三种多环芳烃混合溶液二维荧光相关谱解析

周长宏，赵美蓉，杨仁杰，朱文碧，董桂梅

1. 天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室，天津 300072 2. 天津农学院工程技术学院，天津 300384 3. 天津农学院农业分析测试中心，天津 300384

三种多环芳烃混合溶液二维荧光相关谱解析

周长宏1，2，赵美蓉1*，杨仁杰2*，朱文碧3，董桂梅2

1. 天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室，天津 300072 2. 天津农学院工程技术学院，天津 300384 3. 天津农学院农业分析测试中心，天津 300384

多环芳烃为优先控制污染物，但是由于其含量很低，多组分多环芳烃荧光峰相互重叠，所以常规荧光光谱法无法对其荧光峰进行有效解析。采用二维荧光相关分析方法对三种多环芳烃，蒽、菲和芘的混合溶液进行荧光峰解析。根据研究目标，按照三种多环芳烃浓度比的不同配制了三种混合物体系，共27个样本，每种体系的三种溶液浓度彼此间按规律递增和递减。在此基础上，以浓度为外扰，构建了各体系的同步和异步二维荧光相关谱。同步谱中，在425，402，381，373，365，393及347 nm处产生自相关峰。以未被覆盖的菲在347 nm处荧光峰为线索，通过其与各波长处荧光交叉峰的正负，判断出了402，381，425和452 nm处荧光峰源于混合溶液中的蒽； 373与393 nm处荧光峰源于混合溶液中的芘； 365，356及347 nm处荧光峰源于混合溶液中的菲。通过异步谱解析出菲的385 nm处荧光峰，证明了异步谱比同步谱具有更好的光谱分辨率。研究结果表明，采用二维荧光相关方法对光谱严重重叠的多组分多环芳烃的解析是可行的，并具有一定的优势，可推广到对环境中其他污染物质的检测。

多环芳烃; 二维荧光相关; 同步谱; 异步谱

引 言

多环芳烃(polycyclic aromatic hydrocarbons，PAHs)是分子中含有两个以上苯环的碳氢化合物。多环芳烃来源于大自然及人类生产生活诸多方面，比如： 天然石油本身含就有多环芳烃； 而森林火灾以及煤、烟草及其他碳氢化合物的不完全燃烧等都会产生多环芳烃，因此该物质来源广泛，与人类生活息息相关的水、土壤、空气、农作物和食品等都可能受到多环芳烃的污染。由于许多多环芳烃对生物体具有一定致癌、致畸、致突变的作用[1-2]，因此对多环芳烃的检测已得到很多国家和地区人们的重视。多环芳烃具有刚性平面结构等特点，在特定波长光激发下，会产生较强的荧光，因此对其使用荧光光谱法进行检测成为可能[3-5]。由于待分析的多环芳烃多处在成分复杂的基质中，因此常规荧光光谱相互重叠，无法对环境中的多环芳烃污染物荧光峰进行有效解析。二维相关光谱技术相对于传统一维谱图具有显著优势，不仅提高了光谱分辨率[6-9]，而且能给出不同信号峰之间的变化关系，揭示各个基团之间的关系和变化顺序； 将其与荧光光谱分析相结合的二维荧光相关光谱技术，突破了传统荧光光谱分析法的局限性[10-11]，是污染物分析领域的一个有力工具。

本工作采用二维荧光分析法，针对三种多环芳烃、蒽、菲和芘的混合溶液，在浓度为外扰的情况下，研究其二维荧光相关谱特性； 在此基础上，通过交叉峰的正负和有无实现混合溶液中蒽、菲和芘荧光峰的解析和指认，为多组分多环芳烃的同时分析提供了参考。

1 实验部分

1.1 仪器与样品

实验仪器采用美国PerkinElmer公司的LS-55荧光分光光度计，脉冲氙灯光源，采用1 cm石英液体池比色皿； 激发和发射单色仪狭缝宽度分别为5和2.5 nm，扫描速度为1 000 nm·min-1，在340～500 nm范围内测量每个样品的荧光光谱，扫描间隔为1 nm； 实验试剂为蒽、菲、芘、无水乙醇分析纯试剂及超纯水。

