三维荧光光谱技术在水环境中的研究与应用进展

智国铮

(上海城市水资源开发利用国家工程中心有限公司，上海 200082)

前 言

溶解性有机物(Dissolved Organic Matter，DOM)广泛存在于各类水体中，是可以通过0.45μm滤膜的有机物混合体[1]，包括腐殖质(腐殖酸、富里酸)和一些亲水性有机酸、核酸、氨基酸、碳水化合物、表面活性剂等，主要来源于人、动物的分泌物和排泄物、生活用水的排放、生物的自然消解以及细菌分解产物等[2]。这些物质中大多含有荧光基团，在特定的激发波长照射下会产生相应特征波长的发射光，不同物质的分子结构不同，所吸收光的波长和发射波长也不同。三维荧光光谱技术(Three Dimensinonal Excitation-Emission Matrix Fluorescence Spectra，3DEEM)能够通过获得激发波长和发射波长同时变化时的荧光强度信息，准确获取荧光组分的组成及浓度等信息，对多组分物质进行光谱识别和表征。不同水体的荧光光谱存在差异，主要体现在图谱形状、荧光峰位置、荧光峰强度及荧光峰个数等方面，在污废水方面，其表现出的荧光特征差异为表征、区别水体性质提供了依据，可以用于自然水体环境质量评价、污水处理效果评价，以及水体污染溯源和突发性外水进入判断等方面。

1 三维荧光光谱技术原理

物质分子在受到短波长激发光照射后，通过吸收光子能量，分子中的电子由基态跃迁至激发态，处于激发态的分子不稳定，以辐射跃迁的方式回到基态，并发射出能够反映物质特性的长波长荧光[3]。待测物质分子成为激发态时所吸收的光为激发光，处于激发态的分子回到基态时所产生的光为发射光。荧光主要发生在带有芳香环或共轭双键等不饱和键的功能基团[4]，包括腐殖酸类和蛋白质类，其中，腐殖酸是自然界中常见的有机物，普遍存在于天然水体、土壤以及沉积物中，蛋白质是城市污水中的主要污染物，主要来自于洗涤废水、食品残余物和排泄物等，其荧光性质由具有芳香结构的氨基酸产生，包括色氨酸、酪氨酸和苯丙氨酸，其中苯丙氨酸的荧光强度较低，很少被检测到[5-6]。

通过三维荧光光谱得到的荧光强度随激发波长和发射波长同时变化的关系谱图即为三维荧光光谱，包括激发波长、发射波长及荧光强度三个方面，三维荧光光谱携带丰富的光谱信息，根据不同物质的光谱特征，可以提取表征污染物三维荧光光谱的特征参量，定量表达光谱信息，从而鉴别不同种类的环境污染物。目前已有大量研究对DOM的荧光区域进行了划分[7～10]，如上图所示，区域Ⅰ～Ⅱ为含芳环结构的蛋白质类物质，区域Ⅲ为富里酸类物质，区域Ⅳ为微生物代谢产物，区域Ⅴ为腐殖酸类物质，其中腐殖酸类物质可以进一步进行划分，如陆源腐殖酸类、难降解腐殖酸类等。

图 水体中各种DOM荧光区域划分Fig. Classification of various DOM fluorescence regions in water

1.1 三维荧光光谱矩阵数学修正

EEM光谱原始数据中除DOM信号峰以外，还存在一二阶瑞利散射和拉曼散射，会对待测物质本身的荧光峰产生影响，特别是一阶瑞利散射存在较大的荧光强度。在处理和分析三维荧光数据前，需要对荧光光谱的矩阵数据进行数学修正。

常用的去除瑞利散射的方法包括置零法、空白扣除法、Delaunay三角形内插值法等[11]，其中，对于置零法，由于瑞利散射在荧光光谱中的位置位于发射波长与激发波长相等的区域，出现的位置较为固定，该方法通过将该区域及其附近值设置为零，能够消除瑞利散射的干扰，然而该方法会损失散射区域的荧光信息，不利于分析的准确性。空白扣除法通过将样本的光谱矩阵数据减去空白水样的数据，达到消除瑞利散射的目的。Delaunay三角形内插值法通过利用散射峰周围的有效数据拟合散射区域的数值，可以有针对性地处理散射区域，而不改变非散射区的荧光强度，该方法能够保证荧光物质光谱信息的真实性，应用较为普遍。

