三種多環(huán)芳烴混合溶液二維熒光相關(guān)譜解析

周長宏，趙美蓉，楊仁杰，朱文碧，董桂梅

1. 天津大學(xué)精密測試技術(shù)及儀器國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072 2. 天津農(nóng)學(xué)院工程技術(shù)學(xué)院，天津 300384 3. 天津農(nóng)學(xué)院農(nóng)業(yè)分析測試中心，天津 300384

三種多環(huán)芳烴混合溶液二維熒光相關(guān)譜解析

周長宏1，2，趙美蓉1*，楊仁杰2*，朱文碧3，董桂梅2

1. 天津大學(xué)精密測試技術(shù)及儀器國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072 2. 天津農(nóng)學(xué)院工程技術(shù)學(xué)院，天津 300384 3. 天津農(nóng)學(xué)院農(nóng)業(yè)分析測試中心，天津 300384

多環(huán)芳烴為優(yōu)先控制污染物，但是由于其含量很低，多組分多環(huán)芳烴熒光峰相互重疊，所以常規(guī)熒光光譜法無法對其熒光峰進(jìn)行有效解析。采用二維熒光相關(guān)分析方法對三種多環(huán)芳烴，蒽、菲和芘的混合溶液進(jìn)行熒光峰解析。根據(jù)研究目標(biāo)，按照三種多環(huán)芳烴濃度比的不同配制了三種混合物體系，共27個樣本，每種體系的三種溶液濃度彼此間按規(guī)律遞增和遞減。在此基礎(chǔ)上，以濃度為外擾，構(gòu)建了各體系的同步和異步二維熒光相關(guān)譜。同步譜中，在425，402，381，373，365，393及347 nm處產(chǎn)生自相關(guān)峰。以未被覆蓋的菲在347 nm處熒光峰為線索，通過其與各波長處熒光交叉峰的正負(fù)，判斷出了402，381，425和452 nm處熒光峰源于混合溶液中的蒽； 373與393 nm處熒光峰源于混合溶液中的芘； 365，356及347 nm處熒光峰源于混合溶液中的菲。通過異步譜解析出菲的385 nm處熒光峰，證明了異步譜比同步譜具有更好的光譜分辨率。研究結(jié)果表明，采用二維熒光相關(guān)方法對光譜嚴(yán)重重疊的多組分多環(huán)芳烴的解析是可行的，并具有一定的優(yōu)勢，可推廣到對環(huán)境中其他污染物質(zhì)的檢測。

多環(huán)芳烴; 二維熒光相關(guān); 同步譜; 異步譜

引 言

多環(huán)芳烴(polycyclic aromatic hydrocarbons，PAHs)是分子中含有兩個以上苯環(huán)的碳?xì)浠衔铩６喹h(huán)芳烴來源于大自然及人類生產(chǎn)生活諸多方面，比如： 天然石油本身含就有多環(huán)芳烴； 而森林火災(zāi)以及煤、煙草及其他碳?xì)浠衔锏牟煌耆紵榷紩a(chǎn)生多環(huán)芳烴，因此該物質(zhì)來源廣泛，與人類生活息息相關(guān)的水、土壤、空氣、農(nóng)作物和食品等都可能受到多環(huán)芳烴的污染。由于許多多環(huán)芳烴對生物體具有一定致癌、致畸、致突變的作用[1-2]，因此對多環(huán)芳烴的檢測已得到很多國家和地區(qū)人們的重視。多環(huán)芳烴具有剛性平面結(jié)構(gòu)等特點(diǎn)，在特定波長光激發(fā)下，會產(chǎn)生較強(qiáng)的熒光，因此對其使用熒光光譜法進(jìn)行檢測成為可能[3-5]。由于待分析的多環(huán)芳烴多處在成分復(fù)雜的基質(zhì)中，因此常規(guī)熒光光譜相互重疊，無法對環(huán)境中的多環(huán)芳烴污染物熒光峰進(jìn)行有效解析。二維相關(guān)光譜技術(shù)相對于傳統(tǒng)一維譜圖具有顯著優(yōu)勢，不僅提高了光譜分辨率[6-9]，而且能給出不同信號峰之間的變化關(guān)系，揭示各個基團(tuán)之間的關(guān)系和變化順序； 將其與熒光光譜分析相結(jié)合的二維熒光相關(guān)光譜技術(shù)，突破了傳統(tǒng)熒光光譜分析法的局限性[10-11]，是污染物分析領(lǐng)域的一個有力工具。

