三維熒光光譜法在苯酚水污染事故監(jiān)測中的應(yīng)用

袁靜 沈薇 戴源 孫小平 王志剛

摘要：建立了三維熒光光譜法直接測定地表水污染事故中苯酚的監(jiān)測方法。方法最低檢出限0.006 mg/L，相對標(biāo)準(zhǔn)偏差RSD在0.3%～4.7%之間，加標(biāo)回收率在93.0%～103% 之間，線性范圍為0.040～1.50 mg/L。對苯酚濃度高于0.040 mg/L的污染樣品可快速定性、定量測定，對苯酚濃度低于0.040 mg/L的污染樣品可快速給出參考濃度。

關(guān)鍵詞：三維熒光光譜法;苯酚;水污染

中圖分類號：X832 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-672X（2019）04-0-03

Abstract：The determination method of phenol in water pollution accidents was studied.It based on the three-Dimensional fluorescence spectrometry.The method detection limit was 0.006 mg/L， the relative standard deviation was between 0.3%-4.7%， the recovery rate was between 93.0%-103%.The measurement range of phenol was between 0.040 mg/L-1.50 mg/L.The method could detect the phenol concetration rapidly when the sample phenol concetration was higher than 0.040 mg/L. It could indicate the phenol reference concentration when the sample phenol concetration was lower than 0.040 mg/L.

Key words：Three-Dimensional Fluorescent spectroscopy;Phenol;Water pollution

酚類化合物具有致癌、致畸、致突變的潛在毒性。長期飲用被酚類污染的水，會(huì)出現(xiàn)頭昏、出疹、瘙癢、貧血及各種神經(jīng)系統(tǒng)病癥，因此揮發(fā)酚類是水質(zhì)評價(jià)的一個(gè)重要指標(biāo)。苯酚是重要的有機(jī)化工原料，也是我國含酚廢水中有毒有害物質(zhì)的主要成分。美國環(huán)境保護(hù)署（EPA）已把苯酚列入129種優(yōu)先控制污染物和65種有毒污染物之列，我國也把苯酚列入“中國環(huán)境優(yōu)先污染物”黑名單之中。水體苯酚的檢測方法主要有4-氨基安替比林分光光度法[1]、氣相色譜法[2]、氣相色譜-質(zhì)譜法（GC-MS）[3]、液相色譜法[4][5]等。分光光度法主要用于測定揮發(fā)性的酚類，需經(jīng)過蒸餾、萃取等前處理去除干擾，操作費(fèi)時(shí)費(fèi)力。氣相色譜法、氣相色譜-質(zhì)譜法、液相色譜法可以很好地分離酚類化合物并得到較低的檢出限，但大多需經(jīng)過固相萃取、液液萃取、衍生化等復(fù)雜的前處理技術(shù)分離、富集酚類化合物，操作復(fù)雜費(fèi)時(shí)，適合測定痕量濃度。傳統(tǒng)的酚類檢測方法在地表水發(fā)生突發(fā)性揮發(fā)酚污染事故時(shí)，操作復(fù)雜、檢測時(shí)間長，對需要時(shí)刻監(jiān)測的污染情況顯得力不從心。熒光法由于其測量時(shí)間短、靈敏度高、操作簡便快速等優(yōu)點(diǎn)，受到了廣泛的關(guān)注。但由于實(shí)際水體成分復(fù)雜，熒光法易受環(huán)境因素影響，測定結(jié)果并不理想，如何提取出目標(biāo)物的熒光信息、去除背景干擾是熒光光譜法準(zhǔn)確測量的首要條件。目前熒光法測定水中苯酚主要采用熒光淬滅法[6]、熒光增敏法[7]、數(shù)學(xué)分離法[8]等去除背景干擾提取特征信息達(dá)到測定苯酚的目的，直接測定法有采用pH調(diào)節(jié)法[9]、蒸餾法[10] 、濁點(diǎn)萃取法[11]前處理后熒光光度計(jì)直接測定。

