水環(huán)境中多環(huán)芳烴的三維熒光光譜分析方法探討

思常紅 羅炳鈞 劉婷婷

摘??要：多環(huán)芳烴這一有機(jī)化合物少量來源于自然，更主要來源于人類活動，普遍存在于水環(huán)境之中，對生態(tài)環(huán)境與人類健康有較大的危害。三維熒光光譜技術(shù)是一種基于熒光特性進(jìn)行分析的方法，將它用于水環(huán)境中多環(huán)芳烴的檢測，在靈敏度、準(zhǔn)確性和操作便捷性等方面均具有優(yōu)勢。應(yīng)不斷完善與提高三維熒光光譜技術(shù)，使其在水環(huán)境監(jiān)測和保護(hù)中發(fā)揮更大的作用。

關(guān)鍵詞：多環(huán)芳烴??水環(huán)境??三維熒光光譜??靈敏度

中圖分類號：X83

Exploration?of?the?Three-Dimensional?Fluorescence?Spectroscopy?Analysis?Method?for?Polycyclic?Aromatic?Hydrocarbons?in?the?Water?Environment

SI?Changhong??LUO?Bingjun??LIU?Tingting

Liuzhou?Vocational?and?Technical?College，?Liuzhou，?Guangxi?Zhuang?Autonomous?Region，?545000?China

Abstract：?Polycyclic?aromatic?hydrocarbons?are?organic?compounds?that?come?from?nature?in?small?quanitities?and?mainly?from?human?activities，?and?they?are?commonly?found?in?the?water?environment?and?do?great?harm?to?the?ecological?environment?and?human?health.?Three-dimensional?fluorescence?spectroscopy?technology?is?an?analytical?method?based?on?fluorescence?characteristics，?and?when?applying?it?to?the?detection?of?polycyclic?aromatic?hydrocarbons?in?the?water?environments，?it?has?advantages?in?sensitivity，?accuracy?and?the?ease?of?operation.?We?should?continuously?improve?and?enhance?three-dimensional?fluorescence?spectroscopy?technology?to?play?its?greater?role?in?the?monitoring?and?protection?of?the?water?environment.

Key?Words：?Polycyclic?aromatic?hydrocarbons;?Water?environment;?Three-dimensional?fluorescence?spectroscopy;?Sensitivity

水環(huán)境污染一直是全球關(guān)注的重點(diǎn)環(huán)境問題，其中多環(huán)芳烴作為一類普遍存在的有機(jī)污染物，因其對環(huán)境和人類健康的潛在危害而受到廣泛關(guān)注。多環(huán)芳烴的穩(wěn)定性和生物積累性，使得對其在水環(huán)境中的檢測與分析成為環(huán)境科學(xué)領(lǐng)域的重要課題?，F(xiàn)有的多環(huán)芳烴檢測方法多種多樣，但普遍存在靈敏度不足、操作復(fù)雜或無法有效區(qū)分復(fù)雜樣品等問題。三維熒光光譜分析方法對于水環(huán)境中的多環(huán)芳烴檢測，有較高的靈敏度，操作也比較簡便，在水環(huán)境監(jiān)測中展示出巨大的潛力。

1??多環(huán)芳烴對環(huán)境的影響及檢測

1.1??多環(huán)芳烴在水環(huán)境中的分布和來源

多環(huán)芳烴作為一類由多個芳香環(huán)結(jié)構(gòu)組成的有機(jī)化合物，其在水環(huán)境中的廣泛存在引起了人們的關(guān)注。這些化合物主要來源于人類活動，如燃煤、石油的加工和使用，以及工業(yè)生產(chǎn)過程中化石燃料的不完全燃燒。多環(huán)芳烴的自然來源渠道很多，例如：森林火災(zāi)和火山活動，雖然也會產(chǎn)生多環(huán)芳烴，但其在總量上相對較少。在水環(huán)境中，多環(huán)芳烴主要通過大氣沉降、工業(yè)廢水排放和地表徑流進(jìn)入。這些物質(zhì)在水體中不易降解，容易在沉積物中積累，并通過食物鏈對水生生物造成影響。由于親脂性和低溶解度，多環(huán)芳烴在水環(huán)境中往往以吸附于懸浮顆粒物或沉積物的形式存在。此外，城市化和工業(yè)化進(jìn)程加劇了多環(huán)芳烴在水環(huán)境中的積累，如此一來，監(jiān)控這類物質(zhì)就變得尤為重要。

