水环境中多环芳烃的三维荧光光谱分析方法探讨

思常红 罗炳钧 刘婷婷

摘  要：多环芳烃这一有机化合物少量来源于自然，更主要来源于人类活动，普遍存在于水环境之中，对生态环境与人类健康有较大的危害。三维荧光光谱技术是一种基于荧光特性进行分析的方法，将它用于水环境中多环芳烃的检测，在灵敏度、准确性和操作便捷性等方面均具有优势。应不断完善与提高三维荧光光谱技术，使其在水环境监测和保护中发挥更大的作用。

关键词：多环芳烃  水环境  三维荧光光谱  灵敏度

中图分类号：X83

Exploration of the Three-Dimensional Fluorescence Spectroscopy Analysis Method for Polycyclic Aromatic Hydrocarbons in the Water Environment

SI Changhong  LUO Bingjun  LIU Tingting

Liuzhou Vocational and Technical College， Liuzhou， Guangxi Zhuang Autonomous Region， 545000 China

Abstract： Polycyclic aromatic hydrocarbons are organic compounds that come from nature in small quanitities and mainly from human activities， and they are commonly found in the water environment and do great harm to the ecological environment and human health. Three-dimensional fluorescence spectroscopy technology is an analytical method based on fluorescence characteristics， and when applying it to the detection of polycyclic aromatic hydrocarbons in the water environments， it has advantages in sensitivity， accuracy and the ease of operation. We should continuously improve and enhance three-dimensional fluorescence spectroscopy technology to play its greater role in the monitoring and protection of the water environment.

Key Words： Polycyclic aromatic hydrocarbons; Water environment; Three-dimensional fluorescence spectroscopy; Sensitivity

水环境污染一直是全球关注的重点环境问题，其中多环芳烃作为一类普遍存在的有机污染物，因其对环境和人类健康的潜在危害而受到广泛关注。多环芳烃的稳定性和生物积累性，使得对其在水环境中的检测与分析成为环境科学领域的重要课题。现有的多环芳烃检测方法多种多样，但普遍存在灵敏度不足、操作复杂或无法有效区分复杂样品等问题。三维荧光光谱分析方法对于水环境中的多环芳烃检测，有较高的灵敏度，操作也比较简便，在水环境监测中展示出巨大的潜力。

1  多环芳烃对环境的影响及检测

1.1  多环芳烃在水环境中的分布和来源

多环芳烃作为一类由多个芳香环结构组成的有机化合物，其在水环境中的广泛存在引起了人们的关注。这些化合物主要来源于人类活动，如燃煤、石油的加工和使用，以及工业生产过程中化石燃料的不完全燃烧。多环芳烃的自然来源渠道很多，例如：森林火灾和火山活动，虽然也会产生多环芳烃，但其在总量上相对较少。在水环境中，多环芳烃主要通过大气沉降、工业废水排放和地表径流进入。这些物质在水体中不易降解，容易在沉积物中积累，并通过食物链对水生生物造成影响。由于亲脂性和低溶解度，多环芳烃在水环境中往往以吸附于悬浮颗粒物或沉积物的形式存在。此外，城市化和工业化进程加剧了多环芳烃在水环境中的积累，如此一来，监控这类物质就变得尤为重要。

1.2  多环芳烃对环境和健康的潜在危害

多环芳烃对环境和人类健康的潜在危害不容忽视。在环境中，因为多环芳烃具有稳定性和生物蓄积性，这导致它能够在食物链中累积，最终对高级生物的健康造成影响。一些多环芳烃化合物已被证实具有致癌性和突变性，对水生生物的生长、繁殖和免疫系统造成负面影响。对人类而言，长期暴露于含多环芳烃的环境中可能会增加患癌症的风险。例如：某些多环芳烃被认为是肺癌和皮肤癌的潜在致病因素。此外，这些污染物还可能影响神经系统、免疫系统和生殖系统的正常功能[1]。因此，了解多环芳烃在水环境中的行为和其对生态系统及人类健康的影响，是环境监测和风险评估中的关键一环。

