（环境科学与工程专业论文）地表饮用水源污染物的三维荧光特性研究.pdf

河北科技大学硕士学士论文 a b s t r a c t i nt h eh u m a ns 0 c i e 毗t h er a p i dd e v c l o p m e n to ft h ec o n s t m c t i o no fi n d u s t 毗l e a d i n g t ot l l ep o l l u t i o no ft h ee n v i r o n m e n tp r o b l e mi sg e t t i n gw or ：s e al o to fc h e m i c a jm e d i c i n e k in do fw a s t ew a t c ra n dw a s t es u c h 硒p e s t i c i d ec h e m i c 宙si n t ot h ew a t e re n v i r o n m e n t ， t h e s ep o l l u 啪t ss e r i o u sh a n nh u m 吼h e a l t hi i f ea n de v e nt l l 】陀a t e nt h el i f e t h e r e f l 0 陀，t 0 a c c u r a t e l yt e s tp o l i u t i o no fe n v i r o n m e n tb e c o m et h eg o a lo fa n a l y s i s 、v o r k e r su n r e m i t t i n g p u r s u i t t h et l l i e e - d i m e n s i o 砌f l u o r c s c e n c e s p 托t r u ma n a i y s i st e c | m o l o g y t oi t s e x p e d i t i o u s n e s s ，c o n v e n i e n c e ，s e n s i t i v e n e s sa n d b e t t e rs e l e c t i v i t ya r w i d e l yu s e di nf i e l d s o fb i o l o g y m e d i c i n e ，i n d u s t i xc h e m i c a l ，e n v i r o n m e n t a le t cf o rr e s e a r c h i n g a n dt h e n u m b e ro fi ti d e n t i f i c a t i o na n dd e t e 肌i 腿t i o no ft h ei n o 唱a n i ca n do r g a n i cc o m p o u n d ， b i o l o g i c a lm a t e r i a i ，m e d i c i n e ，i sm o r e 觚dm o r e ，e s p e c i a l l y 弱ak i n do fi m p o r t a n tt r a c e a n a l y s i st e c h n o l o g yi nt i l e f i e l do fe n v i m n m e n t a ip r o t e c t i o na p p l i c a t i o ni s i n c r e a s i n g l y w i d e i y d a s hf 1 0 n v a r ds h o wt h ea d v a n t a g e t h i sp a p e rg e t st h r e e d i m e n s i o n a in u o r e s c e n c ep a t t e m ，b a s e do nt h ea n a i y s i so f r h o d 锄i n eb 、 h y d r o q u i n o n ea n db i p h e n y lr e p r e s e n t a t i v es a m p l e s0 fp o l l u t a n t su s i n g t h r e e d i m e n s i o n a ln u o r e s c e n c e 锄a j y s i sm e t h o d a c c o r d i n gt h ef l u o r e s c e n tp e a kp o s i t i o n s t r e n 舀ha n dt h eq 啪t 时o fp o l l u t 勰t sp r o p e r t i e s ，d e t e n n i n et h eo p t i m a lw a v e l e n g t h s 锄d n u o r e s c e n c ee m i s s i o nw a v e i e n g t l l ，r