汪之睿，于靜潔，王少坡，聶英進(jìn)，張軼凡

（1. 天津城建大學(xué) 環(huán)境與市政工程學(xué)院，天津 300384；2. 天津市水質(zhì)科學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300384；3. 天津

城建大學(xué) 環(huán)境與市政市級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，天津 300384；4. 天津創(chuàng)業(yè)環(huán)保集團(tuán)股份有限公司，天津 300381）

20世紀(jì)50年代，世界上第一臺(tái)記錄式熒光分光光度計(jì)在美國問世，1975年中國科學(xué)院生物物理研究所研制出我國第一臺(tái)熒光分光光度計(jì)［1］。20世紀(jì)70年代，三維熒光技術(shù)誕生［2］。LLOYD等［3］最先采用三維熒光技術(shù)研究蛋白質(zhì)構(gòu)象的變化；KOLLER等［4］運(yùn)用三維熒光測定了人體血漿低密度脂蛋白；20世紀(jì)80年代，三維熒光開始應(yīng)用于海底油氣探測［5-6］；王倫等［7］采用三維熒光測定工業(yè)廢水中的苯胺，三維熒光在水環(huán)境監(jiān)測中得到廣泛應(yīng)用［8-12］。

本文介紹了三維熒光技術(shù)的測定原理、測定結(jié)果的表征方法以及測定結(jié)果的解析，討論了典型熒光峰與傳統(tǒng)水質(zhì)指標(biāo)（BOD5、COD和TOC）的關(guān)系，綜述了三維熒光應(yīng)用于水環(huán)境監(jiān)測的研究進(jìn)展。

1 三維熒光技術(shù)的測定原理

在室溫下，大多數(shù)分子處于基態(tài)，當(dāng)其受光（如紫外光）激發(fā)時(shí)，分子會(huì)吸收能量并進(jìn)入激發(fā)態(tài)，但分子在激發(fā)態(tài)下不穩(wěn)定，很快就躍遷回基態(tài)，這個(gè)過程伴隨著能量的損失，其中過剩的能量便會(huì)以熒光的形式釋放出來，即發(fā)光［13］。物質(zhì)的熒光性質(zhì)與其分子結(jié)構(gòu)有關(guān)，一般來說分子結(jié)構(gòu)中有芳香環(huán)或有多個(gè)共軛雙鍵的有機(jī)化合物較易發(fā)射熒光，而飽和或只有孤立雙鍵的化合物不易發(fā)射熒光［14］。物質(zhì)的熒光強(qiáng)度（F）與激發(fā)光波長（Ex）、發(fā)射光波長（Em）有關(guān)，二維熒光光譜是固定Ex或Em不變，掃描改變另一個(gè)波長，得到Ex或Em與F之間的關(guān)系，是一個(gè)一元函數(shù)［15］。而三維熒光記錄的是Ex和Em同時(shí)改變時(shí)F的變化，是一個(gè)二元函數(shù)，也稱為激發(fā)發(fā)射矩陣［2］。

2 三維熒光測定結(jié)果的表征

三維熒光測定結(jié)果有兩種表征方法：等強(qiáng)度指紋圖和等距三維投影圖。等強(qiáng)度指紋圖是以Em和Ex為橫縱坐標(biāo)，平面上的點(diǎn)為樣品熒光強(qiáng)度，由對(duì)應(yīng)Ex和Em決定，用線將等強(qiáng)度的點(diǎn)連結(jié)起來，線越密表示熒光強(qiáng)度變化越快。等距三維投影圖是用空間坐標(biāo)X、Y、Z分別表示Ex、Em和F，與XOY面平行的區(qū)域表示無熒光，隆起的區(qū)域表示有熒光［2］。相較于二維熒光，三維譜圖蘊(yùn)含更多的熒光數(shù)據(jù)，能更完整地描述物質(zhì)的熒光特征，可用于多組分混合物的分析［16］。但大分子的顆粒和膠體物質(zhì)在受光激發(fā)時(shí)會(huì)出現(xiàn)散射現(xiàn)象，對(duì)熒光測定產(chǎn)生影響，常通過預(yù)處理（稀釋待測溶液［17］、扣除空白水樣的三維熒光光譜［18］、過濾［19］等）來避免此影響。