1.3  现有检测方法的局限性

尽管多环芳烃的检测技术在过去几十年里取得了显著进步，但现有的方法仍存在一些局限性。传统的检测方法，如气相色谱-质谱联用和高效液相色谱，虽然在灵敏度和准确度方面表现出色，但往往需要复杂的样品前处理和昂贵的设备，整体来说效益不高。此外，这些方法的操作过程繁琐，耗时较长，不能实现现场快速检测。在处理复杂的水样时，这些传统方法可能受到样品矩阵效应的影响，导致检测结果的准确性受损。针对多环芳烃的特定分析，尤其是在低浓度水平下的检测，这些方法的灵敏度和准确性仍然有待提高。因此，使用一种快速、高效、成本较低且具有较高灵敏度和准确性的新型检测方法，对于水环境中多环芳烃的监控至关重要。

2  三维荧光光谱分析技术

2.1  三维荧光光谱技术的原理

三维荧光光谱技术是一种基于荧光特性进行分析的方法，它能够提供关于分子结构和环境的详细信息。这项技术通过测定样品在不同激发波长下的荧光强度随发射波长的变化来构建三维荧光光谱。在三维荧光光谱中，一个轴代表激发波长，另一个轴表示发射波长，而第三个轴则是荧光强度。每种化合物的荧光特性，包括荧光峰的位置、强度和形状，都是独特的，可以用来识别和量化特定的分子。例如：多环芳烃在特定的激发和发射波长下会显示出特有的荧光峰。这种技术的关键在于它可以同时提供有关化合物浓度和结构的信息，这对于混合样品中多种化合物的检测尤其有用。此外，三维荧光光谱能够揭示样品中化合物之间的相互作用，如能量的转移或猝灭现象，这对于理解复杂的生物或环境样品中的分子行为意义重大。

2.2  操作步骤和技术要点

操作三维荧光光谱分析技术的关键在于精确控制、系统地变化激发和发射波长，以及确保数据的准确采集和处理。首先，需要准备样品，使其适合荧光测量，包括适当的稀释和pH调节，以避免自然吸收和荧光猝灭现象的发生。其次，设置光谱仪，包括选择合适的激发波长范围和分辨率。在测量过程中，逐渐改变激发波长，并记录每个激发波长下的荧光发射光谱。收集到的数据随后被转化为三维数据矩阵，进而通过专业软件进行处理和分析。在数据处理过程中，重要的是消除可能影响结果的干扰因素，如仪器的瑞利散射峰和荧光背景[2]。最后，利用三维荧光光谱的解析工具，如峰拟合、分解和多维数据分析方法，来识别和量化样品中的多环芳烃。此过程需要对数据进行细致的解读，特别是在处理复杂的环境样品时，才能够检测出多环芳烃的浓度和种类。

在进行多环芳烃的三维荧光光谱分析时，首先需要选择合适的荧光光谱设备。在种类众多的设备之中，推荐使用具有高灵敏度和宽动态范围的荧光光谱仪，这对于检测低浓度水平下的多环芳烃效果显著。在实验操作过程中，样品的准备是一个关键步骤。其次，需要对水样进行过滤处理，通常使用0.45 μm的滤膜进行过滤，以去除悬浮颗粒物和其他大分子杂质。过滤后的样品需在4 ℃条件下储存，并尽快进行测试。在荧光光谱分析之前，必须对仪器进行校准，以确保数据的准确性。校准过程包括波长校准和强度校准，确保仪器的测量结果能够真实反映样品的荧光特性。测试时，应当注意对样品的激发波长和发射波长进行选择，因为这直接影响到荧光信号的强度和分辨率。多环芳烃的激发波长通常在200～300 nm之间，而发射波长则在300～500 nm之间变化[3]。在操作过程中，还需要注意控制样品的pH值，因为pH值的不同会影响到多环芳烃的荧光特性。通常情况下，建议在中性或微酸性条件下进行测试，以保持多环芳烃的稳定性。最后，对于实验结果的解析，建议采用多维数据处理技术，如平行因子分析，这可以有效分离和识别出复杂样品中的多环芳烃成分。

2.3 优势和潜在应用

三维荧光光谱分析技术在多环芳烃检测方面提供了许多优势，其中，最大的优点是高灵敏度和高选择性，能够在复杂的环境样品中准确地识别和量化多环芳烃。这种技术比传统的色谱方法更快速，成本更低，且操作更简便。三维荧光光谱分析技术不需要复杂的样品前处理，可以直接分析水样。此外，三维荧光光谱能够提供有关化合物分子环境的信息，这对于理解化合物在环境中的行为非常有用[4]。在潜在应用方面，这项技术不仅适用于环境监测，还可以用于食品安全、药物分析和生物医学研究等多个领域。例如：在环境监测领域，三维荧光光谱可以用于监测水体中的污染物浓度变化，评估污染治理措施的效果，或者在水处理过程中追踪特定污染物的去除效率。在食品安全和药物分析中，它可以用于检测和分析复杂样品中的有害物质。而在生物医学领域，该技术有助于研究生物体内分子的相互作用和代谢过程。

