熒光分光光度法測定水中示蹤劑熒光素鈉示蹤劑

王志龍，樊 萍，徐 靜，李博文

（核工業(yè)北京地質(zhì)研究院, 北京100029）

人工示蹤技術(shù)在水文地質(zhì)學(xué)中的應(yīng)用已有相當(dāng)長的歷史, 1869 年人類就首次使用了化學(xué)示蹤劑來找出巖溶區(qū)落水洞和泉水之間的水力聯(lián)系[1]。 在巖溶水文地質(zhì)研究中, 野外示蹤試驗是水資源管理、 地下水脆弱性編圖和獲取水文模型物理參數(shù)的一個重要工具,是劃分巖溶地下分水嶺、 研究巖溶水庫滲漏、分析地下管道網(wǎng)絡(luò)分布和地下水溶質(zhì)運移特征的一種重要手段[2]。

示蹤劑選擇原則上要滿足以下要求: 極易溶于水, 在水中含量極低； 物理及化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定, 不與其他環(huán)境物質(zhì)發(fā)生物理和化學(xué)反應(yīng)； 易被儀器檢測, 不易被水中其他物質(zhì)干擾, 靈敏度高, 且成本相對較低[3]。 以桂林寨底地下河為例, 分析得出熒光素鈉和羅丹明B 在應(yīng)用中吸附性的差異, 得出熒光素鈉是更為理想的示蹤劑[4]。 熒光素鈉作為示蹤劑可以用來研究鈾礦地浸溶液的流速[5]。 可以采用分光光度法來測定鉆井液中的示蹤劑熒光素鈉, 其方法檢出限為0.005 mg·L-1[6]。

熒光素鈉作為示蹤劑使用時, 要盡量減少使用的量。 為降低熒光素鈉的初始使用濃度, 需要一種檢出限更低的方法對熒光素鈉進行測定。 而熒光分光光度法具有靈敏度高,選擇性好等特點, 因此選擇采用熒光分光光度法對水中示蹤劑熒光素鈉進行定量測定。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

F97XP 熒光分光光度計（上海棱光技術(shù)有限公司）； 乙酸鈉（AR, 上海阿拉丁試劑有限公司）； 碳酸鈉（AR, 上海阿拉丁試劑有限公司）； 鄰苯二甲酸氫鉀pH 標(biāo)準試劑（中國計量科學(xué)研究院）； 混合磷酸鹽pH 標(biāo)準試劑（中國計量科學(xué)研究院）； 硼砂pH 標(biāo)準溶液試劑（中國計量科學(xué)研究院）； 純水為實驗室自制去離子水, 符合GB/T 6682-2008 的要求。

熒光素鈉母液的配制: 準確稱取0.501 2 g熒光素鈉粉末（AR, 上海阿拉丁試劑有限公司）, 用純水溶解后轉(zhuǎn)移至500 mL 容量瓶中,以純水定容至刻度后搖勻, 備用。 此溶液含熒光素鈉1 002.4 mg·L-1。 熒光素鈉標(biāo)準系列溶液均由該母液稀釋得到。

1.2 熒光光度法測定水中示蹤劑熒光素鈉

1.2.1 最大吸收波長

采用F97XP 熒光光度計, 在增益為7 檔（負高壓為500 V）的條件下, 對1.0 mg·L-1的熒光素鈉溶液在激發(fā)波長300～900 nm、 發(fā)射波長300～900 nm 范圍內(nèi)進行三維波長掃描,其掃描結(jié)果見圖1。

圖1 熒光素鈉三維波長掃描等高圖Fig. 1 3D wavelength scanning ascending diagram for fluorescein sodium

由圖1 可見, 熒光素鈉的最大熒光值處的激發(fā)波長為492 nm、 發(fā)射波長為513 nm。因此實驗選擇激發(fā)波長492 nm、 發(fā)射波長513 nm 作為熒光素鈉的測定波長。

1.2.2 溶液pH 值對熒光值的影響

分別用一定體積的鄰苯二甲酸氫鉀溶液、混合磷酸鹽溶液、 硼砂溶液、 乙酸鈉溶液和碳酸鈉溶液調(diào)節(jié)濃度為0.40 mg·L-1的熒光素鈉溶液的pH 值。 在激發(fā)波長為492 nm, 發(fā)射波長為513 nm, 激發(fā)與發(fā)射帶寬為5 nm,增益為7 檔（負高壓500 V）下測定熒光值（以下各項實驗的儀器參數(shù)均如此設(shè)置）, 測定結(jié)果見表1。

由表1 可見, 在酸性溶液中熒光素鈉的熒光值很低, 而在堿性溶液中熒光值比較平穩(wěn), 特別是在pH 值為9.18 的硼砂溶液中熒光值較高, 因此實驗選用4.00 mL 的硼砂pH 標(biāo)準溶液作為酸度調(diào)節(jié)劑。

