王志龍，樊 萍，徐 靜，李博文

（核工業(yè)北京地質(zhì)研究院, 北京100029）

人工示蹤技術(shù)在水文地質(zhì)學(xué)中的應(yīng)用已有相當(dāng)長(zhǎng)的歷史, 1869 年人類就首次使用了化學(xué)示蹤劑來找出巖溶區(qū)落水洞和泉水之間的水力聯(lián)系[1]。 在巖溶水文地質(zhì)研究中, 野外示蹤試驗(yàn)是水資源管理、 地下水脆弱性編圖和獲取水文模型物理參數(shù)的一個(gè)重要工具,是劃分巖溶地下分水嶺、 研究巖溶水庫滲漏、分析地下管道網(wǎng)絡(luò)分布和地下水溶質(zhì)運(yùn)移特征的一種重要手段[2]。

示蹤劑選擇原則上要滿足以下要求: 極易溶于水, 在水中含量極低； 物理及化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定, 不與其他環(huán)境物質(zhì)發(fā)生物理和化學(xué)反應(yīng)； 易被儀器檢測(cè), 不易被水中其他物質(zhì)干擾, 靈敏度高, 且成本相對(duì)較低[3]。 以桂林寨底地下河為例, 分析得出熒光素鈉和羅丹明B 在應(yīng)用中吸附性的差異, 得出熒光素鈉是更為理想的示蹤劑[4]。 熒光素鈉作為示蹤劑可以用來研究鈾礦地浸溶液的流速[5]。 可以采用分光光度法來測(cè)定鉆井液中的示蹤劑熒光素鈉, 其方法檢出限為0.005 mg·L-1[6]。

熒光素鈉作為示蹤劑使用時(shí), 要盡量減少使用的量。 為降低熒光素鈉的初始使用濃度, 需要一種檢出限更低的方法對(duì)熒光素鈉進(jìn)行測(cè)定。 而熒光分光光度法具有靈敏度高,選擇性好等特點(diǎn), 因此選擇采用熒光分光光度法對(duì)水中示蹤劑熒光素鈉進(jìn)行定量測(cè)定。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

F97XP 熒光分光光度計(jì)（上海棱光技術(shù)有限公司）； 乙酸鈉（AR, 上海阿拉丁試劑有限公司）； 碳酸鈉（AR, 上海阿拉丁試劑有限公司）； 鄰苯二甲酸氫鉀pH 標(biāo)準(zhǔn)試劑（中國計(jì)量科學(xué)研究院）； 混合磷酸鹽pH 標(biāo)準(zhǔn)試劑（中國計(jì)量科學(xué)研究院）； 硼砂pH 標(biāo)準(zhǔn)溶液試劑（中國計(jì)量科學(xué)研究院）； 純水為實(shí)驗(yàn)室自制去離子水, 符合GB/T 6682-2008 的要求。

熒光素鈉母液的配制: 準(zhǔn)確稱取0.501 2 g熒光素鈉粉末（AR, 上海阿拉丁試劑有限公司）, 用純水溶解后轉(zhuǎn)移至500 mL 容量瓶中,以純水定容至刻度后搖勻, 備用。 此溶液含熒光素鈉1 002.4 mg·L-1。 熒光素鈉標(biāo)準(zhǔn)系列溶液均由該母液稀釋得到。

1.2 熒光光度法測(cè)定水中示蹤劑熒光素鈉

1.2.1 最大吸收波長(zhǎng)

采用F97XP 熒光光度計(jì), 在增益為7 檔（負(fù)高壓為500 V）的條件下, 對(duì)1.0 mg·L-1的熒光素鈉溶液在激發(fā)波長(zhǎng)300～900 nm、 發(fā)射波長(zhǎng)300～900 nm 范圍內(nèi)進(jìn)行三維波長(zhǎng)掃描,其掃描結(jié)果見圖1。

圖1 熒光素鈉三維波長(zhǎng)掃描等高圖Fig. 1 3D wavelength scanning ascending diagram for fluorescein sodium