1.2??多環(huán)芳烴對環(huán)境和健康的潛在危害

多環(huán)芳烴對環(huán)境和人類健康的潛在危害不容忽視。在環(huán)境中，因為多環(huán)芳烴具有穩(wěn)定性和生物蓄積性，這導(dǎo)致它能夠在食物鏈中累積，最終對高級生物的健康造成影響。一些多環(huán)芳烴化合物已被證實(shí)具有致癌性和突變性，對水生生物的生長、繁殖和免疫系統(tǒng)造成負(fù)面影響。對人類而言，長期暴露于含多環(huán)芳烴的環(huán)境中可能會增加患癌癥的風(fēng)險。例如：某些多環(huán)芳烴被認(rèn)為是肺癌和皮膚癌的潛在致病因素。此外，這些污染物還可能影響神經(jīng)系統(tǒng)、免疫系統(tǒng)和生殖系統(tǒng)的正常功能[1]。因此，了解多環(huán)芳烴在水環(huán)境中的行為和其對生態(tài)系統(tǒng)及人類健康的影響，是環(huán)境監(jiān)測和風(fēng)險評估中的關(guān)鍵一環(huán)。

1.3??現(xiàn)有檢測方法的局限性

盡管多環(huán)芳烴的檢測技術(shù)在過去幾十年里取得了顯著進(jìn)步，但現(xiàn)有的方法仍存在一些局限性。傳統(tǒng)的檢測方法，如氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用和高效液相色譜，雖然在靈敏度和準(zhǔn)確度方面表現(xiàn)出色，但往往需要復(fù)雜的樣品前處理和昂貴的設(shè)備，整體來說效益不高。此外，這些方法的操作過程繁瑣，耗時較長，不能實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場快速檢測。在處理復(fù)雜的水樣時，這些傳統(tǒng)方法可能受到樣品矩陣效應(yīng)的影響，導(dǎo)致檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性受損。針對多環(huán)芳烴的特定分析，尤其是在低濃度水平下的檢測，這些方法的靈敏度和準(zhǔn)確性仍然有待提高。因此，使用一種快速、高效、成本較低且具有較高靈敏度和準(zhǔn)確性的新型檢測方法，對于水環(huán)境中多環(huán)芳烴的監(jiān)控至關(guān)重要。

2??三維熒光光譜分析技術(shù)

2.1??三維熒光光譜技術(shù)的原理

三維熒光光譜技術(shù)是一種基于熒光特性進(jìn)行分析的方法，它能夠提供關(guān)于分子結(jié)構(gòu)和環(huán)境的詳細(xì)信息。這項技術(shù)通過測定樣品在不同激發(fā)波長下的熒光強(qiáng)度隨發(fā)射波長的變化來構(gòu)建三維熒光光譜。在三維熒光光譜中，一個軸代表激發(fā)波長，另一個軸表示發(fā)射波長，而第三個軸則是熒光強(qiáng)度。每種化合物的熒光特性，包括熒光峰的位置、強(qiáng)度和形狀，都是獨(dú)特的，可以用來識別和量化特定的分子。例如：多環(huán)芳烴在特定的激發(fā)和發(fā)射波長下會顯示出特有的熒光峰。這種技術(shù)的關(guān)鍵在于它可以同時提供有關(guān)化合物濃度和結(jié)構(gòu)的信息，這對于混合樣品中多種化合物的檢測尤其有用。此外，三維熒光光譜能夠揭示樣品中化合物之間的相互作用，如能量的轉(zhuǎn)移或猝滅現(xiàn)象，這對于理解復(fù)雜的生物或環(huán)境樣品中的分子行為意義重大。

2.2??操作步驟和技術(shù)要點(diǎn)