普通熒光分析所測得的光譜是二維譜圖，包括固定激發(fā)波長而掃描發(fā)射（即熒光測定）波長所獲得的發(fā)射光譜，和固定發(fā)射波長而掃描激發(fā)波長所獲得的激發(fā)光譜。但是，實(shí)際上熒光強(qiáng)度應(yīng)是激發(fā)和發(fā)射這兩個(gè)波長變量的函數(shù)。描述熒光強(qiáng)度同時(shí)隨激發(fā)波長和發(fā)射波長變化的關(guān)系圖譜，即為三維熒光光譜。三維熒光光譜的表示形式有等角三維投影圖和等高線光譜圖。在一個(gè)多組分體系的三維熒光光譜圖中，每種組分有獨(dú)立吸收和發(fā)射的特定光譜，這一光譜區(qū)被限制在一個(gè)矩形范圍內(nèi)，這樣，通過一次掃描便有可能監(jiān)測體系中的全部組分[12]。因此，三維熒光光譜能獲得激發(fā)波長與發(fā)射波長同時(shí)變化的熒光強(qiáng)度信息，包含的光譜信息更豐富，具有指紋性，可完成混合體系中多組分的定性、定量分析。

本文建立了三維熒光光譜法直接測定地表水污染事故中苯酚的方法，與傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)方法、文獻(xiàn)方法相比，測定過程簡單、快速，對苯酚濃度在100.0 mg/L以下的苯酚水污染事故的模擬測定結(jié)果令人滿意，能夠滿足地表水污染事故中苯酚的應(yīng)急監(jiān)測。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

F-4600 型熒光分光光度計(jì)（日本日立）;1 cm石英比色皿;苯酚標(biāo)準(zhǔn)溶液（1000 mg/L， 國家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)樣品信息中心）。

1.2 F-4600型熒光光度計(jì)主要工作參數(shù)

激發(fā)光源：150W氙弧燈;PMT 電壓：700 V;信噪比>110;掃描波長范圍：Ex =220～480 nm，Em =240～600 nm;激發(fā)波長步長λEx = 5 nm，發(fā)射波長步長λEm = 1 nm;響應(yīng)時(shí)間：自動(dòng);掃描速度：2400 nm/min。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

移取10.0 mL苯酚標(biāo)準(zhǔn)溶液于1000 mL容量瓶中，用去離子水定容并混合均勻，配制成苯酚標(biāo)準(zhǔn)使用液。在5個(gè)100 mL容量瓶中分別加入0.40 mL、0.80 mL、1.50 mL、5.00 mL、10.0 mL、15.0 mL標(biāo)準(zhǔn)使用液，用經(jīng)0.45 μm玻璃纖維濾膜抽濾、不含酚類的新鮮地表水（稀釋水）定容并混勻，所得苯酚標(biāo)準(zhǔn)系列濃度分別為0.040、0.080、0.150、0.500、1.00、1.50 mg/L。采集100mL待測樣品，經(jīng)0.45 μm玻璃纖維濾膜抽濾，棄去20mL初濾液后收集濾液待測。分別掃描稀釋水、標(biāo)準(zhǔn)系列及待測樣品濾液，在λEx/λEm =270 nm/296 nm 處讀取苯酚特征峰熒光強(qiáng)度，并將標(biāo)準(zhǔn)系列及待測樣品濾液原始熒光強(qiáng)度扣除稀釋水原始熒光強(qiáng)度后除以超純水在λEx/λEm=350 nm/398 nm處的拉曼散射值進(jìn)行歸一化處理。將標(biāo)準(zhǔn)系列歸一化熒光強(qiáng)度值與苯酚標(biāo)準(zhǔn)系列濃度線性回歸，得到工作曲線方程，待測樣品濾液歸一化熒光強(qiáng)度值代入工作曲線方程計(jì)算樣品中苯酚濃度。全波段掃描測定時(shí)間：10min;苯酚波段掃描測定時(shí)間：5min。

2 結(jié)果與討論

2.1 光譜預(yù)處理及拉曼歸一化處理

樣品的三維熒光光譜包含瑞利散射和拉曼散射。瑞利散射和拉曼散射信號強(qiáng)，會(huì)影響污染物三維熒光光譜的信息分析。為了清晰反映污染物的三維熒光光譜特征，采用Delaunay三角形內(nèi)插值法對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，以消除瑞利和拉曼散射的影響。此外，為消除儀器系統(tǒng)誤差，將三維熒光光譜的所有原始數(shù)值扣除試驗(yàn)空白值后進(jìn)行拉曼歸一化處理，即苯酚原始熒光強(qiáng)度扣除空白值后除以超純水在λEx/λEm=350 nm/398 nm處的拉曼散射值。試驗(yàn)空白值指工作曲線標(biāo)準(zhǔn)系列的稀釋水在苯酚特征峰處的原始熒光強(qiáng)度。

2.2 苯酚三維熒光光譜特征峰的選擇

掃描含苯酚標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的純水溶液得到水溶液中苯酚的三維熒光光譜圖，經(jīng)光譜預(yù)處理后的三維熒光光譜等高線圖如圖1所示， 苯酚在λEx/λEm =270 nm/296 nm 處熒光發(fā)射峰最強(qiáng)，實(shí)驗(yàn)中將λEx/λEm =270 nm/296 nm作為苯酚的特征峰。