由圖1 可見, 熒光素鈉的最大熒光值處的激發(fā)波長(zhǎng)為492 nm、 發(fā)射波長(zhǎng)為513 nm。因此實(shí)驗(yàn)選擇激發(fā)波長(zhǎng)492 nm、 發(fā)射波長(zhǎng)513 nm 作為熒光素鈉的測(cè)定波長(zhǎng)。

1.2.2 溶液pH 值對(duì)熒光值的影響

分別用一定體積的鄰苯二甲酸氫鉀溶液、混合磷酸鹽溶液、 硼砂溶液、 乙酸鈉溶液和碳酸鈉溶液調(diào)節(jié)濃度為0.40 mg·L-1的熒光素鈉溶液的pH 值。 在激發(fā)波長(zhǎng)為492 nm, 發(fā)射波長(zhǎng)為513 nm, 激發(fā)與發(fā)射帶寬為5 nm,增益為7 檔（負(fù)高壓500 V）下測(cè)定熒光值（以下各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)的儀器參數(shù)均如此設(shè)置）, 測(cè)定結(jié)果見表1。

由表1 可見, 在酸性溶液中熒光素鈉的熒光值很低, 而在堿性溶液中熒光值比較平穩(wěn), 特別是在pH 值為9.18 的硼砂溶液中熒光值較高, 因此實(shí)驗(yàn)選用4.00 mL 的硼砂pH 標(biāo)準(zhǔn)溶液作為酸度調(diào)節(jié)劑。

1.2.3 不同基體對(duì)熒光值的影響

在5 支25 mL 比色管中分別加入1.00 mL 10 mg·L-1的熒光素鈉溶液, 并分別以去純水、自來水、 海水、 地?zé)崴偷叵滤ㄈ葜量潭?分別加入4.00 mL 的硼砂pH 標(biāo)準(zhǔn)溶液, 搖勻, 測(cè)定熒光值, 結(jié)果見表2。

表1 不同pH 值下同一濃度熒光素鈉溶液的熒光值Table 1 Fluorescence value of the same concentration of fluorescein sodium solution at different pH

表2 不同基體水樣中同一濃度熒光素鈉溶液的熒光值Table 2 Fluorescence value of the same concentration of fluorescein sodium solution in different matrix water samples

由表2 可見, 不同基體水樣中熒光素鈉溶液的熒光值測(cè)定相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差小于1.0%。因此, 不同的基體對(duì)熒光素鈉溶液熒光值的測(cè)定無影響。

1.2.4 標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制

在熒光素鈉含量為0～400 μg （濃度0～16 mg·L-1）的范圍內(nèi)測(cè)定熒光值, 以熒光素鈉含量（μg）為x 軸, 熒光值為y 軸, 繪制曲線,結(jié)果見圖2。

圖2 熒光素鈉含量與熒光值的關(guān)系Fig. 2 Relationship between fluorescein sodium content and fluorescence value

由圖2 可見, 隨著熒光素鈉濃度增大,其熒光值先增大而后減小。 主要原因是熒光素鈉濃度增大時(shí), 其熒光值受自身的熒光淬滅的影響也隨之變大。 且在熒光素鈉含量為0～40 μg（濃度0～1.6 mg·L-1）范圍內(nèi), 熒光素鈉溶液的熒光值受其自身的熒光淬滅影響較小, 因此在此范圍內(nèi)采用分段的方式進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制, 以減小誤差。

1.2.4.1 低濃度標(biāo)準(zhǔn)曲線

準(zhǔn) 確 移取0.50、 1.00、 2.00、 3.00、 4.00和5.00 mL 濃度為0.10 mg·L-1的熒光素鈉標(biāo)準(zhǔn)使用溶液于6 支25 mL 具塞比色管中, 以純水定容至刻度, 加入4.00 mL 硼砂pH 標(biāo)準(zhǔn)溶液, 搖勻, 測(cè)定熒光值, 以熒光素鈉含量（μg）為x 軸, 熒光值為y 軸, 繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線,結(jié)果見圖3。 該標(biāo)準(zhǔn)曲線的擬合線性回歸方程為y＝11.287 7x＋5.060 7, r＝0.999 9。