3 三維熒光測定結(jié)果的解析

根據(jù)朗伯比爾定律可知，當(dāng)溶液中待測濃度低于某特定值時(shí)，熒光強(qiáng)度與待測物質(zhì)濃度之間呈線性關(guān)系，因此對(duì)于一定濃度范圍的稀溶液，可利用熒光分析法實(shí)現(xiàn)物質(zhì)的定量研究。三維熒光測定結(jié)果的解析最初采用峰值拾取法，目前熒光區(qū)域積分法和平行因子分析法應(yīng)用較為廣泛。

3.1 峰值拾取法

COBLE等［20］提出了峰值拾取法，熒光峰是指熒光強(qiáng)度最大的點(diǎn)，最大熒光強(qiáng)度值即為熒光峰值。根據(jù)峰值拾取法測定樣品的濃度［21］，熒光峰強(qiáng)度與樣品濃度呈線性關(guān)系。當(dāng)樣品濃度過高時(shí)，會(huì)發(fā)生內(nèi)濾（樣品中的雜質(zhì)對(duì)光的吸收作用增大，使得熒光物質(zhì)的吸收作用降低［22］）、自吸收（熒光體本身吸收激發(fā)出來的熒光導(dǎo)致峰面凹陷［23］）等復(fù)雜效應(yīng)，這時(shí)熒光強(qiáng)度與樣品濃度的關(guān)系既不是線性關(guān)系也不是指數(shù)關(guān)系。常見的熒光峰范圍及其對(duì)應(yīng)物質(zhì)種類見表1。

表1 常見的熒光峰范圍及其對(duì)應(yīng)物質(zhì)種類

3.2 熒光區(qū)域積分法

熒光區(qū)域積分法是在峰值拾取法的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。在三維熒光光譜中，選定一個(gè)特定的激發(fā)光譜區(qū)間和發(fā)射光譜區(qū)間決定的區(qū)域，計(jì)算該區(qū)域的積分熒光強(qiáng)度。與峰值拾取法相比，區(qū)域積分法是將一個(gè)區(qū)間或區(qū)域的總熒光強(qiáng)度累計(jì)起來，相同區(qū)域內(nèi)的熒光物質(zhì)特征相似，可對(duì)各個(gè)區(qū)域進(jìn)行熒光總量的標(biāo)準(zhǔn)化計(jì)算處理，得到該熒光區(qū)域的標(biāo)準(zhǔn)化體積［21，26］。

CHEN［27］最先將熒光區(qū)域積分法用于溶解性有機(jī)物（DOM）的組成分析，將Em和Ex所圍成的熒光區(qū)域分成芳香蛋白質(zhì)類物質(zhì)Ⅰ、芳香蛋白類物質(zhì)Ⅱ、微生物代謝產(chǎn)物類、腐殖酸類和富里酸類5個(gè)部分。隋志男等［28］采用熒光區(qū)域積分法解析了遼河七星濕地水體中有機(jī)污染物的種類及來源。

3.3 平行因子分析法

在峰值拾取法和熒光區(qū)域積分法中都存在著熒光峰重疊的問題，這是因?yàn)橄嗨频慕M分會(huì)產(chǎn)生相似的光譜從而造成光譜重疊，如色氨酸和酪氨酸出峰重疊，很難通過熒光峰的位置簡單地區(qū)分出兩種混疊的物質(zhì)。針對(duì)這種多組分的檢測，研究者們從計(jì)量學(xué)中引入了平行因子分析法。這是一種在主成分分析法上擴(kuò)展來的二階校正方法，該法充分利用了二階優(yōu)勢，是基于三線性分解理論和交替最小二乘算法實(shí)現(xiàn)的一種數(shù)學(xué)模型［17，29-31］。

平行因子分析法的目的是通過最小二乘法使殘差的平方和達(dá)到最小，使每個(gè)分量成為具有相似熒光團(tuán)的一類物質(zhì)，這樣每個(gè)熒光組分的特征更加明顯，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)熒光組分的分離［32］。平行因子分析法是目前使用最廣泛的一種方法，通常使用MATLAB軟件建模，在水質(zhì)研究中得到普遍應(yīng)用。KATHLEEN等［33］基于平行因子分析法創(chuàng)建了一個(gè)名為Open Fluor的熒光光譜共享網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)（http：//www.openfluor.org/），該數(shù)據(jù)庫啟用時(shí)包含了200多個(gè)平行因子分析法光譜并仍在不斷更新中，便于研究者們在線比對(duì)。