2.3 背景干擾

天然水體中含有類蛋白、類腐殖酸、類富里酸等物質(zhì)，與苯酚的特征峰位置有光譜重疊，會(huì)對苯酚產(chǎn)生光譜干擾;天然水體中含有的顆粒物對熒光信號有散射，會(huì)導(dǎo)致熒光信號強(qiáng)度下降。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，純水中苯酚標(biāo)準(zhǔn)曲線方程為y=140.7x+1.11，相關(guān)系數(shù)r=0.99997;未經(jīng)過濾的瘦西湖水中苯酚工作曲線方程為y=63.3x-0.5531，相關(guān)系數(shù)r=0.997。天然水體中苯酚工作曲線的斜率比純水中的標(biāo)準(zhǔn)曲線斜率約降低了55%，顯示天然水體的背景干擾不可忽視。不考慮水體背景值的影響，直接以標(biāo)準(zhǔn)曲線計(jì)算天然水體中的苯酚濃度將使測定結(jié)果偏低55%左右。文獻(xiàn)多以加入熒光增敏劑提高苯酚的熒光強(qiáng)度[7]、樣品預(yù)蒸餾法 [10]、萃取法[11]或者運(yùn)用數(shù)學(xué)方法分離出苯酚光譜建立數(shù)學(xué)模型后再計(jì)算出測定結(jié)果[8]的方法去除背景干擾。本文將不含酚類的地表水樣品經(jīng)0.45 μm玻璃纖維濾膜抽濾后作為工作曲線稀釋水，有效去除了顆粒物的散射干擾及其他有機(jī)物的背景干擾。將去離子水、長江水、飲用水源地的原水、瘦西湖湖水及古運(yùn)河河水樣品經(jīng)0.45 μm玻璃纖維濾膜抽濾后作為工作曲線的稀釋水分別制作工作曲線，歸一化后的工作曲線方程見表1，不同來源的稀釋水制作的苯酚工作曲線方程相關(guān)系數(shù)均較好，以不同河流地表水為稀釋水制作的工作曲線斜率相對標(biāo)準(zhǔn)偏差為4.8%，較去離子水作稀釋水的標(biāo)準(zhǔn)曲線斜率約低12.7%，表明經(jīng)過濾后的地表水背景與去離子水依然有一定區(qū)別，但過濾后不同來源的地表水背景值對苯酚信號值的影響差別較小。因此當(dāng)發(fā)生苯酚水污染事故時(shí)，可以將本地其中一種未被揮發(fā)酚污染的潔凈地表水抽濾后作為稀釋水制作苯酚的工作曲線。

2.4 工作曲線稀釋水的選擇及樣品空白的扣除

采集未受酚類污染的當(dāng)?shù)氐乇硭?jīng)0.45 μm玻璃纖維濾膜抽濾，掃描后在苯酚特征峰位置讀取熒光強(qiáng)度，扣除去離子水在苯酚特征峰位置的熒光強(qiáng)度后歸一化，將歸一化后的熒光強(qiáng)度值代入以去離子水為稀釋水的標(biāo)準(zhǔn)曲線方程，未檢出苯酚的視為該樣品不含酚類，可以作為工作曲線的稀釋水。工作曲線稀釋水在苯酚特征峰位置的原始熒光強(qiáng)度作為標(biāo)準(zhǔn)系列及樣品測定中的空白試驗(yàn)值。該方法可快速初步判斷地表水是否被酚類污染。

2.5 pH值對苯酚熒光特性的影響

苯酚具有弱酸性，在酸性和堿性條件下的存在形式不同，pH值對其熒光強(qiáng)度的影響很大。強(qiáng)堿性條件下，苯酚以C6H6O5-形式存在，該形式不產(chǎn)生熒光;強(qiáng)酸性條件下，苯酚的羥基吸附H+成正離子，減少了苯環(huán)上的共軛π電子密度，熒光強(qiáng)度減弱。王歡博等[13]研究了不同pH值對苯酚熒光特性的影響，當(dāng)pH值在2～6時(shí)，苯酚的熒光較強(qiáng)且基本保持不變，在pH為8～11時(shí)，熒光逐漸減弱;在pH≥14時(shí)基本無熒光。分別測定pH=4、6、7、8、8.5、9時(shí)0.200 mg/L的苯酚水溶液，歸一化后熒光強(qiáng)度分別為：24、25、26、25、23、22，相對標(biāo)準(zhǔn)偏差為5.9%，pH在4～8時(shí)，苯酚熒光強(qiáng)度變化不大，pH>8.5后，熒光強(qiáng)度下降明顯。地表水pH值大多在7～8.5之間，無需調(diào)節(jié)pH值，可以直接測定;對pH>8.5的樣品需調(diào)節(jié)pH后測定。

