三維熒光技術在水環(huán)境監(jiān)測中的應用研究進展

汪之睿，于靜潔，王少坡，聶英進，張軼凡

（1. 天津城建大學 環(huán)境與市政工程學院，天津 300384；2. 天津市水質科學與技術重點實驗室，天津 300384；3. 天津

城建大學 環(huán)境與市政市級實驗教學示范中心，天津 300384；4. 天津創(chuàng)業(yè)環(huán)保集團股份有限公司，天津 300381）

20世紀50年代，世界上第一臺記錄式熒光分光光度計在美國問世，1975年中國科學院生物物理研究所研制出我國第一臺熒光分光光度計［1］。20世紀70年代，三維熒光技術誕生［2］。LLOYD等［3］最先采用三維熒光技術研究蛋白質構象的變化；KOLLER等［4］運用三維熒光測定了人體血漿低密度脂蛋白；20世紀80年代，三維熒光開始應用于海底油氣探測［5-6］；王倫等［7］采用三維熒光測定工業(yè)廢水中的苯胺，三維熒光在水環(huán)境監(jiān)測中得到廣泛應用［8-12］。

本文介紹了三維熒光技術的測定原理、測定結果的表征方法以及測定結果的解析，討論了典型熒光峰與傳統(tǒng)水質指標（BOD5、COD和TOC）的關系，綜述了三維熒光應用于水環(huán)境監(jiān)測的研究進展。

1 三維熒光技術的測定原理

在室溫下，大多數(shù)分子處于基態(tài)，當其受光（如紫外光）激發(fā)時，分子會吸收能量并進入激發(fā)態(tài)，但分子在激發(fā)態(tài)下不穩(wěn)定，很快就躍遷回基態(tài)，這個過程伴隨著能量的損失，其中過剩的能量便會以熒光的形式釋放出來，即發(fā)光［13］。物質的熒光性質與其分子結構有關，一般來說分子結構中有芳香環(huán)或有多個共軛雙鍵的有機化合物較易發(fā)射熒光，而飽和或只有孤立雙鍵的化合物不易發(fā)射熒光［14］。物質的熒光強度（F）與激發(fā)光波長（Ex）、發(fā)射光波長（Em）有關，二維熒光光譜是固定Ex或Em不變，掃描改變另一個波長，得到Ex或Em與F之間的關系，是一個一元函數(shù)［15］。而三維熒光記錄的是Ex和Em同時改變時F的變化，是一個二元函數(shù)，也稱為激發(fā)發(fā)射矩陣［2］。

2 三維熒光測定結果的表征

三維熒光測定結果有兩種表征方法：等強度指紋圖和等距三維投影圖。等強度指紋圖是以Em和Ex為橫縱坐標，平面上的點為樣品熒光強度，由對應Ex和Em決定，用線將等強度的點連結起來，線越密表示熒光強度變化越快。等距三維投影圖是用空間坐標X、Y、Z分別表示Ex、Em和F，與XOY面平行的區(qū)域表示無熒光，隆起的區(qū)域表示有熒光［2］。相較于二維熒光，三維譜圖蘊含更多的熒光數(shù)據，能更完整地描述物質的熒光特征，可用于多組分混合物的分析［16］。但大分子的顆粒和膠體物質在受光激發(fā)時會出現(xiàn)散射現(xiàn)象，對熒光測定產生影響，常通過預處理（稀釋待測溶液［17］、扣除空白水樣的三維熒光光譜［18］、過濾［19］等）來避免此影響。

3 三維熒光測定結果的解析

根據朗伯比爾定律可知，當溶液中待測濃度低于某特定值時，熒光強度與待測物質濃度之間呈線性關系，因此對于一定濃度范圍的稀溶液，可利用熒光分析法實現(xiàn)物質的定量研究。三維熒光測定結果的解析最初采用峰值拾取法，目前熒光區(qū)域積分法和平行因子分析法應用較為廣泛。

3.1 峰值拾取法

COBLE等［20］提出了峰值拾取法，熒光峰是指熒光強度最大的點，最大熒光強度值即為熒光峰值。根據峰值拾取法測定樣品的濃度［21］，熒光峰強度與樣品濃度呈線性關系。當樣品濃度過高時，會發(fā)生內濾（樣品中的雜質對光的吸收作用增大，使得熒光物質的吸收作用降低［22］）、自吸收（熒光體本身吸收激發(fā)出來的熒光導致峰面凹陷［23］）等復雜效應，這時熒光強度與樣品濃度的關系既不是線性關系也不是指數(shù)關系。常見的熒光峰范圍及其對應物質種類見表1。

