三维荧光技术在水环境监测中的应用研究进展

汪之睿，于静洁，王少坡，聂英进，张轶凡

（1. 天津城建大学 环境与市政工程学院，天津 300384；2. 天津市水质科学与技术重点实验室，天津 300384；3. 天津

城建大学 环境与市政市级实验教学示范中心，天津 300384；4. 天津创业环保集团股份有限公司，天津 300381）

20世纪50年代，世界上第一台记录式荧光分光光度计在美国问世，1975年中国科学院生物物理研究所研制出我国第一台荧光分光光度计［1］。20世纪70年代，三维荧光技术诞生［2］。LLOYD等［3］最先采用三维荧光技术研究蛋白质构象的变化；KOLLER等［4］运用三维荧光测定了人体血浆低密度脂蛋白；20世纪80年代，三维荧光开始应用于海底油气探测［5-6］；王伦等［7］采用三维荧光测定工业废水中的苯胺，三维荧光在水环境监测中得到广泛应用［8-12］。

本文介绍了三维荧光技术的测定原理、测定结果的表征方法以及测定结果的解析，讨论了典型荧光峰与传统水质指标（BOD5、COD和TOC）的关系，综述了三维荧光应用于水环境监测的研究进展。

1 三维荧光技术的测定原理

在室温下，大多数分子处于基态，当其受光（如紫外光）激发时，分子会吸收能量并进入激发态，但分子在激发态下不稳定，很快就跃迁回基态，这个过程伴随着能量的损失，其中过剩的能量便会以荧光的形式释放出来，即发光［13］。物质的荧光性质与其分子结构有关，一般来说分子结构中有芳香环或有多个共轭双键的有机化合物较易发射荧光，而饱和或只有孤立双键的化合物不易发射荧光［14］。物质的荧光强度（F）与激发光波长（Ex）、发射光波长（Em）有关，二维荧光光谱是固定Ex或Em不变，扫描改变另一个波长，得到Ex或Em与F之间的关系，是一个一元函数［15］。而三维荧光记录的是Ex和Em同时改变时F的变化，是一个二元函数，也称为激发发射矩阵［2］。

2 三维荧光测定结果的表征

三维荧光测定结果有两种表征方法：等强度指纹图和等距三维投影图。等强度指纹图是以Em和Ex为横纵坐标，平面上的点为样品荧光强度，由对应Ex和Em决定，用线将等强度的点连结起来，线越密表示荧光强度变化越快。等距三维投影图是用空间坐标X、Y、Z分别表示Ex、Em和F，与XOY面平行的区域表示无荧光，隆起的区域表示有荧光［2］。相较于二维荧光，三维谱图蕴含更多的荧光数据，能更完整地描述物质的荧光特征，可用于多组分混合物的分析［16］。但大分子的颗粒和胶体物质在受光激发时会出现散射现象，对荧光测定产生影响，常通过预处理（稀释待测溶液［17］、扣除空白水样的三维荧光光谱［18］、过滤［19］等）来避免此影响。

3 三维荧光测定结果的解析

根据朗伯比尔定律可知，当溶液中待测浓度低于某特定值时，荧光强度与待测物质浓度之间呈线性关系，因此对于一定浓度范围的稀溶液，可利用荧光分析法实现物质的定量研究。三维荧光测定结果的解析最初采用峰值拾取法，目前荧光区域积分法和平行因子分析法应用较为广泛。

3.1 峰值拾取法

COBLE等［20］提出了峰值拾取法，荧光峰是指荧光强度最大的点，最大荧光强度值即为荧光峰值。根据峰值拾取法测定样品的浓度［21］，荧光峰强度与样品浓度呈线性关系。当样品浓度过高时，会发生内滤（样品中的杂质对光的吸收作用增大，使得荧光物质的吸收作用降低［22］）、自吸收（荧光体本身吸收激发出来的荧光导致峰面凹陷［23］）等复杂效应，这时荧光强度与样品浓度的关系既不是线性关系也不是指数关系。常见的荧光峰范围及其对应物质种类见表1。