h o d 锄i n e b ： e x e m= 5 5 2 舢n 5 7 4砌， h y d r o q u i n o n e ：e x e m = 2 9 8 彻3 3 0 姗，b i p h e n y i ：e x e m = 2 9 4 彻仍l5 胁，锄de s t a b l i s h t h el i n e a rr e l a t i o n s h i pb e 坨e no ft h ef l u o r e s c e n c ci n t e n s i t ya n dc o n c e n t r a t i o n ，t h e i r c o 玳l a t i o nc o e m c i e n ti sv e 叮9 0 0 d 、】v i t hi o 加9 9 t l l ef l u o r e s c e n c ei n t e n s i t ) rb ee f j 沁t e d c e n a i l l i yb yt l l ed i f f e r e n tp hi nt h es o l u t i o i l b u tt l 他f l u o r e s c e n c ei n t e n s i t yo ff l o a t i n gu p 锄dd o w ni sn o tb i gi nt l l ep h25 8 ，t h ee 盯e c tc a nb ee l i d e d t h r o u g ht h r e e d i m e 吣i o n a ls p e c t 咖a n a l y s i st 0e n v i l 0 n m e n tw a t e r 翰m p l e s ，w e 、啊l l g e tm er e l e v 锄tc o n c l u s i o n sb yc o m p 撕n gt h ew a t e rq u a i i t y t h a tw i t hd i f r e r e n tp r o c e s s i n g l e v e l ( d i s t i i l e dw a t t t a p 啪l 盯i nt h el d b o m t o 叫柚dt l l ew a t e ro fm i i lx i n 砌v 盯i i ls h i j i a 曲u a i l g ) ， s 咖c t u r ec o m p r e l l e n s i v e6 陬u r e so f 似e rb yc o n l b i n i n gq u a l i t a t i v e 锄dq 咖t i t a t i v e i n f 0 肌a t i o n ，p r 0 v i d es c i e n t i 6 cd e t e c t i 彻m “h o df o rw a t e rq u 础i t ) rm o m t o f i n g ，p r 0 v i d e s t l l eb a s i sf o re n v i r 0 舯e n t a lw a t e rp o n u t i o n d e g 陀e ，p r o v i d e sr e l i a b l ef o m l d a t i o n i n f o 咖a t i o nf o re s 讪l i s h i n ga 嘶n k i n g 啪t e r 鼹f e t ) ，n 啪i t o r i n gs y s t e m 1 1 a b s t r a i c t k e yw o r d s t h r e e d h e n s i o n a lf i u o r e s c e n c es p e c t m m ；e x c i t a t i o ns p e c t m m ；e m i s s i o n s p i e c t n 珊；p o l l u t i o nf a c t o r s ；n u o r e s c e n c ec h a r a 【c t e r i s t i c s ；e n v i r o n m e n t a l u i 第l 章绪论 1 1研究背景 第l 章绪论 人类社会正在面i 临着一个全球性的危机水污染，水中存在大量的病原微生 物、重金属与有机污染物质，尤其是随着工业地迅猛发展，近十几年以来，有机物 的污染日益恶化严重，导致大部分癌症的化学致癌因子广泛地存在于饮用水源中， 其中测出的致癌物质高达百种以上，致使人类饮用水源面临着十分严峻的污染状况。 根据世界卫生组织的报告：全世界中的发展中国家有l 3 的城市人口得不到安全卫生 的饮用水，全世界8 0 - 9 0 的病患和3 3 的死亡是与受污染的饮用水有关系，平均每 天就有2 5 万人是由于水传染的疾病而导致死亡的，不安全的饮用水源对人类的生命 健康所造成的威害是不容忽视的。