操作三維熒光光譜分析技術(shù)的關(guān)鍵在于精確控制、系統(tǒng)地變化激發(fā)和發(fā)射波長，以及確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確采集和處理。首先，需要準(zhǔn)備樣品，使其適合熒光測量，包括適當(dāng)?shù)南♂尯蚿H調(diào)節(jié)，以避免自然吸收和熒光猝滅現(xiàn)象的發(fā)生。其次，設(shè)置光譜儀，包括選擇合適的激發(fā)波長范圍和分辨率。在測量過程中，逐漸改變激發(fā)波長，并記錄每個激發(fā)波長下的熒光發(fā)射光譜。收集到的數(shù)據(jù)隨后被轉(zhuǎn)化為三維數(shù)據(jù)矩陣，進(jìn)而通過專業(yè)軟件進(jìn)行處理和分析。在數(shù)據(jù)處理過程中，重要的是消除可能影響結(jié)果的干擾因素，如儀器的瑞利散射峰和熒光背景[2]。最后，利用三維熒光光譜的解析工具，如峰擬合、分解和多維數(shù)據(jù)分析方法，來識別和量化樣品中的多環(huán)芳烴。此過程需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行細(xì)致的解讀，特別是在處理復(fù)雜的環(huán)境樣品時，才能夠檢測出多環(huán)芳烴的濃度和種類。

在進(jìn)行多環(huán)芳烴的三維熒光光譜分析時，首先需要選擇合適的熒光光譜設(shè)備。在種類眾多的設(shè)備之中，推薦使用具有高靈敏度和寬動態(tài)范圍的熒光光譜儀，這對于檢測低濃度水平下的多環(huán)芳烴效果顯著。在實(shí)驗操作過程中，樣品的準(zhǔn)備是一個關(guān)鍵步驟。其次，需要對水樣進(jìn)行過濾處理，通常使用0.45?μm的濾膜進(jìn)行過濾，以去除懸浮顆粒物和其他大分子雜質(zhì)。過濾后的樣品需在4?℃條件下儲存，并盡快進(jìn)行測試。在熒光光譜分析之前，必須對儀器進(jìn)行校準(zhǔn)，以確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。校準(zhǔn)過程包括波長校準(zhǔn)和強(qiáng)度校準(zhǔn)，確保儀器的測量結(jié)果能夠真實(shí)反映樣品的熒光特性。測試時，應(yīng)當(dāng)注意對樣品的激發(fā)波長和發(fā)射波長進(jìn)行選擇，因為這直接影響到熒光信號的強(qiáng)度和分辨率。多環(huán)芳烴的激發(fā)波長通常在200～300?nm之間，而發(fā)射波長則在300～500?nm之間變化[3]。在操作過程中，還需要注意控制樣品的pH值，因為pH值的不同會影響到多環(huán)芳烴的熒光特性。通常情況下，建議在中性或微酸性條件下進(jìn)行測試，以保持多環(huán)芳烴的穩(wěn)定性。最后，對于實(shí)驗結(jié)果的解析，建議采用多維數(shù)據(jù)處理技術(shù)，如平行因子分析，這可以有效分離和識別出復(fù)雜樣品中的多環(huán)芳烴成分。

2.3?優(yōu)勢和潛在應(yīng)用

三維熒光光譜分析技術(shù)在多環(huán)芳烴檢測方面提供了許多優(yōu)勢，其中，最大的優(yōu)點(diǎn)是高靈敏度和高選擇性，能夠在復(fù)雜的環(huán)境樣品中準(zhǔn)確地識別和量化多環(huán)芳烴。這種技術(shù)比傳統(tǒng)的色譜方法更快速，成本更低，且操作更簡便。三維熒光光譜分析技術(shù)不需要復(fù)雜的樣品前處理，可以直接分析水樣。此外，三維熒光光譜能夠提供有關(guān)化合物分子環(huán)境的信息，這對于理解化合物在環(huán)境中的行為非常有用[4]。在潛在應(yīng)用方面，這項技術(shù)不僅適用于環(huán)境監(jiān)測，還可以用于食品安全、藥物分析和生物醫(yī)學(xué)研究等多個領(lǐng)域。例如：在環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域，三維熒光光譜可以用于監(jiān)測水體中的污染物濃度變化，評估污染治理措施的效果，或者在水處理過程中追蹤特定污染物的去除效率。在食品安全和藥物分析中，它可以用于檢測和分析復(fù)雜樣品中的有害物質(zhì)。而在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，該技術(shù)有助于研究生物體內(nèi)分子的相互作用和代謝過程。