圖3 低濃度熒光素鈉標(biāo)準(zhǔn)曲線Fig. 3 Standard curve of low concentration fluorescein sodium

1.2.4.2 中濃度熒光素鈉標(biāo)準(zhǔn)曲線

準(zhǔn) 確 移 取0.50、 1.00、 2.00、 3.00、 4.00和5.00 mL 濃度為1.00 mg·L-1的熒光素鈉標(biāo)準(zhǔn)使用溶液于6 支25 mL 具塞比色管中, 以純水定容至刻度, 加入4.00 mL 硼砂pH 標(biāo)準(zhǔn)溶液, 搖勻, 測(cè)定熒光值, 以熒光素鈉含量（μg）為x 軸,熒光值為y 軸, 繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線,結(jié)果見圖4。 該標(biāo)準(zhǔn)曲線的擬合線性回歸方程為y＝10.697 4x＋5.535 0, r＝0.999 9。

圖4 中濃度熒光素鈉標(biāo)準(zhǔn)曲線Fig. 4 Standard curve of medium concentration fluorescein sodium

根據(jù)未知濃度水樣的熒光值, 選用合適的上述標(biāo)準(zhǔn)曲線, 將熒光值代入相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)曲線的擬合線性回歸方程中即可計(jì)算出樣品中熒光素鈉的含量, 再除以取樣體積就可以得出樣品中熒光素鈉的濃度。 比較高、 中、 低三條標(biāo)準(zhǔn)曲線的擬合線性回歸方程, 可以看出濃度越高, 線性回歸方程的截距越大, 斜率越小。 主要還是由于熒光素

1.2.4.3 高濃度熒光素鈉標(biāo)準(zhǔn)曲線

準(zhǔn)確移取0.50、 1.00、 2.00、 3.00 和4.00 mL 濃度為10.00 mg·L-1的熒光素鈉標(biāo)準(zhǔn)使用溶液于5 支25 mL 具塞比色管中, 以純水定容至刻度, 加入4.00 mL 硼砂pH 標(biāo)準(zhǔn)溶液,搖勻, 測(cè)定熒光值, 以熒光素鈉含量（μg）為x 軸, 熒光值為y 軸, 繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線, 結(jié)果見圖5。 該標(biāo)準(zhǔn)曲線的擬合線性回歸方程為y＝8.310 1x＋23.916 5, r＝0.998 1。鈉濃度越大, 其熒光值受自身熒光淬滅影響也越大。

圖5 高濃度熒光素鈉標(biāo)準(zhǔn)曲線Fig. 5 Standard curve of high concentration fluorescein sodium

1.2.5 精確度實(shí)驗(yàn)

分別配制10 份含熒光素鈉濃度為0.002 5 mg·L-1的海水、 自來水、 地?zé)崴偷叵滤畼悠? 分別取25 mL 樣品于25 mL 具塞比色管中, 加入4.00 mL 硼砂pH 標(biāo)準(zhǔn)溶液, 搖勻,測(cè)定熒光值, 結(jié)果見表3。

表3 不同基體中同一濃度熒光素鈉測(cè)定結(jié)果Table 3 Detected results of fluorescein sodium solution with same concentration in different matrix water samples

由表3 可見, 熒光分光光度法測(cè)定海水、自來水、 地?zé)崴?地下水中同一濃度（0.002 5 mg·L-1） 的熒光素鈉, 其濃度的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差分別為0.77%、 1.37%、 1.36%和0.44%, 表明熒光分光光度法測(cè)定水中熒光素鈉具有良好的精確度。

1.2.6 準(zhǔn)確度實(shí)驗(yàn)