本工作采用二維熒光分析法，針對三種多環(huán)芳烴、蒽、菲和芘的混合溶液，在濃度為外擾的情況下，研究其二維熒光相關(guān)譜特性； 在此基礎(chǔ)上，通過交叉峰的正負(fù)和有無實(shí)現(xiàn)混合溶液中蒽、菲和芘熒光峰的解析和指認(rèn)，為多組分多環(huán)芳烴的同時分析提供了參考。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與樣品

實(shí)驗(yàn)儀器采用美國PerkinElmer公司的LS-55熒光分光光度計(jì)，脈沖氙燈光源，采用1 cm石英液體池比色皿； 激發(fā)和發(fā)射單色儀狹縫寬度分別為5和2.5 nm，掃描速度為1 000 nm·min-1，在340～500 nm范圍內(nèi)測量每個樣品的熒光光譜，掃描間隔為1 nm； 實(shí)驗(yàn)試劑為蒽、菲、芘、無水乙醇分析純試劑及超純水。

分別準(zhǔn)確稱取質(zhì)量均為50 mg的分析純蒽、菲和芘，采用無水乙醇溶解，并定容到500 mL棕色容量瓶中，配置濃度均為0.1 g·L-1的蒽、菲和芘的儲備液，低溫避光放置備用。移取不同量的蒽、菲和芘儲備液，采用超純水稀釋，利用逐步稀釋法配置濃度均為0.000 1 g·L-1的蒽、菲和芘單組分溶液。并從三種單組分的溶液中分別取出不同體積的溶液混合, 配置成三種混合物體系，得到蒽、菲、芘之間不同質(zhì)量濃度比的混合溶液共27個樣品； 在27個樣品中，樣品No.1—No.9屬于第一種體系，蒽濃度遞減，菲和芘的濃度遞增； 樣品No.10—No.18屬于第二種體系，芘濃度遞減，而菲和蒽的濃度遞增； 樣品No.19—No.27屬于第三種體系，菲濃度遞減，而芘和蒽濃度遞增[12]。

1.2 二維熒光相關(guān)譜計(jì)算

采用二維相關(guān)譜分析法作為解析手段。假設(shè)原始常規(guī)一維熒光光譜B(m×n)包含m個光譜，根據(jù)二維相關(guān)Noda理論[13-14]，同步光譜強(qiáng)度Φ(ν1,ν2)等于不同波數(shù)(ν1,ν2)的動態(tài)光譜強(qiáng)度的矢量積

(1)

異步光譜強(qiáng)度Ψ(ν1,ν2)則等于(ν1,ν2)處動態(tài)光譜強(qiáng)度的Hilbert-Noda矩陣的矢量積

(2)

式中N為m階方陣，即為Hilbert-Noda矩陣，其矩陣元為

2 結(jié)果與討論

2.1 一維熒光光譜特性

圖1為蒽、菲和芘在超純水中的單組份常規(guī)一維熒光光譜，濃度均為0.000 01 g·L-1。顯然，蒽在381，402，425及452 nm處存在熒光峰； 芘在373及393 nm處存在熒光峰； 菲在356，365，347及385 nm處存在熒光峰。從圖1中可知，蒽、菲和芘的熒光峰主要在340～460 nm范圍內(nèi)。因此，在后述討論中僅在360～460 nm范圍內(nèi)對各組分的熒光峰進(jìn)行解析。

Fig.1 The 1D fluorescence spectra of anthracene, phenanthrene and pyrene

圖2(a)，(b)和(c)分別是混合溶液第一、二和三體系樣品在360～460 nm范圍內(nèi)的常規(guī)一維熒光光譜。顯然，三種體系中，在347 nm處菲的熒光峰，都可以清晰的分辨出來，而蒽、菲和芘的其他熒光峰都隨著混合溶液中各自濃度的變化，其特征峰都被覆蓋或淹沒。因此，通過常規(guī)一維熒光光譜無法對混合溶液中各組分的熒光峰進(jìn)行有效解析。

Fig.2 The 1D fluorescence spectra of the mixtures of anthracene, phenanthrene and pyrene with varying concentrations