雖然平行因子分析法應(yīng)用廣泛，但易受組分?jǐn)?shù)影響，一旦參數(shù)選擇不正確，解析結(jié)果就會(huì)出現(xiàn)較大偏差。為了解決這一缺陷，學(xué)者們研究出了多種矯正方法對(duì)平行因子分析法的算法進(jìn)行補(bǔ)充改進(jìn)，如交替三線性分解法（ATLD）、自加權(quán)交替三線性分解算法（SWATLD）和交替懲罰三線性分解算法（APTLD）［34］。張曉燕［18］基于交替三線性分解特征提取和閾值法的定性判別，證實(shí)了ATLD應(yīng)用于飲用水有機(jī)污染物定性判別的可行性。聶瑾芳［35］采用SWATLD算法對(duì)化妝品中丙酸睪酮的三維熒光特性進(jìn)行了解析，證實(shí)了SWATLD算法的準(zhǔn)確性。王玉田等［36］利用三維熒光，并結(jié)合APTLD算法對(duì)水中3種酚類進(jìn)行了測定并與其他矯正方法對(duì)比，發(fā)現(xiàn)APTLD算法準(zhǔn)確度高，計(jì)算速度快。文獻(xiàn)［37-38］列舉了目前常見的平行因子分析法分析出的組分和性質(zhì)。

4 熒光峰與水質(zhì)指標(biāo)的關(guān)系

BRIDGEMAN等［39］研究發(fā)現(xiàn)，通過峰值拾取法拾取出的峰T的熒光強(qiáng)度與BOD5和COD經(jīng)線性擬合后均有良好的相關(guān)性，與BOD5的相關(guān)性高達(dá)0.920。易瑩等［40］利用三維熒光測定市政污水中有機(jī)污染物含量，結(jié)果顯示峰T1的熒光強(qiáng)度與BOD5有較強(qiáng)的線性關(guān)系，相關(guān)系數(shù)可達(dá)0.879，說明可通過直接分析相應(yīng)的熒光峰來快速獲取有機(jī)污染物的相關(guān)信息。

李衛(wèi)華等［41］采用三維熒光測定污水廠受納水體和運(yùn)行過程中水質(zhì)的變化，通過平行因子法將熒光解析為組分1和組分2，分別對(duì)應(yīng)于類蛋白質(zhì)組分和類富里酸組分，其中受納水體的類蛋白質(zhì)組分的熒光強(qiáng)度與COD的相關(guān)系數(shù)達(dá)0.913，污水廠各取樣點(diǎn)的類蛋白質(zhì)熒光強(qiáng)度與COD的相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.930。因此，類蛋白質(zhì)熒光與COD之間存在一定內(nèi)在聯(lián)系，可以通過測定類蛋白質(zhì)熒光強(qiáng)度間接表征COD，從而來監(jiān)測污水廠水質(zhì)變化和河流受污染狀況。

姚璐璐等［42］采用三維熒光結(jié)合熒光區(qū)域積分法評(píng)估城市污水中DOM的去除狀況，將5個(gè)區(qū)域的積分標(biāo)準(zhǔn)體積與TOC進(jìn)行了相關(guān)性分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)每一個(gè)區(qū)域都與TOC存在良好的相關(guān)性。

5 三維熒光在水環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用

5.1 生活污水

生活污水中的污染物包括有機(jī)物（油脂、蛋白質(zhì)、氨氮等）以及大量的病原微生物（寄生蟲卵等）［43］。施俊等［44］結(jié)合平行因子分析法研究了揚(yáng)州某生活污水處理廠進(jìn)出水的三維熒光光譜特征，發(fā)現(xiàn)進(jìn)水和出水中含有3個(gè)主要熒光組分，分別為類色氨酸、類酪氨酸和類腐殖質(zhì)，對(duì)比進(jìn)水與出水的3個(gè)主要熒光組分的變化就能了解污水處理效果。吳禮濱等［45］對(duì)梅州市某生活污水廠的總進(jìn)水、沉砂池出水、生化處理出水及總出水進(jìn)行了三維熒光檢測，并采用熒光區(qū)域積分法進(jìn)行了解析，發(fā)現(xiàn)經(jīng)生化處理后富里酸類物質(zhì)、溶解性微生物代謝產(chǎn)物及腐殖酸類物質(zhì)的熒光區(qū)域積分百分比降低，說明生化處理對(duì)這幾類污染物產(chǎn)生了去除效果。