1.2.3 不同基體對熒光值的影響

在5 支25 mL 比色管中分別加入1.00 mL 10 mg·L-1的熒光素鈉溶液, 并分別以去純水、自來水、 海水、 地?zé)崴偷叵滤ㄈ葜量潭?分別加入4.00 mL 的硼砂pH 標(biāo)準溶液, 搖勻, 測定熒光值, 結(jié)果見表2。

表1 不同pH 值下同一濃度熒光素鈉溶液的熒光值Table 1 Fluorescence value of the same concentration of fluorescein sodium solution at different pH

表2 不同基體水樣中同一濃度熒光素鈉溶液的熒光值Table 2 Fluorescence value of the same concentration of fluorescein sodium solution in different matrix water samples

由表2 可見, 不同基體水樣中熒光素鈉溶液的熒光值測定相對標(biāo)準偏差小于1.0%。因此, 不同的基體對熒光素鈉溶液熒光值的測定無影響。

1.2.4 標(biāo)準曲線的繪制

在熒光素鈉含量為0～400 μg （濃度0～16 mg·L-1）的范圍內(nèi)測定熒光值, 以熒光素鈉含量（μg）為x 軸, 熒光值為y 軸, 繪制曲線,結(jié)果見圖2。

圖2 熒光素鈉含量與熒光值的關(guān)系Fig. 2 Relationship between fluorescein sodium content and fluorescence value

由圖2 可見, 隨著熒光素鈉濃度增大,其熒光值先增大而后減小。 主要原因是熒光素鈉濃度增大時, 其熒光值受自身的熒光淬滅的影響也隨之變大。 且在熒光素鈉含量為0～40 μg（濃度0～1.6 mg·L-1）范圍內(nèi), 熒光素鈉溶液的熒光值受其自身的熒光淬滅影響較小, 因此在此范圍內(nèi)采用分段的方式進行標(biāo)準曲線的繪制, 以減小誤差。

1.2.4.1 低濃度標(biāo)準曲線

準 確 移取0.50、 1.00、 2.00、 3.00、 4.00和5.00 mL 濃度為0.10 mg·L-1的熒光素鈉標(biāo)準使用溶液于6 支25 mL 具塞比色管中, 以純水定容至刻度, 加入4.00 mL 硼砂pH 標(biāo)準溶液, 搖勻, 測定熒光值, 以熒光素鈉含量（μg）為x 軸, 熒光值為y 軸, 繪制標(biāo)準曲線,結(jié)果見圖3。 該標(biāo)準曲線的擬合線性回歸方程為y＝11.287 7x＋5.060 7, r＝0.999 9。

圖3 低濃度熒光素鈉標(biāo)準曲線Fig. 3 Standard curve of low concentration fluorescein sodium

1.2.4.2 中濃度熒光素鈉標(biāo)準曲線

準 確 移 取0.50、 1.00、 2.00、 3.00、 4.00和5.00 mL 濃度為1.00 mg·L-1的熒光素鈉標(biāo)準使用溶液于6 支25 mL 具塞比色管中, 以純水定容至刻度, 加入4.00 mL 硼砂pH 標(biāo)準溶液, 搖勻, 測定熒光值, 以熒光素鈉含量（μg）為x 軸,熒光值為y 軸, 繪制標(biāo)準曲線,結(jié)果見圖4。 該標(biāo)準曲線的擬合線性回歸方程為y＝10.697 4x＋5.535 0, r＝0.999 9。

圖4 中濃度熒光素鈉標(biāo)準曲線Fig. 4 Standard curve of medium concentration fluorescein sodium

根據(jù)未知濃度水樣的熒光值, 選用合適的上述標(biāo)準曲線, 將熒光值代入相應(yīng)標(biāo)準曲線的擬合線性回歸方程中即可計算出樣品中熒光素鈉的含量, 再除以取樣體積就可以得出樣品中熒光素鈉的濃度。 比較高、 中、 低三條標(biāo)準曲線的擬合線性回歸方程, 可以看出濃度越高, 線性回歸方程的截距越大, 斜率越小。 主要還是由于熒光素

1.2.4.3 高濃度熒光素鈉標(biāo)準曲線

準確移取0.50、 1.00、 2.00、 3.00 和4.00 mL 濃度為10.00 mg·L-1的熒光素鈉標(biāo)準使用溶液于5 支25 mL 具塞比色管中, 以純水定容至刻度, 加入4.00 mL 硼砂pH 標(biāo)準溶液,搖勻, 測定熒光值, 以熒光素鈉含量（μg）為x 軸, 熒光值為y 軸, 繪制標(biāo)準曲線, 結(jié)果見圖5。 該標(biāo)準曲線的擬合線性回歸方程為y＝8.310 1x＋23.916 5, r＝0.998 1。鈉濃度越大, 其熒光值受自身熒光淬滅影響也越大。