分别准确称取质量均为50 mg的分析纯蒽、菲和芘，采用无水乙醇溶解，并定容到500 mL棕色容量瓶中，配置浓度均为0.1 g·L-1的蒽、菲和芘的储备液，低温避光放置备用。移取不同量的蒽、菲和芘储备液，采用超纯水稀释，利用逐步稀释法配置浓度均为0.000 1 g·L-1的蒽、菲和芘单组分溶液。并从三种单组分的溶液中分别取出不同体积的溶液混合, 配置成三种混合物体系，得到蒽、菲、芘之间不同质量浓度比的混合溶液共27个样品； 在27个样品中，样品No.1—No.9属于第一种体系，蒽浓度递减，菲和芘的浓度递增； 样品No.10—No.18属于第二种体系，芘浓度递减，而菲和蒽的浓度递增； 样品No.19—No.27属于第三种体系，菲浓度递减，而芘和蒽浓度递增[12]。

1.2 二维荧光相关谱计算

采用二维相关谱分析法作为解析手段。假设原始常规一维荧光光谱B(m×n)包含m个光谱，根据二维相关Noda理论[13-14]，同步光谱强度Φ(ν1,ν2)等于不同波数(ν1,ν2)的动态光谱强度的矢量积

(1)

异步光谱强度Ψ(ν1,ν2)则等于(ν1,ν2)处动态光谱强度的Hilbert-Noda矩阵的矢量积

(2)

式中N为m阶方阵，即为Hilbert-Noda矩阵，其矩阵元为

2 结果与讨论

2.1 一维荧光光谱特性

图1为蒽、菲和芘在超纯水中的单组份常规一维荧光光谱，浓度均为0.000 01 g·L-1。显然，蒽在381，402，425及452 nm处存在荧光峰； 芘在373及393 nm处存在荧光峰； 菲在356，365，347及385 nm处存在荧光峰。从图1中可知，蒽、菲和芘的荧光峰主要在340～460 nm范围内。因此，在后述讨论中仅在360～460 nm范围内对各组分的荧光峰进行解析。

Fig.1 The 1D fluorescence spectra of anthracene, phenanthrene and pyrene

图2(a)，(b)和(c)分别是混合溶液第一、二和三体系样品在360～460 nm范围内的常规一维荧光光谱。显然，三种体系中，在347 nm处菲的荧光峰，都可以清晰的分辨出来，而蒽、菲和芘的其他荧光峰都随着混合溶液中各自浓度的变化，其特征峰都被覆盖或淹没。因此，通过常规一维荧光光谱无法对混合溶液中各组分的荧光峰进行有效解析。

Fig.2 The 1D fluorescence spectra of the mixtures of anthracene, phenanthrene and pyrene with varying concentrations

2.2 同步二维荧光相关谱特性

对第一种体系(样品No.1—No.9)，以浓度为外扰，采用式(1)对其进行同步二维荧光相关谱计算，得到第一种体系的同步二维荧光相关谱(见图3)。同步谱图中在主对角线上425，402，381，373，365和347 m处存在较强的自相关峰，表明这些波长处的荧光峰强度随着外扰蒽、菲、芘浓度的改变而变化。在主对角线外侧，存在一系列的交叉峰，在(381, 347)，(402, 347)，(425, 347)及(452, 347)nm处交叉峰均为负，这表明381，402，425和452 nm处荧光峰强度随外扰变化的方向与347 nm处变化方向相反。由于347 nm处为菲的荧光峰，且混合溶液中蒽浓度在减小，而菲和芘浓度在增大，因此可知452，402，425及381 nm处荧光峰来自于混合溶液中的蒽，这与图1中单组份的蒽溶液荧光峰一致； 同时，从图3中还可以看出，在(365, 347)，(373, 347)，(393, 347)及(393, 347) nm处交叉峰均为正，可知365，373及393 nm处荧光峰来自于混合溶液中的芘和菲，但具体归属无法判断，需要对第二种混合溶液体系进行二维荧光相关分析。