然而我国的水环境状况也令人十分堪忧，根据近 些年国家颁布的中国环境状况公报，我国的地表水源能够符合地表水i i i 类标准的 不到总量的三分之一，7 0 的江河水系已经受到污染，甚至4 0 也己基本丧失了其使 用的功能，尤其是流经城市的河流，9 5 以上的都己被严重地污染，中国约有3 4 的 人都是在饮用污染物超标的饮用水i l j ，可谓形势极其的严峻。 随着环境的日益恶劣，地表饮用水源的污染类型也越来越复杂，自1 9 7 4 年以来， 美国的科研机构就其研究报告指出，目前饮用水中检测出的污染物种类已经超过了 2 1 0 0 种，其中至少有9 7 种是致癌物质或可以致癌物质，这让人们对水质的安全产生 了疑问与不安。饮用水源的安全健康问题已成为全球关注的热点问题之一。 饮用水安全对每一个人的生命健康具有重要意义。为了能够确保我国生活饮用 水的卫生安全，也为了提高和改善饮用水的质量，2 0 0 6 年1 2 月2 9 日，国家卫生部和 标准化管理委员会联合共同发布了g b 5 7 4 9 _ - 2 0 0 6 生活饮用水卫生标准及 g b 厂r 5 7 5 0 _ - 2 0 0 6 生活饮用水标准检验方法，该标准于2 0 0 7 年7 月1 日开始施行，该 标准中所规定的检测指标由其原标准的3 5 项增加至1 0 6 项，在其中，其毒理指标中的有 机化合物也由原来的5 项增加到5 3 项1 2 训。 饮用水指标若逐一检测，涵盖了有3 0 0 个水质检验的方法，实验室中常规的理化 分析手段虽然能够准确的测定污染物的浓度，然而实际上的操作难度较大，并且检 测时间较长，分析项目单一。水质的综合毒性检测方法主要是指生物毒性检测方法， 国际上广泛应用于水质的毒性检测的急性毒性实验主要有鱼类毒性实验，蚤类毒性 实验，藻类毒性实验，发光细菌毒性实验，生物传感器检测法，其中，发光细菌法 具有发光菌生长迅速，周期短，费用低，灵敏度高等优点而倍受关注，然而水中所 含有的某些杂质可能影响发光细菌的发光强度，使其并不稳定；鱼类、蚤类和藻类 河北科技大学硕士学士论文 生物法可以确切反映污染因子对人和生物的危害及环境污染的综合影响，早起诊断 作用，富集作用，但其专一性差，周期时间长，生物养殖管理不方便，测量的困难 较大：生物传感器检测方法虽然灵敏度高，选择性好，但它检测的所需的敏感元件 选择较为复杂，操作技术难度高【s 1 0 l ，在实际检测应用中的优缺点的比较如表1 1 所 示。 表1 1五种水环境毒性的检测方法的综合比较【1 0 1 鱼类急性 大型蚤类 藻类生长 发光 比较方法 抑制急性生物传感器 毒性实验毒性实验细菌法 毒性实验 准确度较好较好好好好 e c 如 1 9 81 i o5 3 2 8i 0 3 7 灵敏度 低一般较高高较高 重现性 较好好好不好 较好 常规2 4 h 4 8h ； 常规2 4 h 。 操作时问趋光行为抑制实常规9 6h 2 0 m i n 2 0 m i n 4 8h ，9 6h 验：3h 单一化学物能够综合反应被能够综合反应 宽( 包括铬、汞等重金属单一多种化 检测范围离子农药、激素、洗涤合物的混合 质毒性测定测样品的毒性被测样品毒性 剂、等)物 应用程度 广泛广泛不广泛不广泛 广泛 操作简 复杂简便复杂简便复杂 便程度 经济成本低 低 较高高较高 相较于上述的几种水质毒性污染的检测方法，早在1 9 7 7 年就已被应用于检测船 舶污水含油量以及多环芳烃( p n a ) 的定量分析d 川的一种新型分析技术三维 荧光光谱( 1 1 鹏e d i m e 啮i o n a if l u o 陀9 c e i 雠s p e c t r u 哪) 分析法在水质检测方面有更好的优 势，该技术以其操作简便无需预处理，灵敏度高，选择性好，快速测试等优点已被 广泛应用研究，在生物、化学、医学、工业、食品等领域已取得很好的研究成果i 饪i l ， 特别是在当今倍受关注的环保领域中的应用中，三维荧光光谱分析方法所获得的图 像直观，所含信息丰富，并由于污染物质的种类和含量不同而图谱各异，具有与所 检测的水样一一对应的特点，就好像人的指纹具有唯一性样，所以也被称为“荧 光指纹”i 弘矧，更是成为定性与定量测定污染物所倍受关注的研究项目。 目前，可以用荧光分析法鉴定和测定的无机物、有机物、生物物质、药物等的数 目也越来越多，三维荧光光谱分析技术应用于水质污染状况分析中已有不少报道， 2 第l 章绪论 但作为一种重要的痕量分析技术在饮用水水质安全的分析中的应用研究还较少。本 论文主要就是采用三维荧光光谱分析技术研究地表饮用水源污染物的三维荧光特 性，找出污染物质相对应的荧光指纹特征，为建立饮用水的安全监控体系提供科学 可靠的分析数据。 1 2 本论文相关研究领域的应用进展 荧光分析技术最早的研究应用可追溯至i j 2 0 世纪4 0 年代，鉴于其突出的应用分析 功能，学者的不懈努力使其迅速发展，推动了诸多领域的定性与定量测定物质的分 析研究。 1 2 1国外的荧光技术发展概况 1 9 5 5 年，美国的rl b o 、砌a j l 设计出了第一台记录式的荧光分光光度计。 1 9 7 9 年，m i l l e r 采用荧光光谱分析法分别获得色氨酸与酪氨酸的荧光特征光谱， 也由此实现了可以分别测定氨基酸的技术研究【2 4 1 。 