2.2 同步二維熒光相關(guān)譜特性

對第一種體系(樣品No.1—No.9)，以濃度為外擾，采用式(1)對其進(jìn)行同步二維熒光相關(guān)譜計(jì)算，得到第一種體系的同步二維熒光相關(guān)譜(見圖3)。同步譜圖中在主對角線上425，402，381，373，365和347 m處存在較強(qiáng)的自相關(guān)峰，表明這些波長處的熒光峰強(qiáng)度隨著外擾蒽、菲、芘濃度的改變而變化。在主對角線外側(cè)，存在一系列的交叉峰，在(381, 347)，(402, 347)，(425, 347)及(452, 347)nm處交叉峰均為負(fù)，這表明381，402，425和452 nm處熒光峰強(qiáng)度隨外擾變化的方向與347 nm處變化方向相反。由于347 nm處為菲的熒光峰，且混合溶液中蒽濃度在減小，而菲和芘濃度在增大，因此可知452，402，425及381 nm處熒光峰來自于混合溶液中的蒽，這與圖1中單組份的蒽溶液熒光峰一致； 同時，從圖3中還可以看出，在(365, 347)，(373, 347)，(393, 347)及(393, 347) nm處交叉峰均為正，可知365，373及393 nm處熒光峰來自于混合溶液中的芘和菲，但具體歸屬無法判斷，需要對第二種混合溶液體系進(jìn)行二維熒光相關(guān)分析。

Fig.3 Synchronous 2D fluorescence correlation spectrum of the first mixed system

對第二種體系(樣品No.10—No.18)，以濃度為外擾，采用式(1)對其進(jìn)行同步二維熒光相關(guān)譜計(jì)算，得到第二種體系的同步二維熒光相關(guān)譜(見圖4)。同步譜圖中在主對角線上425，402，393，381，373，365和347 nm處存在較強(qiáng)的自相關(guān)峰。在主對角線外側(cè)，存在一系列的交叉峰，在(373, 347)和(393, 347) nm處交叉峰均為負(fù)，這表明373和393 nm處熒光峰強(qiáng)度隨外擾變化的方向與347 nm處變化方向相反。由于347 nm處為菲的熒光峰，且混合溶液中芘濃度減小同時菲和蒽濃度在增大，因此可知373及393 nm處熒光峰來自于混合溶液中的芘； 在(365，347) nm處存在正的交叉峰，并根據(jù)第一種分析體系解析的結(jié)果推測365和347 nm處熒光峰自于溶液中的菲； 同時，在圖4中(425, 393)，(425, 373)，(402, 393)，(402, 373)及(393, 381)nm處的負(fù)相關(guān)峰，說明393及373 nm處熒光峰與蒽的425，402及381 nm處特征峰變化不同，進(jìn)一步說明了393及373 nm處熒光峰均來自于芘。

Fig.4 Synchronous 2D fluorescence correlation spectrum of the second mixed system

為驗(yàn)證上述兩種體系對混合溶液中重疊峰解析的正確性，對第三種體系(樣品No.19—No.27)，以濃度為外擾，構(gòu)建同步二維熒光相關(guān)譜(見圖5)。在主對角線上402，381，365和347 nm處存在較強(qiáng)的自相關(guān)峰。在主對角線外側(cè)，存在一系列的交叉峰，其中(365，347) nm處為正的交叉峰，因?yàn)榛旌先芤褐蟹茲舛葴p??； 同時芘和蒽濃度增大，因此365 nm處熒光峰必定與347 nm處熒光峰源于同類熒光物質(zhì)，即來自混合溶液中的菲。從圖中還可看出，在(365, 356) nm處存在正的交叉峰，這表明356 nm處熒光峰也來源于菲。在(425, 347)，(381, 347)，(393, 347)，(373, 347)，(452，347)和(402, 347) nm處存在負(fù)的交叉峰，進(jìn)一步驗(yàn)證了第一、第二種體系熒光峰解析的正確性，即： 393和373 nm處的熒光峰來自混合溶液中的芘，而425，381，452及402 nm處熒光峰來自混合溶液中的蒽； 同時，在(425, 365)，(402, 365)，(381, 365)及(356, 402) nm處存在負(fù)交叉峰，可知365和356 nm處熒光峰與蒽的381，402和425 nm處的特征熒光峰隨外擾變化趨勢不同，進(jìn)一步說明365，356及347 nm處熒光峰為菲的特征峰。

