三維熒光技術在水質監測方面的應用與發展

王士峰（西南科技大學環境與資源學院,四川 綿陽 621010)

三維熒光技術在水質監測方面的應用與發展

王士峰
（西南科技大學環境與資源學院,四川 綿陽 621010)

摘 要:三維熒光技術在水質表征方面具有較大潛力。根據已有的研究成果，對近年來該技術在天然水質表征方面的應用進行總結。根據天然水中主要存在6個熒光峰（Peak A、Peak C、Peak M、Peak B、Peak T1和Peak T2）和各類熒光峰的差異可以分辨出不同來源的水樣的水質狀況、污染程度等。

關鍵詞:三維熒光技術；溶解有機質；環境；水質

目前，地表飲用水源的污染類型日益惡劣，且愈顯復雜。美國的研究報告表明（1974年以來），飲用水中有近百種致癌物質，這也讓飲用水源安全的問題成為世界廣泛關注的熱點之一。天然水域（河流、湖泊、海洋等）中廣泛存在著溶解性有機質DOM（dissolved organic matter），其官能團豐富，且遷移率高。加之其中富含C、N、P等營養元素，進而參與水環境中的多種理化反應過程，對水環境質量有重要影響。比如，其能與金屬離子形成絡合物，影響金屬的毒性及溶解性；另外，在水處理過程中，DOM會使消毒過程產生更多的副產物。因為DOM的分子量、官能團等的分布范圍較大，因此對其各種成分進行詳盡分析變得困難。三維熒光光譜（Three-dimensional Excitation-Emission Matrix Spectra），簡稱EEM，具有多種優點，比如無需預處理、準確度高、速度快、靈敏度高、所需樣品較少等，信息種類豐富且圖像直觀，圖譜與污染物質種類、含量相對應，就好像人的指紋具有唯一性一樣，所以也被稱為“熒光指紋”，是DOM表征的首選方法。

1 三維熒光峰的分類情況

表1 自然環境中的水樣熒光峰常見類型及其分布位置

2 環境因素對DOM熒光的影響

2.1 金屬離子

天然水中的類腐殖酸熒光強度受金屬離子的影響最為明顯。DOM易與金屬離子發生絡合反應，致使DOM的熒光強度發生猝滅的后果。一般而言，如Cu2+、Fe3+、Hg2+、Ni2+、Zn2+等順磁性金屬離子易導致腐殖酸的熒光猝滅；如Al3+、Mg2+、Ca2+和Cd2+等反磁性金屬離子的影響較為復雜，它們與腐殖質絡合后其熒光可能增強，可能猝滅或者影響不明顯。針對于相關的研究來看，目前主要是在實驗室條件下采用加入自由金屬離子的方法進行，而金屬在自然環境中主要以顆粒物和有機物的形式存在，所以關于金屬離子對DOM熒光強度是否有顯著影響還存在爭議。

2.2 溫度

溫度對熒光強度的影響較大，有研究表明溫度對熒光強度的影響是可逆的，因為溫度并不改變DOM的分子結構。但也有觀點與之相反，主張溫度對熒光強度的影響是不可逆的，這可能由于升溫促使DOM發生了光降解或者分解所致。

2.3 pH對于DOM熒光強度的影響

高pH值條件可導致熒光強度增強；而低pH值條件下則可以導致熒光強度降低。pH值為2～ 12之間是三維熒光光譜技術較適宜的范圍，但為了減小誤差，有時在測定前可將pH調至6～7的中性范圍。天然水（pH值5～ 9）熒光峰的熒光強度的變動并不明顯，最大變化可達10%左右，說明仍可以較好的表征DOM。

3 三維熒光技術在水環境監測中的應用

3.1 海洋環境

海洋或入海口處的海洋微生物的生物、浮游生物與海洋DOM的關系可以較好的用三維熒光技術來表征。海洋腐殖酸（Peak M）是在海洋環境中新產生的腐殖酸，而不同于陸源腐殖酸（Peak C）。如影響海水中的類蛋白熒光峰（Peak B、Peak T1、Peak T2）的因素主要分為內源和外源類：海域自身產生的類蛋白物質為內源，由外來途徑引入的類蛋白稱為外源。人類活動對海水的影響可以表征為Peak T1和Peak T2的變化。腐殖酸熒光強度與海水深度及離海岸線距離有關。腐殖酸（Peak A）離海岸線和入海口越遠，其熒光強度越低。鹽度對Peak M的熒光影響明顯有關，因此在分辨河流水和海洋水時，可根據隨著鹽度降低，Peak M是否逐漸向長波長的Peak C區域紅移來判斷。

3.2 淡水環境

因為淡水中DOM的濃度相對穩定，差異性不大，所以可利用三維熒光技術的高靈敏度來檢測不同樣品間的細微不同。一般而言，污水中的類蛋白物質較多，而淡水中含有較多的腐殖酸（Peak A 和 Peak C 熒光強度大）。常用類蛋白和類腐殖質熒光強度的比值r（類蛋白/類腐殖質）來判斷水體污染情況，r值較大時，說明類蛋白熒光強度較大，可以推測水質受到外源污染。r值較小，說明水體未受污染，而受污染的河流r則較大。

4 小結

由于溶解性有機質（DOM）的廣泛存在，對水環境質量影響嚴重，目前已成為人們關注的焦點之一。三維熒光技術在快速有效檢測DOM 濃度以及特征的微小變化方面具有明顯優點，在表征水體DOM方面可以提供豐富的信息。

參考文獻：

[1]蔣鳳華,楊黃浩,黎先春等.膠州灣海水溶解有機物三維熒光特征研究[J].光譜學與光譜分析,2007,27(09):1765-1769.

[2]劉明亮,張運林,秦伯強.太湖入湖河口和開敞區CDOM吸收和三維熒光特征 [J].湖泊科學,2009,21(02):234-241.

作者簡介：王士峰（1989-），男，山西晉城人，研究生，水質監測，學生，西南科技大學環境與資源學院。