3??三維熒光光譜技術(shù)的未來發(fā)展

3.1??技術(shù)創(chuàng)新和改進(jìn)方向

三維熒光光譜分析技術(shù)在水環(huán)境中多環(huán)芳烴檢測領(lǐng)域應(yīng)用中，創(chuàng)新和改進(jìn)的方向應(yīng)集中在提高分析效率、靈敏度以及適用性等方面。首先，技術(shù)的迭代更新將致力于提高數(shù)據(jù)的采集速度和處理能力，從而使得實(shí)時監(jiān)測和大數(shù)據(jù)分析成為可能。例如：通過集成更先進(jìn)的探測器和光源，可以在更短的時間內(nèi)獲得高質(zhì)量的光譜數(shù)據(jù)。其次，對分析軟件和算法的改進(jìn)將使得從復(fù)雜光譜中提取有用信息變得更加高效和準(zhǔn)確。這在處理復(fù)雜環(huán)境中的樣品，如含有多種化合物的工業(yè)廢水時尤為重要。再次，技術(shù)的創(chuàng)新還包括提高系統(tǒng)的移動性和便攜性，使之更適用于現(xiàn)場檢測。通過微型化和集成化設(shè)計，三維熒光光譜儀器能夠更方便地應(yīng)用于現(xiàn)場快速檢測，對于環(huán)境監(jiān)測和緊急響應(yīng)尤為重要[5]。最后，跨學(xué)科的融合將是未來發(fā)展的另一大趨勢。

3.2??在水環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用前景

三維熒光光譜技術(shù)在水環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域的應(yīng)用前景十分廣闊。隨著人們環(huán)境保護(hù)意識的增強(qiáng)和環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)的提高，對水質(zhì)監(jiān)測的需求日益增長。三維熒光光譜技術(shù)憑借其高靈敏度和高選擇性的優(yōu)點(diǎn)，更加適合于監(jiān)測水環(huán)境中的有機(jī)污染物，尤其是在追蹤低濃度的多環(huán)芳烴方面表現(xiàn)出色。在未來，三維熒光光譜技術(shù)有望成為水質(zhì)監(jiān)測的標(biāo)準(zhǔn)方法之一，尤其在快速響應(yīng)和實(shí)時監(jiān)測方面具有重要的應(yīng)用價值[6]。例如：它可以用于城市污水處理廠的出水監(jiān)測，確保排放水質(zhì)符合環(huán)境保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)。同時，這種技術(shù)也適用于評估自然水體中污染事件所帶來的影響，如河流、湖泊和海洋中的石油泄漏或化工事故等。通過實(shí)時監(jiān)測水環(huán)境中的污染物變化，能夠及時發(fā)現(xiàn)和處理環(huán)境問題，從而更好地保護(hù)水生生態(tài)系統(tǒng)和人類健康。

3.3??面臨的挑戰(zhàn)和解決途徑

盡管三維熒光光譜技術(shù)在水環(huán)境監(jiān)測方面展示出巨大潛力，但在實(shí)際應(yīng)用中仍面臨一些挑戰(zhàn)。首先是樣品矩陣復(fù)雜性帶來的挑戰(zhàn)，特別是在處理自然水體樣品時，樣品中的其他成分可能干擾到對熒光信號的解讀。為應(yīng)對這一問題，可通過改進(jìn)樣品前處理步驟和開發(fā)更高級的數(shù)據(jù)處理算法來減少干擾和提高分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。其次，現(xiàn)場應(yīng)用的挑戰(zhàn)在于提高儀器的穩(wěn)定性和適用性。對此，要研發(fā)更為堅固、便攜的設(shè)備，并結(jié)合無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，這樣可以使儀器滿足于復(fù)雜現(xiàn)場條件下的使用。最后，提高方法的普及度也是一個重要的挑戰(zhàn)，這需要通過用戶培訓(xùn)、開發(fā)易于操作的軟件界面和提供更多的應(yīng)用案例來加以實(shí)現(xiàn)，顯然克服這一挑戰(zhàn)需要的時間更長，需要較長的時間周期逐步地達(dá)成。通過這些努力，三維熒光光譜技術(shù)有望在水環(huán)境監(jiān)測和保護(hù)中發(fā)揮更大的作用。

4??結(jié)語

隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和創(chuàng)新，三維熒光光譜技術(shù)有望在水環(huán)境保護(hù)、污染治理和風(fēng)險評估等工作中，發(fā)揮出更加重要的作用，從而為保護(hù)我們寶貴的水資源和生態(tài)系統(tǒng)貢獻(xiàn)力量。

參考文獻(xiàn)

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