表1 常見的熒光峰范圍及其對應物質種類

3.2 熒光區(qū)域積分法

熒光區(qū)域積分法是在峰值拾取法的基礎上發(fā)展起來的。在三維熒光光譜中，選定一個特定的激發(fā)光譜區(qū)間和發(fā)射光譜區(qū)間決定的區(qū)域，計算該區(qū)域的積分熒光強度。與峰值拾取法相比，區(qū)域積分法是將一個區(qū)間或區(qū)域的總熒光強度累計起來，相同區(qū)域內的熒光物質特征相似，可對各個區(qū)域進行熒光總量的標準化計算處理，得到該熒光區(qū)域的標準化體積［21，26］。

CHEN［27］最先將熒光區(qū)域積分法用于溶解性有機物（DOM）的組成分析，將Em和Ex所圍成的熒光區(qū)域分成芳香蛋白質類物質Ⅰ、芳香蛋白類物質Ⅱ、微生物代謝產物類、腐殖酸類和富里酸類5個部分。隋志男等［28］采用熒光區(qū)域積分法解析了遼河七星濕地水體中有機污染物的種類及來源。

3.3 平行因子分析法

在峰值拾取法和熒光區(qū)域積分法中都存在著熒光峰重疊的問題，這是因為相似的組分會產生相似的光譜從而造成光譜重疊，如色氨酸和酪氨酸出峰重疊，很難通過熒光峰的位置簡單地區(qū)分出兩種混疊的物質。針對這種多組分的檢測，研究者們從計量學中引入了平行因子分析法。這是一種在主成分分析法上擴展來的二階校正方法，該法充分利用了二階優(yōu)勢，是基于三線性分解理論和交替最小二乘算法實現(xiàn)的一種數(shù)學模型［17，29-31］。

平行因子分析法的目的是通過最小二乘法使殘差的平方和達到最小，使每個分量成為具有相似熒光團的一類物質，這樣每個熒光組分的特征更加明顯，從而實現(xiàn)對熒光組分的分離［32］。平行因子分析法是目前使用最廣泛的一種方法，通常使用MATLAB軟件建模，在水質研究中得到普遍應用。KATHLEEN等［33］基于平行因子分析法創(chuàng)建了一個名為Open Fluor的熒光光譜共享網絡平臺（http：//www.openfluor.org/），該數(shù)據庫啟用時包含了200多個平行因子分析法光譜并仍在不斷更新中，便于研究者們在線比對。

雖然平行因子分析法應用廣泛，但易受組分數(shù)影響，一旦參數(shù)選擇不正確，解析結果就會出現(xiàn)較大偏差。為了解決這一缺陷，學者們研究出了多種矯正方法對平行因子分析法的算法進行補充改進，如交替三線性分解法（ATLD）、自加權交替三線性分解算法（SWATLD）和交替懲罰三線性分解算法（APTLD）［34］。張曉燕［18］基于交替三線性分解特征提取和閾值法的定性判別，證實了ATLD應用于飲用水有機污染物定性判別的可行性。聶瑾芳［35］采用SWATLD算法對化妝品中丙酸睪酮的三維熒光特性進行了解析，證實了SWATLD算法的準確性。王玉田等［36］利用三維熒光，并結合APTLD算法對水中3種酚類進行了測定并與其他矯正方法對比，發(fā)現(xiàn)APTLD算法準確度高，計算速度快。文獻［37-38］列舉了目前常見的平行因子分析法分析出的組分和性質。

4 熒光峰與水質指標的關系

BRIDGEMAN等［39］研究發(fā)現(xiàn)，通過峰值拾取法拾取出的峰T的熒光強度與BOD5和COD經線性擬合后均有良好的相關性，與BOD5的相關性高達0.920。易瑩等［40］利用三維熒光測定市政污水中有機污染物含量，結果顯示峰T1的熒光強度與BOD5有較強的線性關系，相關系數(shù)可達0.879，說明可通過直接分析相應的熒光峰來快速獲取有機污染物的相關信息。

李衛(wèi)華等［41］采用三維熒光測定污水廠受納水體和運行過程中水質的變化，通過平行因子法將熒光解析為組分1和組分2，分別對應于類蛋白質組分和類富里酸組分，其中受納水體的類蛋白質組分的熒光強度與COD的相關系數(shù)達0.913，污水廠各取樣點的類蛋白質熒光強度與COD的相關系數(shù)高達0.930。因此，類蛋白質熒光與COD之間存在一定內在聯(lián)系，可以通過測定類蛋白質熒光強度間接表征COD，從而來監(jiān)測污水廠水質變化和河流受污染狀況。

姚璐璐等［42］采用三維熒光結合熒光區(qū)域積分法評估城市污水中DOM的去除狀況，將5個區(qū)域的積分標準體積與TOC進行了相關性分析，結果發(fā)現(xiàn)每一個區(qū)域都與TOC存在良好的相關性。