Fig.3 Synchronous 2D fluorescence correlation spectrum of the first mixed system

对第二种体系(样品No.10—No.18)，以浓度为外扰，采用式(1)对其进行同步二维荧光相关谱计算，得到第二种体系的同步二维荧光相关谱(见图4)。同步谱图中在主对角线上425，402，393，381，373，365和347 nm处存在较强的自相关峰。在主对角线外侧，存在一系列的交叉峰，在(373, 347)和(393, 347) nm处交叉峰均为负，这表明373和393 nm处荧光峰强度随外扰变化的方向与347 nm处变化方向相反。由于347 nm处为菲的荧光峰，且混合溶液中芘浓度减小同时菲和蒽浓度在增大，因此可知373及393 nm处荧光峰来自于混合溶液中的芘； 在(365，347) nm处存在正的交叉峰，并根据第一种分析体系解析的结果推测365和347 nm处荧光峰自于溶液中的菲； 同时，在图4中(425, 393)，(425, 373)，(402, 393)，(402, 373)及(393, 381)nm处的负相关峰，说明393及373 nm处荧光峰与蒽的425，402及381 nm处特征峰变化不同，进一步说明了393及373 nm处荧光峰均来自于芘。

Fig.4 Synchronous 2D fluorescence correlation spectrum of the second mixed system

为验证上述两种体系对混合溶液中重叠峰解析的正确性，对第三种体系(样品No.19—No.27)，以浓度为外扰，构建同步二维荧光相关谱(见图5)。在主对角线上402，381，365和347 nm处存在较强的自相关峰。在主对角线外侧，存在一系列的交叉峰，其中(365，347) nm处为正的交叉峰，因为混合溶液中菲浓度减小； 同时芘和蒽浓度增大，因此365 nm处荧光峰必定与347 nm处荧光峰源于同类荧光物质，即来自混合溶液中的菲。从图中还可看出，在(365, 356) nm处存在正的交叉峰，这表明356 nm处荧光峰也来源于菲。在(425, 347)，(381, 347)，(393, 347)，(373, 347)，(452，347)和(402, 347) nm处存在负的交叉峰，进一步验证了第一、第二种体系荧光峰解析的正确性，即： 393和373 nm处的荧光峰来自混合溶液中的芘，而425，381，452及402 nm处荧光峰来自混合溶液中的蒽； 同时，在(425, 365)，(402, 365)，(381, 365)及(356, 402) nm处存在负交叉峰，可知365和356 nm处荧光峰与蒽的381，402和425 nm处的特征荧光峰随外扰变化趋势不同，进一步说明365，356及347 nm处荧光峰为菲的特征峰。

Fig.5 Synchronous 2D fluorescence correlation spectrum of the third mixed system

2.3 异步二维荧光相关谱特性

为了更进一步说明上述三种体系对混合溶液中重叠荧光峰解析的正确性，以浓度为外扰，对第一(样品No.1—No.9)和第二种体系(样品No.10—No.18)，采用式(2)对其进行异步二维荧光相关谱计算，分别得到第一和第二种体系的异步二维荧光相关谱(见图6和图7)。在402，381，425和452 nm波长间不存在交叉峰，这表明这些波长处所对应的荧光峰随外扰蒽浓度变化的速率是相同的，说明这些峰的来源相同，都来自混合溶液中的蒽； 荧光峰373与393 nm波长间不存在交叉峰，这表明这些峰随外扰芘浓度变化的速率是相同的，进一步说明这些峰的来源相同，即都来自混合溶液中的芘； 荧光峰365，356及347 nm波长间不存在交叉峰，这表明这些峰随外扰菲浓度变化的速率是相同的，进一步说明这些峰的来源相同，即都来自混合溶液中的菲； 而蒽、菲和芘彼此之间都存在交叉峰，也证明了上述结论。此外, 从图6和图7中还可观察到，在(385，373)，(385，393)和(385，402)nm处存在交叉峰，可判断出385 nm处荧光峰源于混合溶液中的菲(该峰在同步谱中并未出现)，这也证明了异步谱比同步谱具有更好的光谱分辨率[15]。