配制3 份含熒光素鈉濃度分別為0.005、0.05 和0.50 mg·L-1的水樣, 并在每一份樣品中加入一定量的熒光素鈉作為加標(biāo)樣。 分別取25 mL 樣品于25 mL 具塞比色管中, 加入4.00 mL 硼砂pH 標(biāo)準(zhǔn)溶液, 搖勻, 測(cè)定熒光值, 結(jié)果見表4。

配制9 份含熒光素鈉濃度分別為0.000 1、0.000 2、 0.000 4、 0.001、 0.002、 0.004、0.010、 0.020 和0.040 mg·L-1的水樣, 并對(duì)這些樣品進(jìn)行測(cè)試。 分別取25 mL 樣品于25 mL具塞比色管中, 加入4.00 mL 硼砂pH 標(biāo)準(zhǔn)溶液, 搖勻, 測(cè)定熒光值, 結(jié)果見表5。

由表4 可見, 水中熒光素鈉的加標(biāo)回收率在96.3%～107%之間, 由表5 可知, 當(dāng)水中熒光素鈉的濃度大于0.000 2 mg·L-1時(shí), 其測(cè)定濃度與配制濃度的相對(duì)偏差均小于20%。因此, 熒光分光光度法測(cè)定水中熒光素鈉在其濃度值大于等于0.000 2 mg·L-1時(shí)具有良好的準(zhǔn)確度。

1.2.7 檢出限

在某些水質(zhì)分析方法中, 空白值的測(cè)定結(jié)果趨近于零, 因而可以用約等于零的標(biāo)準(zhǔn)溶液來進(jìn)行純水的代替, 從而進(jìn)行空白值的測(cè)定。 測(cè)定20 次以上的空白樣品, 空白值的濃度的標(biāo)準(zhǔn)偏差就可以被計(jì)算出來, 而這一值的3 倍 就 是需 要 測(cè)定 的 方 法 檢 出 限[7]。 在HJ/T 168-2004 導(dǎo)則中, 將4 倍檢出限濃度定為測(cè)定下限。

配制22 份含熒光素鈉濃度為0.000 5 mg·L-1的水質(zhì)樣品作為空白加標(biāo)樣品, 分別取25 mL 樣品于25 mL 具塞比色管中, 加入4.00 mL硼砂pH 標(biāo)準(zhǔn)溶液, 搖勻, 測(cè)定熒光值, 結(jié)果見表6。

由表6 可見, 測(cè)定空白加標(biāo)樣品濃度的標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.000 05 mg·L-1, 則方法檢出限為0.000 15 mg·L-1, 測(cè)定下限為0.000 6 mg·L-1。

表4 不同濃度熒光素鈉樣品加標(biāo)回收測(cè)定結(jié)果Table 4 Detected results of spiked recovery of fluorescein sodium samples with different concentrations

表5 不同濃度熒光素鈉模擬水樣測(cè)定結(jié)果Table 5 Detected results of simulated water samples with different concentrations of fluorescein sodium

表6 空白加標(biāo)樣品測(cè)定結(jié)果Table 6 Detected results of blank spiked samples

2 結(jié)論

通過以上實(shí)驗(yàn)表明, pH 值對(duì)熒光分光光度法測(cè)定水中熒光素鈉含量的影響較大, 且用硼砂pH 標(biāo)準(zhǔn)溶液調(diào)節(jié)水樣的pH 效果最佳。在0～1.6 mg·L-1的濃度范圍內(nèi), 熒光素鈉含量與熒光值有良好的線性關(guān)系。 由于熒光素鈉本身的熒光淬滅現(xiàn)象, 須在0～1.6 mg·L-1濃度范圍內(nèi)采用分段校準(zhǔn)方法進(jìn)行校正, 以減小誤差。 該方法的檢出限為0.000 15 mg·L-1,測(cè)定下限為0.000 6 mg·L-1, 且具有良好的準(zhǔn)確度和精密度。 該方法可用于海水、 自來水、 地下水與地?zé)崴袩晒馑剽c含量的測(cè)定。