熒光檢測技術在水質檢測中的應用

魏 鋼

（河北省唐山生態環境監測中心，河北 唐山 063000）

改革開放以來，工業的快速發展促使城市中積累了越來越多的凈化設備。工業用水不僅流入河流并威脅環境，而且還威脅人類的飲用水安全。快速、真實地監測水質的變化對于有效控制水污染事件和制定相應措施尤為重要。熒光檢測技術早在幾十年前便得以應用，并在長期發展中不斷改進，形成了一種新型檢測技術并逐漸成熟。熒光檢測技術剛開始僅僅被用于生物領域和醫學領域，之后逐漸應用于食品安全和水質檢測等領域，為人們的生活提供安全保障。目前，我國環境監測部門大多采用傳統的化學方法（如COD、BOD測量）來分析水質，但對水質以及水質監控的要求不斷發生變化，在實際運用中仍存在許多缺點。傳統的檢測方法不僅在檢測工藝上浪費更多的時間和資源，而且不能夠有效地對水質進行實時監控，從而需要更加先進的檢測技術來克服傳統檢測方式的不足，更加快速準確地檢測出水中各類成分的含量，進而確保人們的用水安全。

1 水質檢測的重要性

由于我國人口眾多，水資源一直處于絕對短缺狀態，南北水資源分布不均，行業水資源存在差距。對水的保護已成為政府的首要任務，尤其是我國西部地區，雖然水資充裕但水質較差，對我國經濟建設和發展影響很大。可以通過水質檢測，對水中的有害成分進行定期檢查，更好地了解我國各地區的河流、地下水、自來水等水資源的詳細狀況，并結合不同地區的實際情況，對純凈水水質進行實時調控、凈化和預防。此外，水質監測過程結束后，會收集到區域內水質的重要數據，將數據及時地傳遞給環保局，可以為水資源和環境的科學管理提供權威的數據支持，以幫助相關單位進一步解決水質問題。同時，通過水質檢測可以對污染物的來源進行分析，以更好地找到污染源并遏制其發展，還可以及時地對水資源數據進行預測和評估，研究凈化水資源的策略，保證人們的用水安全和對地方環境的有效保護。通過實驗發現自來水和純凈水的熒光光譜沒有明顯差異，但城市污水和純凈水的熒光光譜差異很大，在不同波長的紫外線的激勵下，城市污水和純水樣品的熒光光譜在直波長和峰值波長上基本穩定，符合熒光光譜的一般特性，只是絕對強度發生了變化。而城市污水利用波長約為270 nm的紫外線發出強烈的熒光，熒光峰是280～530 nm范圍內的寬光譜峰，熒光峰的波長約為380 nm，熒光光譜的特點反映了水質的凈化水平，城市污水中所含的有機污染物具有較高的絕對強度和較寬的光譜峰寬熒光光譜[1]。

水質檢測的主要目標是通過合理的技術手段對水中的成分進行檢測，為環境保護收集準確的數據信息，以更好地解決水質問題。水質檢測與水資源后期的管理配置和管理方法有一定的聯系，水質檢測的結果必須要有一定的代表性，才能保證水資源保護策略更具有說服力和實際意義。人們常用的自來水中是含有很多有害細菌的，細菌的繁殖會產生很多浮游生物，一方面會影響水域的物理特性，水的顏色和氣味發生一些特殊的改變，另一方面，人體在感染細菌后更容易誘發其他流行病，嚴重威脅人體的生命健康。生活中比較常見的就是“牙菌斑”，牙菌斑是水質中含有不符合標準的氟離子嚴重影響了牙齒的硬度而產生的。因此，國家要求通過水質檢測對水資源進行安全保護，以符合國家安全標準，滿足人們的生活用水和工業用水的不同要求。例如，鍋爐水不能含有大量的硫酸鈣或硫酸鎂，避免鍋內物質的凝結，不利于鍋中物質的有效反應，會浪費更多的原材料，嚴重情況還會引發鍋中的爆炸。因此水質檢測可以更好地對水中懸浮物進行檢測和排查，并找出相應的水質優化方法。根據研究表明，熒光檢測技術可以細胞為單位，更加細致地檢測出水中所含有的微生物，以達到水質檢測的真正目的，為水質成分的實驗研究提供準確數據。熒光檢測技術所含有的技術種類很多，技術的檢測靈敏度要更高一些，而且不容易破壞水質樣品的結構，檢測過程可以保證數據提取的穩定性[2]。

2 水質檢測的一般標準

2.1 飲用水消毒

飲用水是與人們生活密切相關的，必須進行一定的凈化消毒工作，殺死水中的有害微生物，以保證人們所用到水源是被充分消毒過的。在飲用水檢測過程中，常常出現刺激性氣味，這與其本身含有的水質消毒物質有關。比較常見的消毒方式有臭氧和紫外線消毒，消毒后會產生甲醛和氯仿，但只要消毒方法科學合理，嚴格符合消毒標準，就不會對人體造成傷害。