2.6 其他酚類的干擾

由于三維熒光光譜具有指紋特性，不同類的物質(zhì)的熒光特征峰位置不同，對苯二酚、二氯苯酚、一氯苯酚等二元酚及氯代苯酚衍生物在三維熒光光譜中可以很好地與苯酚分離，5倍的對苯二酚、二氯苯酚、一氯苯酚對測定結(jié)果沒有影響;0.200 mg/L的鄰甲基苯酚、間甲基苯酚、對甲基苯酚在λEx/λEm =270 nm/296 nm處有熒光強(qiáng)度，歸一化后熒光強(qiáng)度分別為：24、27、21，這三種甲基酚為一元揮發(fā)性酚，三維熒光不能分別定性，但可以歸為揮發(fā)性酚類，統(tǒng)一以苯酚計(jì)。

2.7 方法檢出限

重復(fù)測定11次工作曲線最低點(diǎn)濃度，根據(jù)公式MDL=t（n-1，0.99）×S計(jì)算方法檢出限（其中n=11時(shí)，t=2.764）[14]，苯酚的方法檢出限為0.006 mg/L，測定下限為0.025 mg/L。但由于天然水體背景復(fù)雜，干擾嚴(yán)重，實(shí)際工作中，水體苯酚濃度在0.040 mg/L以上時(shí)熒光信號穩(wěn)定可靠，測定值可以作為定性、定量的依據(jù);低于0.040 mg/L時(shí)熒光信號不穩(wěn)定，可靠性差，測定值可以作為參考值。

2.8 標(biāo)準(zhǔn)樣品測定

采用本方法測定揮發(fā)酚標(biāo)準(zhǔn)樣品200352、200353，測定結(jié)果見表2。表2可知，兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)樣品的測定結(jié)果均在標(biāo)準(zhǔn)樣品的不確定度范圍內(nèi)，RSD在5%以下，方法的準(zhǔn)確度和精密度均較好。

2.9 實(shí)際樣品測定

采集瘦西湖、古運(yùn)河、京杭大運(yùn)河、長江等地表水樣品，加入一定量的苯酚標(biāo)準(zhǔn)使用液，模擬苯酚水污染樣品，按照實(shí)驗(yàn)方法測定樣品及加標(biāo)，樣品掃描后熒光強(qiáng)度出現(xiàn)飽和或者超過工作曲線最高點(diǎn)，用工作曲線稀釋水稀釋后測定，將歸一化熒光強(qiáng)度代入瘦西湖水為稀釋水制作的工作曲線計(jì)算樣品濃度及加標(biāo)回收率，測定結(jié)果見表3。表3可見，方法的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差RSD在0.3%～3.1%之間，加標(biāo)回收率在93.0%～103%之間，具有較好的準(zhǔn)確度和精密度。試驗(yàn)中，工作曲線的稀釋水與樣品并非來源同一條河流，但并不影響方法的準(zhǔn)確度和精密度。

3 結(jié)論

建立了三維熒光光譜法直接測定地表水污染事故中苯酚的方法。該方法前處理簡單，無需添加任何化學(xué)試劑，方法線性范圍寬，精密度、準(zhǔn)確度好，操作簡便快速，配套活塞式自清潔型的水體自動(dòng)進(jìn)樣模塊后可實(shí)現(xiàn)在線自動(dòng)化測定。對苯酚濃度在0.040 mg/L以上的地表水可快速定性、定量測定，對苯酚濃度在0.040 mg/L以下的地表水可快速給出苯酚參考濃度，能滿足地表水污染事故中苯酚原位快速定性、定量的監(jiān)測。

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收稿日期：2019-02-27

基金項(xiàng)目：中國科學(xué)院科技服務(wù)網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃（STS）項(xiàng)目（KFJ-SW-STS-170）;江蘇省環(huán)境監(jiān)測科研基金項(xiàng)目（1701）;揚(yáng)州市科技計(jì)劃項(xiàng)目（YZ2014218）

作者簡介：袁靜（1971-），女，漢族，本科學(xué)歷，高級工程師，研究方向?yàn)榄h(huán)境監(jiān)測。