巫培山,陳宇萍,2,梁維新*,郭鵬然,雷永乾,潘佳釧
(1.廣東省科學(xué)院測(cè)試分析研究所(中國(guó)廣州分析測(cè)試中心),廣東省化學(xué)測(cè)量與應(yīng)急檢測(cè)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣東廣州 510070;2.五邑大學(xué) 生物科技與大健康學(xué)院,廣東 江門(mén) 529000)
石油類(lèi)污染物質(zhì)在我國(guó)危險(xiǎn)廢棄物名錄48 種危險(xiǎn)物質(zhì)中排名第8 位[1],具有持久性、難降解、易積累的特點(diǎn)[2],其含有的多環(huán)芳烴(PAH)如苯并[a]蒽、?、苯并[b]熒蒽具有潛在致癌性[3],可干擾生物的生理功能,影響繁殖、生長(zhǎng)和免疫能力,甚至導(dǎo)致生物死亡[4]。同時(shí),石油類(lèi)物質(zhì)進(jìn)入水體后可形成油膜阻礙水體的復(fù)氧作用,抑制生物呼吸和影響海洋浮游生物生長(zhǎng),破壞水生態(tài)環(huán)境平衡,造成嚴(yán)重的生態(tài)危害[5]。
目前石油類(lèi)污染物質(zhì)的測(cè)定方法主要有重量法[6]、氣相色譜法[7]、紅外分光光度法[8]、紫外分光光度法[9]和熒光分光光度法[10-11]等。其中熒光分光光度法利用石油類(lèi)污染物中的芳烴組分在紫外光的激發(fā)下發(fā)射出特定波長(zhǎng)的熒光特性進(jìn)行測(cè)定,具有靈敏度高、響應(yīng)快速、免破壞樣品等優(yōu)勢(shì)[12],但上述方法均為實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)方法,需從現(xiàn)場(chǎng)采集樣品,再通過(guò)有機(jī)溶劑萃取后測(cè)定,因此時(shí)間和人力成本較高,且需使用大量有機(jī)溶劑,難以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)原位、高頻率監(jiān)測(cè)及全天候監(jiān)測(cè),無(wú)法及時(shí)反映水體真實(shí)污染狀況。水中石油類(lèi)污染物的原位、快速分析技術(shù)具有實(shí)時(shí)性強(qiáng)、響應(yīng)速度快的特點(diǎn),可通過(guò)較高的頻率對(duì)目標(biāo)水體進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)原位監(jiān)測(cè),實(shí)現(xiàn)水中石油類(lèi)污染數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)、連續(xù)數(shù)據(jù)反饋[13]以及監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)自動(dòng)化采集和傳輸,提高水環(huán)境智能化監(jiān)測(cè)水平。該方法避免了頻繁人工采樣和樣品處理[14],降低了整體監(jiān)測(cè)成本,同時(shí)減少了人為因素對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果的影響,提高數(shù)據(jù)的可靠性[15]。國(guó)外對(duì)于水中石油類(lèi)污染物的原位檢測(cè)技術(shù)起步較早,目前已有較成熟的技術(shù)與產(chǎn)品,市占率較高,如HACH 公司的FP360 sc、Turner designs 公司的C3TM等,而國(guó)內(nèi)的同類(lèi)型儀器起步相對(duì)較晚,為此,有必要開(kāi)展水中石油類(lèi)污染物的原位快速分析技術(shù)研究,為我國(guó)水生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)提供技術(shù)支持。