2.2 具有感官性

水質的判斷有很多種方法，可以用專業的設備和儀器進行鑒別，也可以用人的感官來判斷水資源的安全性。一般情況下，水質出現問題都會引起水質物理特征的一些變化，例如，水的味道改變、水的顏色變渾濁以及有刺激性氣味等特點，其外觀和味道直接決定了水質的感官特征。因此，可通過感官來進行基本的水質觀測，初步確定水質是否安全，若產生異樣，將直接拒絕使用。

2.3 符合流行病學控制要求

眾所周知，水資源保護首要考慮到的就是去除微生物，避免人體遭到微生物的侵害而誘發疾病。水質檢測過程要借助流行病學相關理論，控制人類活動和動物糞便對水源的污染，進而保證水中微生物的含量符合環境保護的要求，防止流行病和細菌通過飲用水傳播。

3 熒光檢測技術在水質檢測中的應用技術原理

熒光所具有的基本特征就是熒光物質，熒光物質可以被固定波長的光激發，并在氧化后的一段時間內恢復，發揮其檢測運用。常見的熒光檢測方法種類很多，不同技術的使用感受也大不相同，常見的有熒光光譜檢測和高效液相色譜法檢測，這也是人們評價較高的檢測方法。分子熒光檢測具有應用于大型湖泊和河流等傳統水質檢測的潛力，國外已經對該技術進行了普及，允許各大地區進行應用，借助高效率和高質量的熒光檢測技術，使得水質檢測過程達到最佳[3]。

3.1 ATP生物熒光檢測技術

三磷酸腺苷也就是檢測中的ATP，在熒光的基礎技術上可以更好地與熒光素和熒光素酶發生化學反應，也是被檢測單位公認的最容易估算水質成分的方法之一。ATP生物熒光檢測技術相比于菌落計數法可以更快地確認活菌的存在，但是該反應需要與ATP直接接觸，其發射強度與ATP濃度呈正相關。此外，ATP為動物、微生物、細菌和真菌的生命活動提供能量，維持細胞生命周期的穩定，而水質檢測中生物的負荷將反應水質成分。ATP生物熒光檢測技術檢測周期較短，對設備的消毒程度要求高，可以滿足在移動模式下完成實時檢測，這限制了僅適用于實驗室模式的大型臺式ATP熒光檢測器。

3.2 流式細胞術

流式細胞術是后期逐漸興起的一種先進的分析技術，主要是借助流式細胞來檢測水中的懸浮物質和顆粒。流式細胞術融合了流體動力學技術、光電測量技術以及現代計算機信息技術等多類別的現代化技術，可以借助熒光探針在分子水平上獲得一些數據以進一步純化細胞。流式細胞技術在時代的發展中逐漸走向成熟，是一項跨學科、多類別的提高結晶的技術，在檢測中取得了顯著的成就。其技術檢測的原理是通過流動池懸浮液在流動池內的聚集，容易形成單獨的粒子流，在穿過激光束后發生許多的碰撞，進而恢復細胞水平上不一樣的熒光信號和細胞參數。另外，該技術中粒子散射和熒光發射由一組特定波長的濾光片和設備決定的，信號在收集完成后會發送到計算機，進而獲取更加全面的數據分布，完成水質中的物質檢測[4]。

3.3 熒光共振能量轉移

熒光共振能量轉移主要是指熒光的發色團在接觸到一定程度后，會接收到彼此特定頻率的光子，從而激發出更高的電子能態進行實驗。在粒子恢復基本狀態的過程中，能量可以和偶極子相互作用從而傳遞給其他的受體。當兩個熒光團產生能量轉移時，一個作為供能個體，一個作為受能個體，并且不同的光譜重疊在一起，控制間距在1.0～10.0 nm。若采用供體激光發射，就會發現供體的能量轉移給受體，并且轉移的效率和發射光譜之間的堆疊水平有關。供體和受體之間的差異躍遷與偶極子的絕對方向、供體和受體之間的距離有關，熒光共振能量轉移的水平與兩個熒光分子之間的距離有關，如果非常粒子之間接近，能量轉移的條件就會滿足，若輸出比傳導傳遞弱，就難以實現能量傳遞。

4 熒光檢測技術在水質檢測中的應用

4.1 水中細菌數量的檢測

水中細菌檢測是水質檢測中最基本的項目，主要是對一定單位內的水質進行細菌的定量檢測，但檢測過程對技術人員的專業度要求很高，不允許出現較大的誤差，并且等待結果時間較長。通過流式細胞檢測的原理可以了解到，被標記的細菌被單個激光柱激發并檢測到發射的熒光信息。因此，水質檢測最常見的用途是快速識別水中的細菌總數，借助流式細胞儀可以在15分鐘內輕松快速地從樣本中獲得結果。在檢測水中細菌含量時適當增加水樣，方便對水中有毒物質進行直接檢測，常用檢測方法是ATP生物熒光檢測技術。飲用水中的細菌濃度是非常小的，采用生物熒光檢測技術會受到細菌濃度和數量的局限，準確度和靈敏度下降，不能實現特異性檢測。在檢測之前，應增加水中微生物濃度再進行免疫磁分離執行目標細胞的捕獲，一定程度上可以提高靶細胞水平，減少其他實驗目標外粒子的干擾，最終確保檢測的特異性。ATP生物熒光檢測技術可用于檢測飲用水中的微生物含量，而稀釋水中的微生物可以通過膜過濾和適當添加緩沖劑或熒光劑來檢測[5]。