5.2 工業(yè)廢水

工業(yè)廢水中污染物種類繁多，成分復(fù)雜，常含有隨廢水流失的工業(yè)生產(chǎn)原料、中間產(chǎn)物、副產(chǎn)品以及生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的污染物。王碧等［46］分析了煉化廢水和煉油廢水中特征污染物的去除情況，其中煉化廢水的特征熒光峰在水解酸化處理后消失，煉油廢水的特征熒光峰在好氧處理后消失，表明水解酸化工序?qū)捇瘡U水的特征污染物去除效果好，好氧工序?qū)捰蛷U水的特征污染物處理效果好。王士峰［47］對(duì)某印染廠廢水進(jìn)行了周期性的采樣，發(fā)現(xiàn)所采集水樣的三維熒光光譜的熒光峰數(shù)量和位置較為穩(wěn)定，但強(qiáng)度不穩(wěn)定，說明其中的有機(jī)物含量變化較大。YANG等［48］分析比較了來自于12個(gè)工業(yè)類別（非酒精飲料、電子設(shè)備、食品、皮革和毛皮、肉類、有機(jī)化學(xué)品、紙漿和造紙、石化、樹脂和塑料、鋼鐵、蒸汽動(dòng)力和紡織染色）的57個(gè)設(shè)施的工業(yè)廢水的三維熒光光譜，發(fā)現(xiàn)在皮革和毛皮廢水中峰T的熒光強(qiáng)度最明顯，而在食品廢水中峰C的熒光強(qiáng)度最明顯，因此可以通過監(jiān)測這些熒光特征對(duì)廢水進(jìn)行溯源。

5.3 雨水

于振亞等［49］對(duì)比了道路雨水水樣在金屬離子（Cu2+、Pb2+和Cd2+）滴定前后三維熒光的變化，發(fā)現(xiàn)添加Cu2+和Pb2+后，熒光猝滅，峰T的強(qiáng)度明顯下降，表明雨水中類蛋白類物質(zhì)與Cu2+和Pb2+之間發(fā)生了配位絡(luò)合作用；而加入Cd2+后，熒光峰的強(qiáng)度未發(fā)生明顯變化，說明其中絡(luò)合作用較弱。林修詠等［50］構(gòu)建了兩套雨水防滲型生物滯留中試系統(tǒng)，利用熒光區(qū)域積分法解析顯示，屋面徑流有機(jī)污染集中在降雨初期，主要為類腐殖質(zhì)，系統(tǒng)出流則為蛋白類物質(zhì)和類腐殖質(zhì)物質(zhì)；在滯留帶中種植植物對(duì)于蛋白類物質(zhì)和類富里酸區(qū)域的熒光有機(jī)物均有較好的調(diào)控效果，但對(duì)于微生物代謝產(chǎn)物和類胡敏酸區(qū)域的調(diào)控效果稍差。PATRíCIA等［51］利用三維熒光探究了不同溫度下雨水水樣的保存效果，發(fā)現(xiàn)冷凍可以一定程度的保存水樣特征，但隨著冷凍時(shí)間的延長，水樣的蛋白質(zhì)類熒光強(qiáng)度逐漸下降。

6 結(jié)語與展望

三維熒光光譜法具有檢測快速、預(yù)處理簡單、反應(yīng)靈敏等優(yōu)點(diǎn)，該法不僅可以用于定量檢測某些已知的單一污染物，還可用于表征成分復(fù)雜、組分來源不明確的污染物，這一特點(diǎn)使三維熒光有能力應(yīng)用于水環(huán)境監(jiān)測中。

但三維熒光光譜中存在光譜重疊的問題，影響單一成分的提取和識(shí)別，若不結(jié)合其他的計(jì)量解析方法使重疊的光譜分離開，在一定程度上會(huì)影響結(jié)果的準(zhǔn)確度。高效液相色譜與三維熒光的聯(lián)用，能更準(zhǔn)確地提供更豐富的熒光指紋；將矩陣分解與人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，用于三維熒光光譜提取和識(shí)別多環(huán)芳烴效果良好。主成分回歸法、偏最小二乘法和多維偏最小二乘法與三維熒光聯(lián)用可以提高三維熒光的精度。此外，若在傳統(tǒng)的三維熒光數(shù)據(jù)中加入時(shí)間變量，組成四維數(shù)據(jù)，即可構(gòu)成動(dòng)態(tài)熒光光譜，這種動(dòng)態(tài)光譜能夠反映物質(zhì)隨時(shí)間的演變過程，但目前在水環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用還需要進(jìn)一步研究。