拉曼散射的强度一般较低，在高纯水的原始三维荧光图谱中可以清晰看到，通过将样品的原始三维荧光光谱矩阵数据减去高纯水的矩阵数据，可以避免水分子导致的拉曼散射效应。

1.2 平行因子分析模型

三维荧光光谱中包含了大量信息，但是由于荧光团之间存在相互干扰和重叠的现象，传统的峰识别方法只能识别谱图中的几个峰值点，会造成大量数据的浪费，同时也会导致荧光组分的识别和判断出现偏差，需要采用相关方法进行组分分解。平行因子分析模型(PARAFAC)是一种基于三线性分解理论，采用交替最小二乘法原理进行三维矩阵分解的算法，能够将复杂的三维荧光矩阵分解为独立的荧光组分，公式如下[12]：

式中：xijk表示第i个样品在激发波长k和发射波长j处的荧光强度；

ain表示第i个样品中第N个荧光组分的相对浓度；

bjn表示第N个荧光组分的发射矩阵载荷值；

ckn表示第N个荧光组分的激发矩阵载荷值；

εijk表示残差立方阵E(I×J×K)的残差元素；

N表示正确拟合PARAFAC模型所需要的组分数，根据对半检验法进行确定。

ain与第i个样品的第n个分析成分的物质浓度成比例关系，bjn与矩阵bn的第n个分析成分在发射波长j下的荧光量子率成线性关系，ckn与激发波长k下的特殊吸收因子成线性比例关系。

通过利用PARAFAC模型，在没有噪声、其他参数结构统计假设、没有光谱形状假设的情况下，混合物的荧光峰信号能够分离为单独组分，从而避免多组分荧光重叠的现象。

2 三维荧光光谱技术在水环境中的应用

水环境中的DOM来源包括外源和内源，其中外源主要为大气、陆地等系统中的有机物通过降雨、地表径流以及渗透等过程进入水体，表现为腐殖酸类占主要成分[13]。内源主要与水体生物的活动密切相关，如藻类或水体微生物等通过自身的腐烂分解产生，主要组分为蛋白质类[14]。目前三维荧光光谱技术在水环境中的应用主要通过利用不同水体表现出的荧光特征差异，对水质状况进行监测分析，以及对污染来源进行追溯，包括自然水体环境质量评价、水体污染溯源、污水处理效果评价等。

2.1 自然水体环境质量评价

三维荧光光谱技术能够用于海洋、湖泊、河流、地下水等自然水体污染源的解析研究，可以判断水体受外源输入和内源输入的影响程度。纯净自然水体中的DOM荧光物质主要由有机物在水体中分解产生的腐殖质组成，城镇化程度的加大会导致水体中蛋白质荧光峰强度逐渐增加[15]。Borup Brett等[16]分别对西班牙Fork污水处理厂以及受纳水体的荧光特性进行了研究，分析了受纳水体与污水排放之间的关系。研究结果表明，在污水厂上游水样中仅有富里酸峰存在，而在污水排放口和下游样品中均有明显的富里酸峰和色氨酸峰存在，因此当水体中检测到富里酸峰和色氨酸峰时，表明有废水存在。张欢[17]应用该方法对派河和南淝河进行了DOM光谱分析，通过利用荧光指数FI、生物源指数BIX和腐殖化指数HIX，在空间和时间上对污染源进行了解析。结果表明派河DOM来源具有内源和陆源输入双重特点，主要由于接纳了各大支流的汇水及污水厂尾水，同时灌溉用水和降雨径流中携带的大量腐烂植物和土壤腐殖质，成为重要的外源有机质输入来源。因此，该方法可以通过对自然水体和污水各自荧光特征的分析，判断水体受到污染的程度。

三维荧光光谱技术还可以用于解析地下水中溶解性有机物的组成特征和季节性变化规律。何小松等[18]对山东寿光市的地下水进行了有机物的三维荧光检测，共设置12个采样点，分别在1月、5月、8月及12月进行采样，结果表明地下水中有机物主要来自于微生物，在夏季和秋季较强，冬季减弱。腐殖酸类组成稳定，随季节变化小，蛋白质类物质组分来源差异较大，随季节变化明显。

2.2 水体污染溯源

目前三维荧光光谱技术也被引入到排水系统领域，包括不同污染源特征解析、排水管网来水情况解析等。在污染源方面，由于不同类型的污废水所包含的荧光类溶解性有机物存在差异，对应的荧光图谱也会产生差别，已有大量关于不同类型污废水特征的研究，包括印染废水、造纸废水、炼油废水、生活污水等。周圆等[19]对印染废水的特征及污水处理效果进行了研究，结果表明印染初始废水中主要存在酪氨酸类和色氨酸类的蛋白质荧光峰、微生物源腐殖酸类、陆源腐殖酸类，经过处理后，蛋白质的荧光强度明显降低，其中色氨酸类物质被显著去除，在出水中仅在陆源腐殖酸类区域检测到荧光峰存在，表明该物质较难被生物降解。Sandra Ciputra等[20]对原始造纸废水以及经过离子交换树脂处理、颗粒活性炭吸附、纳滤处理后水体的三维荧光特性进行了分析，结果表明原始造纸废水包含陆源腐殖酸类、难降解腐殖酸类、酪氨酸类和色氨酸类4种组分，其中以腐殖酸类组分荧光强度最大，在经过工艺处理后，酪氨酸类和色氨酸类组分去除效果最佳，腐殖酸类去除效率最低，说明腐殖酸类的物质性质最为稳定。