表1 常见的荧光峰范围及其对应物质种类

3.2 荧光区域积分法

荧光区域积分法是在峰值拾取法的基础上发展起来的。在三维荧光光谱中，选定一个特定的激发光谱区间和发射光谱区间决定的区域，计算该区域的积分荧光强度。与峰值拾取法相比，区域积分法是将一个区间或区域的总荧光强度累计起来，相同区域内的荧光物质特征相似，可对各个区域进行荧光总量的标准化计算处理，得到该荧光区域的标准化体积［21，26］。

CHEN［27］最先将荧光区域积分法用于溶解性有机物（DOM）的组成分析，将Em和Ex所围成的荧光区域分成芳香蛋白质类物质Ⅰ、芳香蛋白类物质Ⅱ、微生物代谢产物类、腐殖酸类和富里酸类5个部分。隋志男等［28］采用荧光区域积分法解析了辽河七星湿地水体中有机污染物的种类及来源。

3.3 平行因子分析法

在峰值拾取法和荧光区域积分法中都存在着荧光峰重叠的问题，这是因为相似的组分会产生相似的光谱从而造成光谱重叠，如色氨酸和酪氨酸出峰重叠，很难通过荧光峰的位置简单地区分出两种混叠的物质。针对这种多组分的检测，研究者们从计量学中引入了平行因子分析法。这是一种在主成分分析法上扩展来的二阶校正方法，该法充分利用了二阶优势，是基于三线性分解理论和交替最小二乘算法实现的一种数学模型［17，29-31］。

平行因子分析法的目的是通过最小二乘法使残差的平方和达到最小，使每个分量成为具有相似荧光团的一类物质，这样每个荧光组分的特征更加明显，从而实现对荧光组分的分离［32］。平行因子分析法是目前使用最广泛的一种方法，通常使用MATLAB软件建模，在水质研究中得到普遍应用。KATHLEEN等［33］基于平行因子分析法创建了一个名为Open Fluor的荧光光谱共享网络平台（http：//www.openfluor.org/），该数据库启用时包含了200多个平行因子分析法光谱并仍在不断更新中，便于研究者们在线比对。

虽然平行因子分析法应用广泛，但易受组分数影响，一旦参数选择不正确，解析结果就会出现较大偏差。为了解决这一缺陷，学者们研究出了多种矫正方法对平行因子分析法的算法进行补充改进，如交替三线性分解法（ATLD）、自加权交替三线性分解算法（SWATLD）和交替惩罚三线性分解算法（APTLD）［34］。张晓燕［18］基于交替三线性分解特征提取和阈值法的定性判别，证实了ATLD应用于饮用水有机污染物定性判别的可行性。聂瑾芳［35］采用SWATLD算法对化妆品中丙酸睾酮的三维荧光特性进行了解析，证实了SWATLD算法的准确性。王玉田等［36］利用三维荧光，并结合APTLD算法对水中3种酚类进行了测定并与其他矫正方法对比，发现APTLD算法准确度高，计算速度快。文献［37-38］列举了目前常见的平行因子分析法分析出的组分和性质。

4 荧光峰与水质指标的关系

BRIDGEMAN等［39］研究发现，通过峰值拾取法拾取出的峰T的荧光强度与BOD5和COD经线性拟合后均有良好的相关性，与BOD5的相关性高达0.920。易莹等［40］利用三维荧光测定市政污水中有机污染物含量，结果显示峰T1的荧光强度与BOD5有较强的线性关系，相关系数可达0.879，说明可通过直接分析相应的荧光峰来快速获取有机污染物的相关信息。

李卫华等［41］采用三维荧光测定污水厂受纳水体和运行过程中水质的变化，通过平行因子法将荧光解析为组分1和组分2，分别对应于类蛋白质组分和类富里酸组分，其中受纳水体的类蛋白质组分的荧光强度与COD的相关系数达0.913，污水厂各取样点的类蛋白质荧光强度与COD的相关系数高达0.930。因此，类蛋白质荧光与COD之间存在一定内在联系，可以通过测定类蛋白质荧光强度间接表征COD，从而来监测污水厂水质变化和河流受污染状况。

姚璐璐等［42］采用三维荧光结合荧光区域积分法评估城市污水中DOM的去除状况，将5个区域的积分标准体积与TOC进行了相关性分析，结果发现每一个区域都与TOC存在良好的相关性。

