三維熒光光譜技術在多個領域的應用現狀

許昶雯　史雨霏　馬家欣

摘 要：由于光譜儀器的迅速發展，光譜技術也被廣泛的應用。三維熒光光譜分析技術作為一種高效鑒別檢測手段，以其鑒定速度快的優勢在諸多應用領域受到了普遍重視。本文分析總結了三維熒光光譜分析技術在多個領域的應用，并進行展望。

關鍵詞：三維熒光光譜;多個領域應用

隨著時代科技的迅速發展，環境問題也隨之而來，污染物種類越來越多，嚴重危害著人類的健康。如何快速準確地確認污染物質種類是各行各業分析者追求的目標。三維熒光光譜（three-dimensional?fluorescence?spectroscopy）技術具有簡便、快速、靈敏和選擇性好等優點，可用于鑒定和測定有機物、無機物、藥物、生物物質等，目前廣泛應用于環保、生物、醫學、工業、化學等領域。

1、三維熒光技術應用領域

1.1水質檢測

當前環境問題越來越嚴峻，其中水質安全涉及人類日常生活的方方面面，因此水質檢測成為相關研究人員關注的重點。三維熒光分析可用于檢測水中各類有機物質，根據水質用途主要應用與生活飲用水、生活污水以及地表水水質檢測方面。

（1）生活飲用水

目前，三維熒光光譜被廣泛應用于飲用水處理和測試領域。陳方等[1]提出利用三維熒光光譜技術結合AVM分類模型和PARAFAC特征提取方法，通過設計實驗測定區分自來水樣品和有機物自來水溶液。實驗結果表明，該方法可以有效檢測飲用水中有機污染物的特征，具有實際應用價值。

（2）生活污水

隨著國民經濟和城市人口的迅速增長，大量城市污水進入的城市污水處理廠的監測和處理水平已成為人們關注的焦點，出水的質量和檢測的效率會直接影響到一個污水處理廠的污水處理能力[2]。傳統分析手段需要工作人員人工采集水樣在實驗室完成，耗時耗力，且無法實時監測水質變化情況。目前有總有機碳（TOC）、總磷（TP）、總氮（TN）等的在線監測設備，但該類設備一般體積龐大、成本昂貴，且只能監測一種指標，難以被廣泛應用于污水處理廠[3]。三維熒光光譜分析法可以有效應對這些問題，完成多種水質指標的同時在線分析，很好地反映污水處理過程中污染物的種類、性質和數量等信息。

帥磊等[4]將三維熒光光譜法與平行因子法和熒光區域積分法相結合，對城市生活污水廠各構筑物出水進行快速表征和分析，從而能夠解析污水中的熒光物質，獲得各熒光物質的三維熒光光譜圖及相應的得分和積分值。施俊[2]利用三維熒光光譜技術研究了各組分突光強度與常規有機物污染指標間的相關性，以期為建立基于三維熒光光譜的水質快速監測方法提供理論基礎。

（3）地表水

對于地表水中的污染物，盧松等[5]應用三維熒光光譜技術（3D-EEM），研究了長壽湖和大洪海兩大湖水水體中溶解性有機質（DOM）的熒光光譜特征，討論沿岸生態系統差異對兩個湖泊中DOM性質及來源的影響。結果表明，人為干擾是導致兩個水體DOM地球化學特征存在明顯差異的重要原因。李曉潔等[6]利用三維熒光光譜與平行因子結合分析，對沈陽市5條黑臭水體進行分析，探究黑臭水體污染情況以及污染來源。結果表明DOM主要由類蛋白熒光組分、類富里酸熒光組分和類腐殖酸熒光成分組成。陸源有機質組分對黑臭水體DOM的貢獻率高達61.2%，微生物內源組分對黑臭水體DOM的貢獻率為25.5%。

1.2石油檢測

近年來，在地質、化工、冶金、化學等方面，三維熒光光譜技術也逐漸廣泛應用，尤其在石油領域也發揮愈發重要的作用，其主要應用于煉油廢水和檢測與識別兩個方面。

在煉油廢水方面，楊海涯等[7]利用三維熒光光譜技術快速測定冶金和石油行業排放污水中的礦物油含量。田廣軍等[8]提取多種礦物油樣品的熒光光譜分解和計算奇異值，并將所得數據進行組合，實現三維光譜反演重構，對污染油模式的識別和礦物油熒光信息文庫的建設有著重要意義。王玉田[9]通過繪制包絡線和模式識別神經網絡，利用三維熒光光譜技術提高了礦物油的鑒別效率。以上工作都為三維熒光光譜技術在煉油廢水分析方向奠定了基礎。

在石油的檢測和鑒別中，丁志群等[10]建立不同類型食用油的三維等高熒光光譜，降維處理后，發現不同類型食用油的三維熒光等高線譜具有典型的指紋特征，可用于鑒別食用油的品種。周艷蕾等[11]通過平行因子分析法和聚類分析法測定六種原油和三種燃料油的三維熒光光譜，以確定實驗油熒光組分的最佳數量并提取各類實驗油品的熒光特征，建立熒光標準光譜庫，為快速鑒別溢油污染物提供技術支持。尹曉楠[12]通過油品模擬風化實驗分析了風化過程對油種鑒別結果的影響，建立了不同油品的三維熒光光譜標準特征譜，并成功應用其進行了油種識別研究。張菡潔[13]將三維熒光光譜技術與平行因子分析法相結合對水中礦物油的熒光光譜數據進行分析和處理，實現了其混合溶液中主要礦物油成分的確定和各主要成分的濃度預測。