在不同污染源荧光特征解析的基础上，可以进一步对排水管网的来水情况进行溯源。Chen等[21]分别研究了生活污水、渗透性下垫面、非渗透性下垫面，以及沉积物的荧光特征，结果表明新增生活污水以色氨酸类组分为主，存留时间较长的生活污水和沉积物以酪氨酸类组分为主，渗透下垫面为易被降解的陆源腐殖酸类，非渗透下垫面包含大量的人为源腐殖酸类组分。进一步对雨天溢流污水进行采样，可以利用各种来源水体的荧光特征指示相应的污染贡献情况，从而对排水管网溢流污染状况进行控制。

2.3 污水处理效果评价

三维荧光光谱技术同样可以用于大型污水厂进出水性质的研究，对污水处理效果进行分析。Shi等[22]对中国不同省市的14个采用A2O工艺的污水处理厂进行三维荧光检测，结果表明蛋白质组分最容易去除，出水较进水减少86.86%±6.38%，其次是腐殖酸类和糖类，腐殖酸是较难处理的有机成分，很难通过生物处理去除。施俊等[23]运用该方法，研究了扬州某污水厂进出水中DOM组分的变化，主要含有色氨酸类、酪氨酸类和腐殖酸类3种荧光组分，其中色氨酸类和酪氨酸类属于蛋白质成分，主要来源于各类洗涤剂、食物和人畜的排泄物。由于城市污水通过管道输送，不接触土壤，腐殖酸类含量很少，主要来源于一些难降解物质和微生物代谢产物。污水厂出水中色氨酸类和腐殖酸类含量相对于进水略有增加，酪氨酸类含量下降较为明显。在时间上，由于冬季温度和微生物活性低，蛋白质的降解效率相对较低，应引起重视。综上，三维荧光光谱技术能够用于污水处理效果的研究，更好的指导工艺设计、运行和控制，对水质监测具有很好的参考和实际应用价值。

3 展 望

三维荧光光谱技术能够通过利用不同水体中存在的荧光特征差异，只需少量的低浓度水样，即可快速分析水环境中的污染来源和水体性质，以及突发性外水进入的情况。可以定性区分和半定量测定污水中的蛋白质类和腐殖酸类有机物，具有灵敏度高、选择性好、测试迅速、消耗化学药剂少、仪器操作简单，以及易于实现自动测定等优点。然而，三维荧光光谱技术仅限于对样品中部分有机成分的荧光物质较灵敏，而对于无机离子的浓度变化无响应，在应用情景上存在局限性。同时，由于三维荧光光谱特征受到pH、温度、金属离子等因素的影响，使用单一少量的荧光图谱对污染特征进行解析会存在不确定性，应开展和建立污染源及污染受体荧光图谱数据库。此外，三维荧光光谱技术在定量解析水环境污染来源方面，主要有最大荧光强度比值法[24]、荧光区域积分法[25]，但是准确定量解析的能力仍存在很大不足，应与其他污染溯源技术如水质特征因子方法结合使用，以提高对复杂水质的分析能力。

在未来的应用过程中，与三维荧光技术在水环境中其他方面的应用类似，由于排水管网中污水的蛋白质组分主要来自于生活污水，同时该技术的方法较为简单、快捷，因此可以根据水体中存在的蛋白质含量，快速分析管道中地下水的渗入情况，进一步与管道物探检测技术结合，缩小物探检测范围，节省人力、物力以及时间成本。同时，由于排水管网旱天来水一般较为稳定，其具有的三维荧光光谱特征也应较为相似，因此可以对监测点位建立荧光图谱库，在检测到图谱出现异常时，可以用于判断突发性外水进入的情况。

4 总 结

三维荧光光谱技术在获取不同污染源荧光图谱特征的基础上，可以用于自然水体环境质量评价、污水处理效果分析、水体污染来源和突发性外水进入情况的解析，能够快速反映水体的污染特征，具有操作简单、快捷等优点。目前该技术仍存在一定的缺陷，在不确定性分析以及定量解析方面，需要通过建立荧光图谱数据库以及与其他技术结合，不断进行完善。