圖5 高濃度熒光素鈉標(biāo)準曲線Fig. 5 Standard curve of high concentration fluorescein sodium

1.2.5 精確度實驗

分別配制10 份含熒光素鈉濃度為0.002 5 mg·L-1的海水、 自來水、 地?zé)崴偷叵滤畼悠? 分別取25 mL 樣品于25 mL 具塞比色管中, 加入4.00 mL 硼砂pH 標(biāo)準溶液, 搖勻,測定熒光值, 結(jié)果見表3。

表3 不同基體中同一濃度熒光素鈉測定結(jié)果Table 3 Detected results of fluorescein sodium solution with same concentration in different matrix water samples

由表3 可見, 熒光分光光度法測定海水、自來水、 地?zé)崴?地下水中同一濃度（0.002 5 mg·L-1） 的熒光素鈉, 其濃度的相對標(biāo)準偏差分別為0.77%、 1.37%、 1.36%和0.44%, 表明熒光分光光度法測定水中熒光素鈉具有良好的精確度。

1.2.6 準確度實驗

配制3 份含熒光素鈉濃度分別為0.005、0.05 和0.50 mg·L-1的水樣, 并在每一份樣品中加入一定量的熒光素鈉作為加標(biāo)樣。 分別取25 mL 樣品于25 mL 具塞比色管中, 加入4.00 mL 硼砂pH 標(biāo)準溶液, 搖勻, 測定熒光值, 結(jié)果見表4。

配制9 份含熒光素鈉濃度分別為0.000 1、0.000 2、 0.000 4、 0.001、 0.002、 0.004、0.010、 0.020 和0.040 mg·L-1的水樣, 并對這些樣品進行測試。 分別取25 mL 樣品于25 mL具塞比色管中, 加入4.00 mL 硼砂pH 標(biāo)準溶液, 搖勻, 測定熒光值, 結(jié)果見表5。

由表4 可見, 水中熒光素鈉的加標(biāo)回收率在96.3%～107%之間, 由表5 可知, 當(dāng)水中熒光素鈉的濃度大于0.000 2 mg·L-1時, 其測定濃度與配制濃度的相對偏差均小于20%。因此, 熒光分光光度法測定水中熒光素鈉在其濃度值大于等于0.000 2 mg·L-1時具有良好的準確度。

1.2.7 檢出限

在某些水質(zhì)分析方法中, 空白值的測定結(jié)果趨近于零, 因而可以用約等于零的標(biāo)準溶液來進行純水的代替, 從而進行空白值的測定。 測定20 次以上的空白樣品, 空白值的濃度的標(biāo)準偏差就可以被計算出來, 而這一值的3 倍 就 是需 要 測定 的 方 法 檢 出 限[7]。 在HJ/T 168-2004 導(dǎo)則中, 將4 倍檢出限濃度定為測定下限。

配制22 份含熒光素鈉濃度為0.000 5 mg·L-1的水質(zhì)樣品作為空白加標(biāo)樣品, 分別取25 mL 樣品于25 mL 具塞比色管中, 加入4.00 mL硼砂pH 標(biāo)準溶液, 搖勻, 測定熒光值, 結(jié)果見表6。

由表6 可見, 測定空白加標(biāo)樣品濃度的標(biāo)準偏差為0.000 05 mg·L-1, 則方法檢出限為0.000 15 mg·L-1, 測定下限為0.000 6 mg·L-1。

表4 不同濃度熒光素鈉樣品加標(biāo)回收測定結(jié)果Table 4 Detected results of spiked recovery of fluorescein sodium samples with different concentrations

表5 不同濃度熒光素鈉模擬水樣測定結(jié)果Table 5 Detected results of simulated water samples with different concentrations of fluorescein sodium

表6 空白加標(biāo)樣品測定結(jié)果Table 6 Detected results of blank spiked samples

2 結(jié)論

通過以上實驗表明, pH 值對熒光分光光度法測定水中熒光素鈉含量的影響較大, 且用硼砂pH 標(biāo)準溶液調(diào)節(jié)水樣的pH 效果最佳。在0～1.6 mg·L-1的濃度范圍內(nèi), 熒光素鈉含量與熒光值有良好的線性關(guān)系。 由于熒光素鈉本身的熒光淬滅現(xiàn)象, 須在0～1.6 mg·L-1濃度范圍內(nèi)采用分段校準方法進行校正, 以減小誤差。 該方法的檢出限為0.000 15 mg·L-1,測定下限為0.000 6 mg·L-1, 且具有良好的準確度和精密度。 該方法可用于海水、 自來水、 地下水與地?zé)崴袩晒馑剽c含量的測定。