3  三维荧光光谱技术的未来发展

3.1  技术创新和改进方向

三维荧光光谱分析技术在水环境中多环芳烃检测领域应用中，创新和改进的方向应集中在提高分析效率、灵敏度以及适用性等方面。首先，技术的迭代更新将致力于提高数据的采集速度和处理能力，从而使得实时监测和大数据分析成为可能。例如：通过集成更先进的探测器和光源，可以在更短的时间内获得高质量的光谱数据。其次，对分析软件和算法的改进将使得从复杂光谱中提取有用信息变得更加高效和准确。这在处理复杂环境中的样品，如含有多种化合物的工业废水时尤为重要。再次，技术的创新还包括提高系统的移动性和便携性，使之更适用于现场检测。通过微型化和集成化设计，三维荧光光谱仪器能够更方便地应用于现场快速检测，对于环境监测和紧急响应尤为重要[5]。最后，跨学科的融合将是未来发展的另一大趋势。

3.2  在水环境监测中的应用前景

三维荧光光谱技术在水环境监测领域的应用前景十分广阔。随着人们环境保护意识的增强和环保标准的提高，对水质监测的需求日益增长。三维荧光光谱技术凭借其高灵敏度和高选择性的优点，更加适合于监测水环境中的有机污染物，尤其是在追踪低浓度的多环芳烃方面表现出色。在未来，三维荧光光谱技术有望成为水质监测的标准方法之一，尤其在快速响应和实时监测方面具有重要的应用价值[6]。例如：它可以用于城市污水处理厂的出水监测，确保排放水质符合环境保护标准。同时，这种技术也适用于评估自然水体中污染事件所带来的影响，如河流、湖泊和海洋中的石油泄漏或化工事故等。通过实时监测水环境中的污染物变化，能够及时发现和处理环境问题，从而更好地保护水生生态系统和人类健康。

3.3  面临的挑战和解决途径

尽管三维荧光光谱技术在水环境监测方面展示出巨大潜力，但在实际应用中仍面临一些挑战。首先是样品矩阵复杂性带来的挑战，特别是在处理自然水体样品时，样品中的其他成分可能干扰到对荧光信号的解读。为应对这一问题，可通过改进样品前处理步骤和开发更高级的数据处理算法来减少干扰和提高分析结果的准确性。其次，现场应用的挑战在于提高仪器的稳定性和适用性。对此，要研发更为坚固、便携的设备，并结合无线数据传输技术，这样可以使仪器满足于复杂现场条件下的使用。最后，提高方法的普及度也是一个重要的挑战，这需要通过用户培训、开发易于操作的软件界面和提供更多的应用案例来加以实现，显然克服这一挑战需要的时间更长，需要较长的时间周期逐步地达成。通过这些努力，三维荧光光谱技术有望在水环境监测和保护中发挥更大的作用。

4  结语

随着技术的不断进步和创新，三维荧光光谱技术有望在水环境保护、污染治理和风险评估等工作中，发挥出更加重要的作用，从而为保护我们宝贵的水资源和生态系统贡献力量。

参考文献

[1]罗敏，祝琳琳.水中多环芳烃检测方法及相关国内外标准分析[J].品牌与标准化，2023（2）：20-22.

[2]张亚莉，颜康婷，王林琳，等.基于荧光光谱分析的农药残留检测研究进展[J].光谱学与光谱分析，2021（8）：2364-2371.

[3]梁良，杜雨馨，杨子建.基于支持向量机的多环芳烃光谱定量分析[J].激光杂志，2023（6）：220-224.

[4]瞿燕，于银山，马士才.基于荧光光谱技术的湖泊水质检测分析[J].产业与科技论坛，2020（18）：23-54.

[5]方小云，檀海兵，赵龙海，等.基于三维荧光光谱技术的水域水污染溯源检测方法研究[J].环境科学与管理，2021（12）：138-140.

[6]郑婉琳，胡鋆，缪斌妹.宁波东钱湖水体冬季溶解性有机质的三维荧光光谱特征分析[J].中国新技术新产品，2023（1）：128-131.