本文研制了一種基于熒光光度法的水中石油類(lèi)污染物原位測(cè)定裝置,考察了裝置檢測(cè)性能,并對(duì)實(shí)際樣品進(jìn)行檢測(cè)。該研發(fā)裝置具有穩(wěn)定性好、準(zhǔn)確度高、響應(yīng)速度快的優(yōu)勢(shì),適用于野外環(huán)境現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)、環(huán)境事故現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)急檢測(cè)等領(lǐng)域。
三維熒光光譜儀(Aqualog?,法國(guó)HORIBA Scientific 公司);原位測(cè)油裝置(自研);分析天平(BSA224S-CW,德國(guó)賽多利斯公司)。海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)石油成分分析標(biāo)準(zhǔn)物(以下簡(jiǎn)稱HJ 油標(biāo)準(zhǔn))(1 000 mg/L,國(guó)家海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)中心);福爾馬肼渾濁度溶液標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)(4 000 NTU,北京北方偉業(yè)計(jì)量技術(shù)研究院有限公司);腐殖酸(≥90%)、正己烷(色譜純),購(gòu)自阿拉丁試劑(上海)有限公司;實(shí)驗(yàn)用水為超純水(電阻率≥18.2 MΩ·cm);汽油、柴油、重油、潤(rùn)滑油等石油類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)由油品檢測(cè)服務(wù)機(jī)構(gòu)提供。
石油類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)溶液:使用天平分別準(zhǔn)確稱量0.01 g 的重油、柴油、汽油、潤(rùn)滑油于燒杯中,加入正己烷溶解后轉(zhuǎn)移至25 mL 容量瓶,使用正己烷定容至刻度,得到各石油類(lèi)污染物的標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備溶液。使用正己烷將石油類(lèi)污染物標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備液稀釋至0.5、1、5、10、50、100、500、1 000 mg/L 后作為石油類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)溶液使用,使用三維熒光光譜儀測(cè)定。
水中油標(biāo)準(zhǔn)溶液:石油類(lèi)污染物在水中溶解度較低,過(guò)量的油易在水體表面形成油膜,難以形成均勻的水中油溶液。本研究中,通過(guò)向高純水中加入一定量石油類(lèi)物質(zhì),放置一段時(shí)間后去除表面油膜,將剩余溶液轉(zhuǎn)移至潔凈燒杯中以去除原容器中過(guò)量油在容器表面形成的油斑,所得即為均勻穩(wěn)定的水中油標(biāo)準(zhǔn)溶液。使用正己烷萃取水中油標(biāo)準(zhǔn)溶液,然后采用實(shí)驗(yàn)室測(cè)定方法測(cè)定萃取液中油類(lèi)物質(zhì)的濃度,最終得到水中油標(biāo)準(zhǔn)溶液中實(shí)際的油類(lèi)濃度。本文采用常見(jiàn)的水中油類(lèi)污染物重油、柴油以及潤(rùn)滑油分別配制了3 種水中油標(biāo)準(zhǔn)溶液,其實(shí)際質(zhì)量濃度分別為21.1、20.58、35.25 mg/L,并用于研制的原位測(cè)油裝置的校準(zhǔn)和測(cè)試。
實(shí)驗(yàn)室測(cè)試方法:參考文獻(xiàn)[11],使用10 mL 正己烷萃取100 mL 水樣中石油類(lèi)物質(zhì)后使用三維熒光光譜儀測(cè)定其熒光強(qiáng)度,每次測(cè)定前潤(rùn)洗比色皿2~3 次。原位測(cè)油裝置測(cè)試方法:無(wú)需采集水樣和采用有機(jī)溶劑進(jìn)行萃取,根據(jù)測(cè)定深度將探頭浸入水下合適位置,穩(wěn)定20 s后直接原位測(cè)定。