1.3農產品檢測

（1）茶葉

茶葉是我國重要的經濟作物，在泡茶和飲茶的之余，人們更希望可以明確其主要成分及含量的具體指標，以發揮茶葉的最大功效。三維熒光光譜技術與國內常使用的比色法相比具有較高的靈敏性和良好的選擇性，還能同時進行多組分檢測，可以被更好的應用于食品藥品及成分檢測等研究。研究學者張琪瑞[14]應用三維熒光光譜技術結合熒光體積積分技術（Fluorescence?regional?integration，?FRI），對黃山毛峰和鐵觀音兩種茶葉進行浸出液EEM的特性、浸出液中主要成分的定量分析、溫度對茶多酚浸出速率的影響三方面的分析研究，為快速檢測茶葉品質成分分析和種類區分提供新方法，為開發茶葉主要成分浸出動態實時在線檢測裝置提供實驗基礎。

（2）農藥

農藥不僅可以保障農作物的健康生長，還可以促進農產品的增收，為人們帶來經濟利益，而正是由于農藥在農業生產中的重要地位，導致農藥大量使用，造成農藥殘留增加，環境嚴重污染，給人們身體的健康帶來威脅，所以提高農藥殘留檢測的精確度和檢測速度具有非常重要的意義[15]。

目前用于農藥殘留檢測的方法主要包括：高效液相色譜法、氣相色譜法、液相色譜-質譜法、氣相色譜-質譜法、活體檢測法、薄層色譜法、免疫分析法、生物傳感器法等[15]。以上方法在應用于農藥殘留檢測的時候都會存在某種程度的不足[15]，國家對農藥殘留的標準要求的也越來越嚴格，相比之下，三維熒光光譜技術更加完好，能夠準確度高效檢測農藥殘留。陳超[16]用FLS920P多功能光譜儀，測量了三種常見有機磷對硫磷、甲基對硫磷和水胺硫磷的甲醇溶液和乙醇溶液的吸收光譜和三維熒光光譜，并分析了它們的吸收光譜和熒光光譜的特性。以上研究為三維熒光光譜技術應用于農藥殘留檢測方面的可行性奠定了基礎。

1.4食品檢測

（1）牛奶

在國內，對于經過牛奶廠商加工過的各種商品牛奶品質的檢測方面的研究還比較少，所以，目前研究、探索出一種能快速測定成品奶的方法是很重要。牛奶品質檢測中常用的方法有化學分析法、紫外分光光度分析法、超聲波分析法、紅外光譜分析法。光譜分析法和傳統化學分析法相比，具有采樣方式靈活、測試效率高、分析速度較快等優點，適合實時在線測定，普遍受到人們青睞[17]。

國內研究學者顧春峰[17]利用光譜技術研究了市售的不同廠商、不同類型各種牛奶水溶液的熒光光譜，分析歸納得出牛奶水溶液的熒光光譜和激發波長、牛奶品種、牛奶濃度之間的關系及變化規律，過期牛奶與未過期牛奶熒光光譜的差別，高鈣低脂奶、高鈣奶和純牛奶的熒光光譜差別等。并通過查閱資料，對各譜峰產生的物理機理作了初步分析，對所得的實驗規律做出試探性的合理解釋，以期為利用熒光光譜技術檢測牛奶質量提供一種快速可靠的新方法。

（2）蜂蜜

隨著科學技術發展和蜂蜜產量降低，蜂蜜摻假已越來越普遍化和高端化，尤其是近來市場上出現的一種新的摻假物質大米糖漿。目前國內已有研究人員提出用液相色譜和質譜聯用儀檢測鑒別摻有大米糖漿的蜂蜜，但該方法費時費力，成本高，難以實現快速檢測。

國內研究學者趙杰文等[18]利用三維熒光光譜分析結合化學計量學方法對真假蜂蜜的三維熒光光譜圖分析和三維熒光光譜圖進行校正，發現此技術可以更加全面直觀地呈現蜂蜜中主要成分的熒光特性。同時研究結果也表明，結合BP-ANN方法的三維熒光光譜技術可以迅速、無損、精確地鑒別蜂蜜中大米糖漿摻假，為蜂蜜摻假的快速檢測提供實踐依據。

2、三維熒光技術的缺陷

盡管三維熒光技術存在檢測速度快、準確度高等優點，但同樣受到某些因素影響而使三維熒光技術在使用時存在缺陷。第一，該技術并不能檢測所有物質，只針對能夠在檢測過程中產生熒光的物質，機器必須能夠捕捉到熒光信息;第二、檢測物質所處的環境會對其檢測結果產生一定影響，如溶液中的其他離子、溶液pH值、溫度等因素均會對熒光強度有一定的影響，因此最終檢測結果要通過扣除空白等方式消除外界因素的影響。

3、結論與展望

由上述可知，三維熒光光譜技術廣泛應用于諸多領域。根據當前研究進展，對三維熒光光譜技術未來發展進行展望：

（1）多種分析方法聯合使用。盡管三維熒光技術測定較為快速準確，但對于一個樣品中多種組分物質，僅僅依靠三維熒光是無法做到對多種組分的鑒別，此時需要與其他分析方法聯用，例如將三維熒光技術與氣相、液相、氣-質聯用技術等聯合使用[19]，可以快速高效測定復雜多組分物質。

（2）結合分析軟件使用。單靠三維熒光的圖解法是遠遠無法獲得深入信息的，必須結合各類分析軟件，如結合Mat-lab軟件進行平行因子分析，可得到多種物質中單一物質的純光譜，獲得更為準確的熒光信息。

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基金項目：安徽省大學生創新創業項目：利用三維熒光光譜快速檢測污水廠水質指標——以滁州市第二污水廠為例（S201910377074）

（作者單位：滁州學院土木與建筑工程學院，安徽?滁州?239000）