三维荧光技术在水质监测方面的应用与发展

2015-07-26王士峰西南科技大学环境与资源学院四川绵阳621010

山东工业技术 2015年7期

王士峰（西南科技大学环境与资源学院,四川绵阳 621010)

三维荧光技术在水质监测方面的应用与发展

王士峰
（西南科技大学环境与资源学院,四川绵阳 621010)

摘要:三维荧光技术在水质表征方面具有较大潜力。根据已有的研究成果，对近年来该技术在天然水质表征方面的应用进行总结。根据天然水中主要存在6个荧光峰（Peak A、Peak C、Peak M、Peak B、Peak T1和Peak T2）和各类荧光峰的差异可以分辨出不同来源的水样的水质状况、污染程度等。

关键词:三维荧光技术；溶解有机质；环境；水质

目前，地表饮用水源的污染类型日益恶劣，且愈显复杂。美国的研究报告表明（1974年以来），饮用水中有近百种致癌物质，这也让饮用水源安全的问题成为世界广泛关注的热点之一。天然水域（河流、湖泊、海洋等）中广泛存在着溶解性有机质DOM（dissolved organic matter），其官能团丰富，且迁移率高。加之其中富含C、N、P等营养元素，进而参与水环境中的多种理化反应过程，对水环境质量有重要影响。比如，其能与金属离子形成络合物，影响金属的毒性及溶解性；另外，在水处理过程中，DOM会使消毒过程产生更多的副产物。因为DOM的分子量、官能团等的分布范围较大，因此对其各种成分进行详尽分析变得困难。三维荧光光谱（Three-dimensional Excitation-Emission Matrix Spectra），简称EEM，具有多种优点，比如无需预处理、准确度高、速度快、灵敏度高、所需样品较少等，信息种类丰富且图像直观，图谱与污染物质种类、含量相对应，就好像人的指纹具有唯一性一样，所以也被称为“荧光指纹”，是DOM表征的首选方法。

1 三维荧光峰的分类情况

表1 自然环境中的水样荧光峰常见类型及其分布位置

2 环境因素对DOM荧光的影响

2.1 金属离子

天然水中的类腐殖酸荧光强度受金属离子的影响最为明显。DOM易与金属离子发生络合反应，致使DOM的荧光强度发生猝灭的后果。一般而言，如Cu2+、Fe3+、Hg2+、Ni2+、Zn2+等顺磁性金属离子易导致腐殖酸的荧光猝灭；如Al3+、Mg2+、Ca2+和Cd2+等反磁性金属离子的影响较为复杂，它们与腐殖质络合后其荧光可能增强，可能猝灭或者影响不明显。针对于相关的研究来看，目前主要是在实验室条件下采用加入自由金属离子的方法进行，而金属在自然环境中主要以颗粒物和有机物的形式存在，所以关于金属离子对DOM荧光强度是否有显著影响还存在争议。

2.2 温度

温度对荧光强度的影响较大，有研究表明温度对荧光强度的影响是可逆的，因为温度并不改变DOM的分子结构。但也有观点与之相反，主张温度对荧光强度的影响是不可逆的，这可能由于升温促使DOM发生了光降解或者分解所致。

2.3 pH对于DOM荧光强度的影响

高pH值条件可导致荧光强度增强；而低pH值条件下则可以导致荧光强度降低。pH值为2～ 12之间是三维荧光光谱技术较适宜的范围，但为了减小误差，有时在测定前可将pH调至6～7的中性范围。天然水（pH值5～ 9）荧光峰的荧光强度的变动并不明显，最大变化可达10%左右，说明仍可以较好的表征DOM。

3 三维荧光技术在水环境监测中的应用

3.1 海洋环境

海洋或入海口处的海洋微生物的生物、浮游生物与海洋DOM的关系可以较好的用三维荧光技术来表征。海洋腐殖酸（Peak M）是在海洋环境中新产生的腐殖酸，而不同于陆源腐殖酸（Peak C）。如影响海水中的类蛋白荧光峰（Peak B、Peak T1、Peak T2）的因素主要分为内源和外源类：海域自身产生的类蛋白物质为内源，由外来途径引入的类蛋白称为外源。人类活动对海水的影响可以表征为Peak T1和Peak T2的变化。腐殖酸荧光强度与海水深度及离海岸线距离有关。腐殖酸（Peak A）离海岸线和入海口越远，其荧光强度越低。盐度对Peak M的荧光影响明显有关，因此在分辨河流水和海洋水时，可根据随着盐度降低，Peak M是否逐渐向长波长的Peak C区域红移来判断。

3.2 淡水环境

因为淡水中DOM的浓度相对稳定，差异性不大，所以可利用三维荧光技术的高灵敏度来检测不同样品间的细微不同。一般而言，污水中的类蛋白物质较多，而淡水中含有较多的腐殖酸（Peak A 和 Peak C 荧光强度大）。常用类蛋白和类腐殖质荧光强度的比值r（类蛋白/类腐殖质）来判断水体污染情况，r值较大时，说明类蛋白荧光强度较大，可以推测水质受到外源污染。r值较小，说明水体未受污染，而受污染的河流r则较大。