石油類(lèi)污染物中的芳香族化合物和多環(huán)化合物受到紫外光激發(fā)時(shí),其分子內(nèi)部的電子會(huì)躍遷到一個(gè)較高的能級(jí),形成激發(fā)態(tài),隨后,這些激發(fā)態(tài)的分子會(huì)發(fā)生非輻射躍遷返回到基態(tài)并釋放熒光,其熒光信號(hào)強(qiáng)度與濃度呈正相關(guān)[16]。因此,可以通過(guò)測(cè)量熒光強(qiáng)度計(jì)算水中石油類(lèi)污染物的濃度,本工作即基于該原理研制水中石油類(lèi)污染物的便攜式原位測(cè)試裝置。裝置整體采用浸入式探頭設(shè)計(jì),主要由熒光光路以及數(shù)據(jù)采集兩部分組成,其中熒光光路部分由LED 激發(fā)光源、透鏡、二向色鏡、光電二極管組成,數(shù)據(jù)采集部分由精密光電轉(zhuǎn)換放大器、數(shù)模轉(zhuǎn)換器、下位機(jī)、上位機(jī)組成,系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)如圖1所示。
圖1 原位測(cè)油裝置整體設(shè)計(jì)圖Fig.1 Design of in-situ oil measurement device
上位機(jī)通過(guò)控制下位機(jī)驅(qū)動(dòng)LED 激發(fā)光源發(fā)射紫外激發(fā)光,待測(cè)水樣中的石油類(lèi)污染物在紫外光激發(fā)作用下產(chǎn)生熒光;熒光光路中的光電二極管檢測(cè)熒光強(qiáng)度并轉(zhuǎn)化為電流信號(hào);精密光電轉(zhuǎn)換放大器接收并精確放大來(lái)自光電二極管的微弱電流信號(hào),將其轉(zhuǎn)換為模擬電壓信號(hào);模數(shù)轉(zhuǎn)換器將模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)為數(shù)字信號(hào)并發(fā)送至下位機(jī),再通過(guò)上位機(jī)轉(zhuǎn)化為濃度顯示。
使用三維熒光光譜儀測(cè)定了各類(lèi)石油類(lèi)物質(zhì)(HJ油標(biāo)準(zhǔn)、重油、柴油、汽油、潤(rùn)滑油)的三維熒光圖譜(見(jiàn)圖2)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,HJ油標(biāo)準(zhǔn)、汽油、柴油、潤(rùn)滑油等的激發(fā)光波長(zhǎng)主要在250~350 nm 范圍內(nèi),發(fā)射波長(zhǎng)為300~450 nm;重質(zhì)油的激發(fā)波長(zhǎng)為250~400 nm,發(fā)射波長(zhǎng)為300~500 nm;HJ 油標(biāo)準(zhǔn)的主要成分是20號(hào)柴油,屬于輕質(zhì)油,因此其三維熒光圖與其他輕質(zhì)油接近。重油和輕質(zhì)油三維熒光圖譜的差異可能是由于石油分餾過(guò)程導(dǎo)致,重油和輕質(zhì)油之間沸點(diǎn)的差異使重油含有更多的高沸點(diǎn)多環(huán)芳烴,而輕質(zhì)油則含有更多的低沸點(diǎn)芳烴[17]。因此,確定石油類(lèi)污染物的有效激發(fā)波長(zhǎng)為250~400 nm,發(fā)射波長(zhǎng)為300~500 nm。
圖2 HJ油標(biāo)準(zhǔn)(A)、重油(B)、柴油(C)、汽油(D)、潤(rùn)滑油(E)及正己烷(F)的三維熒光圖譜Fig.2 Three-dimensional fluorescence spectra of HJ oil standard(A),heavy oil(B),diesel(C),gasoline(D),lubricating oil(E) and n-hexane(F)
常用熒光激發(fā)光源包括脈沖氙燈光源、汞燈、激光器、LED 光源等,氙燈和汞燈可提供多個(gè)波段的高強(qiáng)度紫外激發(fā)光,目前已有商品化的微型脈沖氙燈和汞燈,但由于本裝置為水下浸入式探頭設(shè)計(jì),內(nèi)部空間緊湊,微型氙燈和汞燈的體積對(duì)于本裝置仍然較大而不適用。激光器光源亮度高、發(fā)光方向集中,但尚未發(fā)現(xiàn)具有合適波長(zhǎng)的激光器。LED 光源具有較窄的譜線寬度,波長(zhǎng)可選擇性較多,可提供相對(duì)純凈的激發(fā)波長(zhǎng),且結(jié)構(gòu)緊湊,體積小巧,便于集成和安裝[18],適合用于本裝置。
