其在溶液中具有足够的稳定性。这不仅涉及热力学上多电子还原过程（如AsO₃³⁻ + 6e⁻ → As⁰ + 3O²⁻）所需的强还原电位，也涉及动力学上的快速响应——自由原子在溶液中的寿命极短，必须在生成后迅速激发并检测。

针对这一挑战，厦门大学王秋泉团队提出了一种创新方案：通过Z型异质结光催化剂（GaP@N-TiO₂）在可见光驱动下，借助甲酸（HCOOH）介导的“氧化性空穴→还原性自由基”机制，原位生成强还原性物种（如CO₂•⁻）和光生电子。这些物质协同作用，将金属离子还原为自由原子，并通过精心设计的流动池完成原子荧光检测（isAFS）。该方法有效规避了传统流程中多个低效步骤，并首次引入可见光驱动机制，标志着原子光谱领域进入“溶液原位原子化”的新纪元。

该研究成果发表于《美国化学会志》（Journal of the American Chemical Society, JACS），论文标题为 Photocatalytic Atomization of the Elemental Species in Solution for Atomic Fluorescence Spectrometry，DOI 编号为 10.1021/jacs.5c20257。

通讯作者简介

王秋泉（Qiuquan Wang），厦门大学教授，1998年于日本群马大学获工学博士学位。曾担任《Anal. Sci.》副主编（2010-2011）、《科学通报》编委，现为《Anal. Bioanal. Chem.》编辑，并担任《分析化学》、《环境化学》和《质谱学报》等多份学术期刊编委。同时，他也是中国仪器仪表学会原子光谱分析专业委员会副主任委员兼秘书长，中国稀土学会理化检验委员会委员。

王教授的研究聚焦于色谱与分离科学、原子光谱与质谱分析，特别是在复杂环境和生物体系中关键元素与分子的分析方法学、持久性有毒污染物质的分离与检测等方面。他关注元素的迁移转化机制、生物可利用性与毒性、污染环境的生物修复路径，同时致力于发展化学选择性和生物专一性的元素标记策略，推动金属组学与定量蛋白质组学研究。

他主持过国家重点基础研究发展计划、“863”计划及多项国家自然科学基金项目。研究成果发表于 J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Environ. Sci. & Technol., Metallomics, Anal. Chem. 等高水平期刊，累计发表论文百余篇，参与Elsevier专著编写，受邀在国内外重要学术会议上作大会报告和特邀报告30余次，并拥有十余项发明专利。目前，他还担任厦门大学谱学分析与仪器教育部重点实验室副主任。