4.2 水中離子濃度的檢測

水中離子的濃度直接影響到水的硬度，水的硬度過高會使水中金屬元素在人體內累積，在人體內留下安全隱患。傳統的實驗室檢測方法，如原子吸收光譜法、方差分析法、復雜滴定法等都存在檢測時間長、過程復雜的缺點。而熒光共振能量轉移技術，主要是通過測量水中鈣和鎂的濃度來檢測水質硬度，在水溶液中加入納米級黏土片狀鋰皂，可以進一步提高檢測傳感器的感受度，方便測量到水資源中的各類成分和離子，為實驗提供更多的數據參考。

4.3 水中生物細胞分析

水中的微生物種類比較多，有時需要單獨研究某種微生物，而水質檢測的目標就是針對一類或者一種微生物進行檢測。采用流式細胞儀可以對單個細胞的成分進行熒光強度分析，從而結合細胞的特性和反應特征來分離出微生物進一步進行檢測。流式細胞儀與rRNA焦磷酸測序數據相結合，通過設備容易觀察到水系中的微生物群落變化。焦磷酸測序是一種下一代測序技術，其主要特點就是觀察水中生物群落的基本形態和物質構成的分子比例，還能測得水中粒子的濃度。在水質檢測中，將細胞流式技術所測得的細胞數據和焦磷酸測序數據相結合，能夠更好地檢測水系中的細菌濃度和微生物的群落實時動態變化。在生活環境中存在細菌團體，容易誘發人體疾病，常見的軍團菌大多生長在潮濕的地方，通過實驗可以觀測該種細菌的數量變化，更快速地測出其他菌種。

4.4 消毒效果深度分析

在飲用水消毒研究中，消毒劑的使用量對水中細菌的影響是不可忽視的。水質檢測研究報告表明，消毒劑濃度與完整細胞的比例相關聯，采用流式細胞儀可以得到消毒前后所有細胞濃度。細菌活力檢測試劑盒中的兩種染料和碘化丙啶可穿透所有細菌膜，進而將細胞染成綠色，最終達到水質檢測和消毒的目的。檢測中的染料和試劑材料熔化、混合和稀釋，在室溫下孵育20分鐘，獲得的結果可以通過激光掃描共聚焦顯微鏡來證實。另外，碘化丙啶不能穿透未受損細胞的細胞膜，但可以穿透受損細胞的細胞膜，兩種染料的組合產生白色熒光細胞。

5 熒光檢測技術在水質檢測中的應用前景

熒光檢測技術作為一種新型檢測技術，可以克服傳統檢測技術的諸多不足。一方面可以節省技術操作的時間，為單位減少水質檢測的資金投入，另一方面可以檢測出活細胞濃度，這是眾多檢測技術所難以實現的。其中，ATP生物熒光檢測技術因其檢測速度更快、操作更加簡便等特點，可以更容易檢測出一定水樣溶液中微生物的數量，但也容易受到檢測條件中能量的限制和外界微生物含量的影響，在檢測低濃度水質應注意避免使用該方法。其次，流式細胞技術和熒光共振能量轉移具有操作方便、靈敏度高、效果好等特點，檢測價值更高一些，廣泛用于檢測微生物、毒素、離子等，但使用這項技術需要滿足相關條件[6]。

流式細胞檢測技術的設備價格比較昂貴，其檢測試劑也比較昂貴，不利于邊遠地區的普及和推廣。最后，激光掃描共聚焦顯微鏡可以更加直觀地檢測水質中的成分，檢測過程非常簡單，不需要專業的細胞培育技術，但制樣過程非常繁瑣，對于研究類的實驗員來說是一個非常方便的檢測方法，在未來水質檢測和環境保護研究中的潛力是很大的。熒光檢測技術可以為水質檢測單位提供更加符合時代發展的檢測標準，并且通過結合熒光檢測技術可以檢測水中細菌、病毒等特定微生物的濃度以及微生物群落的替代狀態，為后期水資源的保護和環境保護研究提供參考價值。熒光檢測技術在飲用水檢測、消毒劑評價等水質分析研究中得到了越來越廣泛的應用，分析結果更加高效準確。

6 結語

從人們生活中排出的污水會引起許多流行病，如果不經過嚴格檢測，就會影響人們的正常用水，并威脅到人體的健康。水質檢測對人類的生活和環境的維持與發展起著非常重要的作用。鑒于我國水質實驗室分布不均、采樣設置不合理、檢測技術設備陳舊等問題，應結合自身的工作經驗提出針對性的合理化建議。采用熒光檢測技術可以有效提高水質檢測的效率，保障居民飲水安全，及時發現水質問題，促進社會和諧發展，進一步為環境管理和環境科學研究提供確切的數據和信息，從源頭控制水質，合理規劃和保護環境。