根據(jù)石油類(lèi)污染物的熒光激發(fā)與發(fā)射波長(zhǎng)的測(cè)定結(jié)果,選擇中心波長(zhǎng)為254、275、305、365 nm的LED 光源,采用中心波長(zhǎng)為360、450 nm 的帶通濾光片濾除激發(fā)光和環(huán)境光干擾,使用光電二極管測(cè)定熒光(與光源夾角90°,使用比色皿測(cè)定),考察不同激發(fā)光源與檢測(cè)波長(zhǎng)的組合對(duì)石油類(lèi)污染物的信噪比,結(jié)果如表1 所示。采用激發(fā)波長(zhǎng)275 nm 與檢測(cè)波長(zhǎng)360 nm 組合時(shí)裝置信噪比較好;采用365 nm 激發(fā)時(shí),對(duì)HJ油標(biāo)準(zhǔn)的信噪比與254、305 nm 光源基本相當(dāng),對(duì)重油的信噪比高于二者。雖然365 nm 在各類(lèi)油品中非最佳激發(fā)波長(zhǎng)(見(jiàn)圖2),但該波長(zhǎng)的LED 發(fā)光效率遠(yuǎn)高于254~305 nm,由于檢測(cè)熒光強(qiáng)度與激發(fā)光強(qiáng)度成正比[19],因此使用高光輻射功率的365 nm 激發(fā)光源獲得了與其他波長(zhǎng)相當(dāng)?shù)男旁氡龋煌瑫r(shí),由于能量轉(zhuǎn)換效率的差異導(dǎo)致254~305 nm 的LED 光源發(fā)熱和光衰較為嚴(yán)重,不適于長(zhǎng)時(shí)間、高頻次的原位監(jiān)測(cè)。綜合以上因素,最終選擇365 nm的LED作為激發(fā)光源。
表1 不同波長(zhǎng)LED光源對(duì)石油類(lèi)污染物檢測(cè)靈敏度的影響Table 1 Influence of different wavelength LED light sources on the sensitivity of petroleum pollutant detection
圖3 為本研究研制的熒光光路原理圖,該光路利用二向色鏡對(duì)特定波長(zhǎng)的選擇性透過(guò)和反射作用分離激發(fā)光與發(fā)射光,所采用的二向色鏡為具有透過(guò)特定波長(zhǎng)(≤400 nm)的激發(fā)光,可反射待測(cè)樣品發(fā)射出的特定波長(zhǎng)的熒光(≥400 nm)的光學(xué)特性。在激發(fā)光源開(kāi)啟狀態(tài)時(shí),激發(fā)光依次通過(guò)準(zhǔn)直透鏡(平凸透鏡)、光源濾光片、二向色鏡后,再通過(guò)聚焦透鏡和光窗進(jìn)入待測(cè)水樣中。待測(cè)水樣中的石油類(lèi)污染物受到激發(fā)后,產(chǎn)生的熒光依次通過(guò)光窗和透鏡,通過(guò)二向色鏡反射作用,經(jīng)過(guò)聚焦透鏡、發(fā)射濾光片后進(jìn)入光電二極管中進(jìn)行測(cè)定。該設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是,激發(fā)與發(fā)射光均從同一個(gè)光窗進(jìn)出,入射和出射角度相對(duì)一致,可以更容易進(jìn)行對(duì)位調(diào)整,減少了對(duì)光路對(duì)齊的要求,簡(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu),具有較好的光學(xué)系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性;同時(shí),光窗垂直向下的設(shè)計(jì)可避免水體環(huán)境光的干擾。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)當(dāng)激發(fā)光的光斑約為2~3 mm時(shí)可獲得最大靈敏度。
圖3 原位測(cè)油裝置的熒光光路原理圖Fig.3 Schematic diagram of the fluorescence optical path of in-situ oil measurement device