5 三维荧光在水环境监测中的应用

5.1 生活污水

生活污水中的污染物包括有机物（油脂、蛋白质、氨氮等）以及大量的病原微生物（寄生虫卵等）［43］。施俊等［44］结合平行因子分析法研究了扬州某生活污水处理厂进出水的三维荧光光谱特征，发现进水和出水中含有3个主要荧光组分，分别为类色氨酸、类酪氨酸和类腐殖质，对比进水与出水的3个主要荧光组分的变化就能了解污水处理效果。吴礼滨等［45］对梅州市某生活污水厂的总进水、沉砂池出水、生化处理出水及总出水进行了三维荧光检测，并采用荧光区域积分法进行了解析，发现经生化处理后富里酸类物质、溶解性微生物代谢产物及腐殖酸类物质的荧光区域积分百分比降低，说明生化处理对这几类污染物产生了去除效果。

5.2 工业废水

工业废水中污染物种类繁多，成分复杂，常含有随废水流失的工业生产原料、中间产物、副产品以及生产过程中产生的污染物。王碧等［46］分析了炼化废水和炼油废水中特征污染物的去除情况，其中炼化废水的特征荧光峰在水解酸化处理后消失，炼油废水的特征荧光峰在好氧处理后消失，表明水解酸化工序对炼化废水的特征污染物去除效果好，好氧工序对炼油废水的特征污染物处理效果好。王士峰［47］对某印染厂废水进行了周期性的采样，发现所采集水样的三维荧光光谱的荧光峰数量和位置较为稳定，但强度不稳定，说明其中的有机物含量变化较大。YANG等［48］分析比较了来自于12个工业类别（非酒精饮料、电子设备、食品、皮革和毛皮、肉类、有机化学品、纸浆和造纸、石化、树脂和塑料、钢铁、蒸汽动力和纺织染色）的57个设施的工业废水的三维荧光光谱，发现在皮革和毛皮废水中峰T的荧光强度最明显，而在食品废水中峰C的荧光强度最明显，因此可以通过监测这些荧光特征对废水进行溯源。

5.3 雨水

于振亚等［49］对比了道路雨水水样在金属离子（Cu2+、Pb2+和Cd2+）滴定前后三维荧光的变化，发现添加Cu2+和Pb2+后，荧光猝灭，峰T的强度明显下降，表明雨水中类蛋白类物质与Cu2+和Pb2+之间发生了配位络合作用；而加入Cd2+后，荧光峰的强度未发生明显变化，说明其中络合作用较弱。林修咏等［50］构建了两套雨水防渗型生物滞留中试系统，利用荧光区域积分法解析显示，屋面径流有机污染集中在降雨初期，主要为类腐殖质，系统出流则为蛋白类物质和类腐殖质物质；在滞留带中种植植物对于蛋白类物质和类富里酸区域的荧光有机物均有较好的调控效果，但对于微生物代谢产物和类胡敏酸区域的调控效果稍差。PATRÍCIA等［51］利用三维荧光探究了不同温度下雨水水样的保存效果，发现冷冻可以一定程度的保存水样特征，但随着冷冻时间的延长，水样的蛋白质类荧光强度逐渐下降。

6 结语与展望

三维荧光光谱法具有检测快速、预处理简单、反应灵敏等优点，该法不仅可以用于定量检测某些已知的单一污染物，还可用于表征成分复杂、组分来源不明确的污染物，这一特点使三维荧光有能力应用于水环境监测中。

但三维荧光光谱中存在光谱重叠的问题，影响单一成分的提取和识别，若不结合其他的计量解析方法使重叠的光谱分离开，在一定程度上会影响结果的准确度。高效液相色谱与三维荧光的联用，能更准确地提供更丰富的荧光指纹；将矩阵分解与人工神经网络相结合，用于三维荧光光谱提取和识别多环芳烃效果良好。主成分回归法、偏最小二乘法和多维偏最小二乘法与三维荧光联用可以提高三维荧光的精度。此外，若在传统的三维荧光数据中加入时间变量，组成四维数据，即可构成动态荧光光谱，这种动态光谱能够反映物质随时间的演变过程，但目前在水环境监测中的应用还需要进一步研究。