5 三維熒光在水環(huán)境監(jiān)測中的應用

5.1 生活污水

生活污水中的污染物包括有機物（油脂、蛋白質、氨氮等）以及大量的病原微生物（寄生蟲卵等）［43］。施俊等［44］結合平行因子分析法研究了揚州某生活污水處理廠進出水的三維熒光光譜特征，發(fā)現(xiàn)進水和出水中含有3個主要熒光組分，分別為類色氨酸、類酪氨酸和類腐殖質，對比進水與出水的3個主要熒光組分的變化就能了解污水處理效果。吳禮濱等［45］對梅州市某生活污水廠的總進水、沉砂池出水、生化處理出水及總出水進行了三維熒光檢測，并采用熒光區(qū)域積分法進行了解析，發(fā)現(xiàn)經生化處理后富里酸類物質、溶解性微生物代謝產物及腐殖酸類物質的熒光區(qū)域積分百分比降低，說明生化處理對這幾類污染物產生了去除效果。

5.2 工業(yè)廢水

工業(yè)廢水中污染物種類繁多，成分復雜，常含有隨廢水流失的工業(yè)生產原料、中間產物、副產品以及生產過程中產生的污染物。王碧等［46］分析了煉化廢水和煉油廢水中特征污染物的去除情況，其中煉化廢水的特征熒光峰在水解酸化處理后消失，煉油廢水的特征熒光峰在好氧處理后消失，表明水解酸化工序對煉化廢水的特征污染物去除效果好，好氧工序對煉油廢水的特征污染物處理效果好。王士峰［47］對某印染廠廢水進行了周期性的采樣，發(fā)現(xiàn)所采集水樣的三維熒光光譜的熒光峰數(shù)量和位置較為穩(wěn)定，但強度不穩(wěn)定，說明其中的有機物含量變化較大。YANG等［48］分析比較了來自于12個工業(yè)類別（非酒精飲料、電子設備、食品、皮革和毛皮、肉類、有機化學品、紙漿和造紙、石化、樹脂和塑料、鋼鐵、蒸汽動力和紡織染色）的57個設施的工業(yè)廢水的三維熒光光譜，發(fā)現(xiàn)在皮革和毛皮廢水中峰T的熒光強度最明顯，而在食品廢水中峰C的熒光強度最明顯，因此可以通過監(jiān)測這些熒光特征對廢水進行溯源。

5.3 雨水

于振亞等［49］對比了道路雨水水樣在金屬離子（Cu2+、Pb2+和Cd2+）滴定前后三維熒光的變化，發(fā)現(xiàn)添加Cu2+和Pb2+后，熒光猝滅，峰T的強度明顯下降，表明雨水中類蛋白類物質與Cu2+和Pb2+之間發(fā)生了配位絡合作用；而加入Cd2+后，熒光峰的強度未發(fā)生明顯變化，說明其中絡合作用較弱。林修詠等［50］構建了兩套雨水防滲型生物滯留中試系統(tǒng)，利用熒光區(qū)域積分法解析顯示，屋面徑流有機污染集中在降雨初期，主要為類腐殖質，系統(tǒng)出流則為蛋白類物質和類腐殖質物質；在滯留帶中種植植物對于蛋白類物質和類富里酸區(qū)域的熒光有機物均有較好的調控效果，但對于微生物代謝產物和類胡敏酸區(qū)域的調控效果稍差。PATRíCIA等［51］利用三維熒光探究了不同溫度下雨水水樣的保存效果，發(fā)現(xiàn)冷凍可以一定程度的保存水樣特征，但隨著冷凍時間的延長，水樣的蛋白質類熒光強度逐漸下降。

6 結語與展望

三維熒光光譜法具有檢測快速、預處理簡單、反應靈敏等優(yōu)點，該法不僅可以用于定量檢測某些已知的單一污染物，還可用于表征成分復雜、組分來源不明確的污染物，這一特點使三維熒光有能力應用于水環(huán)境監(jiān)測中。

但三維熒光光譜中存在光譜重疊的問題，影響單一成分的提取和識別，若不結合其他的計量解析方法使重疊的光譜分離開，在一定程度上會影響結果的準確度。高效液相色譜與三維熒光的聯(lián)用，能更準確地提供更豐富的熒光指紋；將矩陣分解與人工神經網絡相結合，用于三維熒光光譜提取和識別多環(huán)芳烴效果良好。主成分回歸法、偏最小二乘法和多維偏最小二乘法與三維熒光聯(lián)用可以提高三維熒光的精度。此外，若在傳統(tǒng)的三維熒光數(shù)據中加入時間變量，組成四維數(shù)據，即可構成動態(tài)熒光光譜，這種動態(tài)光譜能夠反映物質隨時間的演變過程，但目前在水環(huán)境監(jiān)測中的應用還需要進一步研究。