在環(huán)境濃度下,石油類(lèi)污染物產(chǎn)生的熒光強(qiáng)度非常微弱,如何精確放大光電二極管產(chǎn)生的微弱電流信號(hào)是保證裝置具有良好靈敏度和抗干擾能力的關(guān)鍵[19]。該器件通過(guò)I/V轉(zhuǎn)換電路、放大電路組成將微弱電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為0~5 V 的電壓信號(hào)并輸出,采用低紋波線性電源對(duì)該器件供電,消除高頻噪聲干擾,確保輸出信號(hào)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。再通過(guò)AD 轉(zhuǎn)換器將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)并發(fā)送至下位機(jī)中,完成數(shù)據(jù)的采集。
研制的石油類(lèi)污染物的便攜式原位測(cè)定儀采用水下浸入式探頭設(shè)計(jì),整體構(gòu)造如圖4 所示,熒光光路模塊安裝于探頭底部,激發(fā)光與熒光均從安裝于底蓋處的光窗進(jìn)出;底蓋、筒體外殼、頂蓋均使用316不銹鋼材料制成以應(yīng)對(duì)海水、廢水等環(huán)境中的鹽離子、酸性物質(zhì)和其他腐蝕性介質(zhì);I/V 轉(zhuǎn)換放大器與光電二極管采用短線材連接,以避免熒光產(chǎn)生的微弱電流信號(hào)受干擾;使用三層固定安裝支架分別安裝LED 驅(qū)動(dòng)電源、下位機(jī)以及正負(fù)線性電源以保證器件散熱;外殼連接處均使用密封墊圈以及環(huán)氧樹(shù)脂密封連接以防止液體滲漏。
圖4 原位測(cè)油裝置結(jié)構(gòu)Fig.4 Structure of in-situ oil measurement device
2.7.1 線性范圍按照“1.2”方法使用船舶油配制重油、柴油、潤(rùn)滑油的水中油標(biāo)準(zhǔn)溶液,使用高純水逐級(jí)稀釋至一定倍數(shù)后,配制質(zhì)量濃度分別為0、1、5、10、20 mg/L 的水中油溶液后,使用研制的原位測(cè)油裝置浸入水體中至完全沒(méi)入后,進(jìn)行原位測(cè)定,實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。3 種石油類(lèi)物質(zhì)在0~20 mg/L質(zhì)量濃度范圍時(shí),線性結(jié)果良好。
2.7.2 干擾因素的考察為了考察原位測(cè)油裝置的測(cè)定干擾,使用原位測(cè)油裝置測(cè)定10 mg/L 水中油(重油)溶液,以及分別添加了腐殖酸和福爾馬肼溶液的水中油混合溶液。結(jié)果如圖5 所示,當(dāng)溶液有機(jī)質(zhì)(DOM)的質(zhì)量濃度≤50 mg/L,濁度值≤10 NTU時(shí),測(cè)定10 mg/L 水中油溶液的相對(duì)誤差在10%以內(nèi)。由于環(huán)境水體中DOM的質(zhì)量濃度一般≤20 mg/L[20-21],濁度值主要集中在10 NTU范圍內(nèi)[22],因此實(shí)際環(huán)境水體在通常濃度下對(duì)本裝置的測(cè)定結(jié)果影響較小,基本滿足現(xiàn)場(chǎng)快速原位檢測(cè)的需求。
圖5 DOM質(zhì)量濃度(A)及濁度(B)對(duì)測(cè)定10 mg/L水中油的影響Fig.5 Effects of DOM mass concentration(A) and turbidity(B) on detection of 10 mg/L oil in water solution
2.7.3 示值誤差與重復(fù)性使用原位測(cè)油裝置分別重復(fù)測(cè)定1 mg/L和10 mg/L的水中油標(biāo)準(zhǔn)溶液7次,根據(jù)公式:Δc=(-c-cs)/cs×100%計(jì)算裝置的示值誤差,式中Δc為示值誤差;-c為7次測(cè)量值的平均值(mg/L);cs為標(biāo)準(zhǔn)溶液的質(zhì)量濃度(mg/L)。以測(cè)定值的RSD評(píng)價(jià)裝置的重復(fù)性。測(cè)定結(jié)果如圖6所示,高濃度和低濃度的水中油溶液的示值誤差均在3%以內(nèi),表明準(zhǔn)確性良好;在重復(fù)性方面,低濃度標(biāo)準(zhǔn)溶液的測(cè)定值的RSD雖然較高,但測(cè)定值基本在0.90~1.12 mg/L范圍內(nèi)波動(dòng),滿足現(xiàn)場(chǎng)快速檢測(cè)的需求。