Fig.6 Asynchronous 2D fluorescence correlation spectrum of the first mixed system

Fig.7 Asynchronous 2D fluorescence correlation spectrum of the second mixed system

3 结 论

采用二维荧光相关光谱方法对蒽、菲和芘混合溶液中严重重叠的荧光峰进行解析，研究结果证明了该方法的可行性。与常规荧光分析法相比，该方法具有较强的重叠光谱分辨能力，且操作简单，能够辨析出待测体系更多的荧光特征信息，因此该方法具有一定的理论分析优势和实际应用价值，具有十分广阔的应用前景。

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*Corresponding authors

Analysis of Three Polycyclic Aromatic Hydrocarbons in Solution Based on Two-Dimensional Fluorescence Correlation Spectroscopy

ZHOU Chang-hong1, 2, ZHAO Mei-rong1*, YANG Ren-jie2*, ZHU Wen-bi3, DONG Gui-mei2

1. State Key Laboratory of Precision Measuring Technology and Instruments, Tianjin University, Tianjin 300072, China 2. College of Engineering and Technology, Tianjin Agricultural University, Tianjin 300384, China 3. Laboratory of Agricultural Analysis, Tianjin Agricultural University, Tianjin 300384, China

Polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) are listed as the priority pollutants. It is difficult to resolve effectively the peaks of PAHs by conventional one-dimensional fluorescence spectroscopy due to its low content and the overlapping fluorescence peaks. In this paper, the two-dimensional (2D) fluorescence correlation spectroscopy will be applied to the analysis of highly overlapped fluorescence spectra of the mixed solution of anthracene, phenanthrene and pyrene. According to the research goals, three mixed systems and a total of 27 samples, are to be prepared with different concentrations of three PAHs. Concentrations of three PAHS are monotonically increasing or decreasing in each mixed system. Then the 2D fluorescence correlation spectrum of each mixed systems will be calculated under the perturbation of the concentration of anthracene, phenanthrene and pyrene in solution. There are seven strong autopeaks at 425, 402, 381, 373, 365, 393 and 347 nm in synchronous 2D correlation spectrum. The fluorescence peak of phenanthrene at 347 nm is uncovered in three mixed systems, so the band at 347 nm is to be used as clues for further assignment. According to positive or negative cross peaks at 347 nm in synchronous 2D correlation spectrum，we can know that the peaks at 402, 381, 425 and 452 nm are assigned to anthracene, the peaks at 373 and 393 nm are assigned to pyrene，and the peaks at 365, 356 and 347 nm are assigned to phenanthrene. The fluorescence peak of phenanthrene at 385 nm is shown in asynchronous 2D correlation spectrum; it means the spectral resolution of asynchronous spectrum is better than the synchronous spectrum. The results are that it is feasible to analyze serious overlapping multi-component PAHs using two-dimensional fluorescence correlation spectroscopy, which can be extended to the detection of other pollutants in the air.

PAHs； Two-dimensional fluorescence correlation； Synchronous spectrum； Asynchronous spectrum

Dec. 10, 2014; accepted Apr. 18, 2015)

2014-12-10，

2015-04-18

天津市自然科学基金项目(14JCYBJC30400)，天津市教委科技发展基金项目(20140621)和国家自然科学基金项目(31201359)资助

周长宏，1975年生，天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室博士研究生 e-mail: zch_lw@sina.com *通讯联系人 e-mail: meirongzhao@tju.edu.cn; rjyang1978@163.com

O657.3

A

10.3964/j.issn.1000-0593(2016)02-0449-05