Fig.5 Synchronous 2D fluorescence correlation spectrum of the third mixed system

2.3 異步二維熒光相關(guān)譜特性

為了更進(jìn)一步說明上述三種體系對混合溶液中重疊熒光峰解析的正確性，以濃度為外擾，對第一(樣品No.1—No.9)和第二種體系(樣品No.10—No.18)，采用式(2)對其進(jìn)行異步二維熒光相關(guān)譜計(jì)算，分別得到第一和第二種體系的異步二維熒光相關(guān)譜(見圖6和圖7)。在402，381，425和452 nm波長間不存在交叉峰，這表明這些波長處所對應(yīng)的熒光峰隨外擾蒽濃度變化的速率是相同的，說明這些峰的來源相同，都來自混合溶液中的蒽； 熒光峰373與393 nm波長間不存在交叉峰，這表明這些峰隨外擾芘濃度變化的速率是相同的，進(jìn)一步說明這些峰的來源相同，即都來自混合溶液中的芘； 熒光峰365，356及347 nm波長間不存在交叉峰，這表明這些峰隨外擾菲濃度變化的速率是相同的，進(jìn)一步說明這些峰的來源相同，即都來自混合溶液中的菲； 而蒽、菲和芘彼此之間都存在交叉峰，也證明了上述結(jié)論。此外, 從圖6和圖7中還可觀察到，在(385，373)，(385，393)和(385，402)nm處存在交叉峰，可判斷出385 nm處熒光峰源于混合溶液中的菲(該峰在同步譜中并未出現(xiàn))，這也證明了異步譜比同步譜具有更好的光譜分辨率[15]。

Fig.6 Asynchronous 2D fluorescence correlation spectrum of the first mixed system

Fig.7 Asynchronous 2D fluorescence correlation spectrum of the second mixed system

3 結(jié) 論

采用二維熒光相關(guān)光譜方法對蒽、菲和芘混合溶液中嚴(yán)重重疊的熒光峰進(jìn)行解析，研究結(jié)果證明了該方法的可行性。與常規(guī)熒光分析法相比，該方法具有較強(qiáng)的重疊光譜分辨能力，且操作簡單，能夠辨析出待測體系更多的熒光特征信息，因此該方法具有一定的理論分析優(yōu)勢和實(shí)際應(yīng)用價值，具有十分廣闊的應(yīng)用前景。

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*Corresponding authors

Analysis of Three Polycyclic Aromatic Hydrocarbons in Solution Based on Two-Dimensional Fluorescence Correlation Spectroscopy

ZHOU Chang-hong1, 2, ZHAO Mei-rong1*, YANG Ren-jie2*, ZHU Wen-bi3, DONG Gui-mei2

1. State Key Laboratory of Precision Measuring Technology and Instruments, Tianjin University, Tianjin 300072, China 2. College of Engineering and Technology, Tianjin Agricultural University, Tianjin 300384, China 3. Laboratory of Agricultural Analysis, Tianjin Agricultural University, Tianjin 300384, China

Polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) are listed as the priority pollutants. It is difficult to resolve effectively the peaks of PAHs by conventional one-dimensional fluorescence spectroscopy due to its low content and the overlapping fluorescence peaks. In this paper, the two-dimensional (2D) fluorescence correlation spectroscopy will be applied to the analysis of highly overlapped fluorescence spectra of the mixed solution of anthracene, phenanthrene and pyrene. According to the research goals, three mixed systems and a total of 27 samples, are to be prepared with different concentrations of three PAHs. Concentrations of three PAHS are monotonically increasing or decreasing in each mixed system. Then the 2D fluorescence correlation spectrum of each mixed systems will be calculated under the perturbation of the concentration of anthracene, phenanthrene and pyrene in solution. There are seven strong autopeaks at 425, 402, 381, 373, 365, 393 and 347 nm in synchronous 2D correlation spectrum. The fluorescence peak of phenanthrene at 347 nm is uncovered in three mixed systems, so the band at 347 nm is to be used as clues for further assignment. According to positive or negative cross peaks at 347 nm in synchronous 2D correlation spectrum，we can know that the peaks at 402, 381, 425 and 452 nm are assigned to anthracene, the peaks at 373 and 393 nm are assigned to pyrene，and the peaks at 365, 356 and 347 nm are assigned to phenanthrene. The fluorescence peak of phenanthrene at 385 nm is shown in asynchronous 2D correlation spectrum; it means the spectral resolution of asynchronous spectrum is better than the synchronous spectrum. The results are that it is feasible to analyze serious overlapping multi-component PAHs using two-dimensional fluorescence correlation spectroscopy, which can be extended to the detection of other pollutants in the air.

PAHs； Two-dimensional fluorescence correlation； Synchronous spectrum； Asynchronous spectrum

Dec. 10, 2014; accepted Apr. 18, 2015)

2014-12-10，

2015-04-18

天津市自然科學(xué)基金項(xiàng)目(14JCYBJC30400)，天津市教委科技發(fā)展基金項(xiàng)目(20140621)和國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(31201359)資助

周長宏，1975年生，天津大學(xué)精密測試技術(shù)及儀器國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室博士研究生 e-mail: zch_lw@sina.com *通訊聯(lián)系人 e-mail: meirongzhao@tju.edu.cn; rjyang1978@163.com

O657.3

A

10.3964/j.issn.1000-0593(2016)02-0449-05