圖6 原位測(cè)油裝置在低濃度(A)與高濃度(B)水中油標(biāo)準(zhǔn)溶液的示值誤差與重復(fù)性Fig.6 Indication errors and repeatabilities of in-situ oil measurement device at low concentration(A)and high concentration(B) of oil in water
2.7.4 儀器比對(duì)測(cè)試配制一定濃度的水中油溶液a、b、c、d、e,分別使用原位測(cè)油裝置以及實(shí)驗(yàn)室方法(使用正己烷萃取后通過(guò)三維熒光光譜儀測(cè)定)測(cè)定,對(duì)比兩種測(cè)試方法的結(jié)果(圖7A)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,使用實(shí)驗(yàn)室儀器測(cè)定結(jié)果與原位測(cè)油裝置的測(cè)試結(jié)果非常接近,二者的差值基本在0.5 mg/L范圍內(nèi)。通過(guò)線性回歸模型評(píng)價(jià)三維熒光儀與原位測(cè)油裝置測(cè)量值的相關(guān)性(圖7B),結(jié)果顯示二者的測(cè)量值具有很強(qiáng)的相關(guān)性,相關(guān)系數(shù)(R)為0.999 8,表明原位測(cè)油裝置與實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)方法之間具有良好的一致性。
圖7 原位測(cè)油裝置與實(shí)驗(yàn)室測(cè)試方法的結(jié)果比對(duì)(A)及其相關(guān)性分析(B)Fig.7 Comparison of results measured by in-situ oil measurement device and laboratory measurement(A) and its correlation analysis(B)
2.7.5 檢出限以高純水作為空白樣品,使用原位測(cè)油裝置連續(xù)測(cè)定11 次,以11 次測(cè)定值的3 倍標(biāo)準(zhǔn)偏差與標(biāo)準(zhǔn)曲線斜率之比計(jì)算原位測(cè)油裝置對(duì)水中油的檢出限為0.42 mg/L,該結(jié)果滿足地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB 3838-2002)IV和V類(lèi)水質(zhì)限值(0.5 mg/L和1 mg/L)的要求。
2.7.6 實(shí)際樣品測(cè)定分別取500 mL地下水、河流水、工廠廢水,使用實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)方法(見(jiàn)“1.3”)與原位測(cè)油裝置測(cè)定水中油的濃度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3,原位測(cè)油裝置的測(cè)試結(jié)果顯示3種樣品的加標(biāo)回收率為91.2%~114%,說(shuō)明研制的原位測(cè)油裝置具有良好的準(zhǔn)確性,可滿足環(huán)境水體的原位檢測(cè)需求。
表3 實(shí)際樣品的測(cè)定及加標(biāo)回收率結(jié)果(n=3)Table 3 Determination of real sample and its recoveries(n=3)
本文研制了一種基于熒光光度法的水中石油類(lèi)污染物便攜原位測(cè)定裝置,與現(xiàn)有測(cè)試方法與儀器對(duì)比,本裝置采用浸入式探頭原位測(cè)定水中油濃度,避免使用萃取劑,具有準(zhǔn)確度高、靈敏度好、使用成本低、儀器便攜、環(huán)境友好等優(yōu)勢(shì),可應(yīng)用于各類(lèi)水體中石油類(lèi)污染物的原位快速測(cè)定。