1 9 8 0 年，m p f o g a n y 和i m w 锄e r 公布了用电视荧光计所在的2 5 4 n m 紫外线照 射下，氯代烷与葸的光化学反应的动力学研究的结果1 2 5 1 。 1 9 8 2 年，e l i n m a j l 和j d w i n e f o r d n e r 通过计算机对多环芳烃的混合物的荧光 光谱进行计算，分别计算出了各物质的荧光光谱，提高了定性分析混合物的能力1 2 6 1 。 r e y n o l d 和a h i i l a d 基于荧光分析法建立了废水b o d 5 与蛋白荧光强度( e 堀m = 2 8 0 肿3 4 0 n n l ) 之间相关方程，可以更加直观地表征水质指标与荧光强度关系1 2 7 1 。 b a k e 根据来自人为污染源的污染物的荧光主要就是蛋白荧光，从而考察了蛋白 荧光与腐殖酸荧光强度之比，可以用来估测废水厂所排放的出水对受纳水体所造成 的影响1 2 踟。 s e r 伊i 等在室温下，利用荧光分析技术准确地检测到了7 种氯苯氧基酸类除草荆， 检出限高达3 6 u l ，并且这个过程仅用了1 5 m i n1 2 9 l ； c o b l e p g 发现了在受污染的原水中，能够发射荧光的两种主要的溶解性有机 物，一种是蛋白质，发出紫外荧光，另外一种是腐殖质，发出蓝色荧光，由此，可 采用三维荧光光谱分析测定水中的可溶性有机物【l 。 l o c i i i i l u i l e r 等p z j 通过多年对原水中常见溶解性有机物的种类以及其对应的荧 光激发与发射波长的研究总结，从而建立了三维荧光光谱分析溶解性有机物的 p 剐艮虹a c 模型，在国外已用于监测海水中的溶解性有机物。该模型已经在三维荧光 光谱分析检测环境中的溶解性有机物的领域中被普遍使用和认同【3 引，并广泛应用。 1 2 2 国内的荧光技术发展概况 3 河北科技大学硕士学士论文 1 9 9 2 年，何文琪采用e e m 的特征矢量方法，将混合芳香烃的三维荧光光谱的特 征频率进行分析，能够较好地确定一个到五个组分的芳香烃的混合物，获得了满意 的结果i 州。 1 9 9 5 年，王伦等人分别用二维荧光光谱和三维荧光光谱分析了苯胺、二苯胺以 及n 甲基苯胺，并且在较低的浓度范围内，获得了良好的线性关系【3 5 j 。 2 0 0 4 年，傅平青等人利用三维荧光光谱分析技术对洱海沉积物孔隙水中的溶解 有机物进行分析，图谱中发现了类腐殖酸荧光和类蛋白荧光，并且随着沉积的深度 有一定的变化趋势l 州。 2 0 0 5 年，傅平青等人利用三维荧光光谱研究了不同江河湖泊以及地下水中的溶 解有机质的三维荧光光谱特征，对各类荧光峰谱的特性做出了相应的解释并且找到 了其各峰所对应的归属p 。 2 0 0 7 年，郝瑞霞等基于三维荧光图谱分析技术研究了生活污水之中其溶解性有 机物的荧光光谱特征，并提出了用特征荧光强度、特征荧光强度综合指标以及二者 比值来表征污水中有机物种类、组成及含量的三维荧光特征参数1 3 3 l ： 2 0 0 8 年，李卫华等人又对废水的生物处理反应器其所出水的三维荧光图谱进行 解析，微生物产生的酪氨酸、色氨酸、辅酶n a d h 和维生素b 6 四种荧光物质与实验 的检测结果呈现出很好的相关性，可以用该方法监测生物处理反应器的出水情况1 3 9 l 。 2 0 1 0 年，王欢博等人利用三维荧光光谱分析法对苯酚的荧光特性进行了研究， 天然水中常见的九种离子对其荧光特性的影响以及碱性条件下，苯酚电离，荧光强 度变弱，加入腐殖酸后会使其发生荧光猝灭1 4 们。 2 0 1 1 年，周瑁等人对某一城市的几个水源水库的表层水体中的溶解性有机物进 行了三维荧光光谱分析物质，不同水库的具有不同的荧光特征，其溶解性有机物的 种类主要是以富里酸为主，水厂可以利用此研究提高去除富里酸的工艺来进一步包 装人们饮用水水质【4 。 崔香利用三维荧光图谱分析了西宁的环境水样中的有机污染类型，研究结果表 明西宁市某河水主要表现为外源污染，某餐馆水样与某公园的人工湖水均主要是内 源污染【4 2 l 。 魏群山等人采用三维荧光光谱分析法与化学分级法对城市生活源污染的溶解性 有机物的总量以及各个分组分作了深入研究，相较于很难有效地响应污染产生的溶 解性有机物总体，其分级组分反而能够较好地产生响应特性【4 3 1 。 通过上述三维荧光光谱技术的研究报告以及查阅的相关技术应用文献可以看 出，三维荧光光谱分析方法已经在水质污染检测分析中被广泛地应用于分析研究， 由其是对水中的溶解性有机污染物，因为大多数的溶解性有机污染物都具有荧光， 在地表饮用水源污染物的荧光特性研究中也筛选出几种代表性有机污染物进行三维 4 第l 章绪论 荧光光谱特性识别研究。 1 3 课题来源 目前，由于我国水资源的短缺以及污染情况日益加剧，随着环境保护观念地渐 八人心，人们环保素养地提高，对水源的使用、保护概念认识的逐步深入，水资源 的持续合理使用、饮用水源的安全已成为制约整个社会发展与进步的重要因素。地 表水源作为一个全方位开放的体系，很容易受外界环境因素影响等特点，经济社会 的发展和环境污染的加剧等一些不确定因素对地表水源的水质安全构成了严重的威 胁。本论文的课题来源于河北省2 0 1 0 攻关课题“地表饮用水源的水质安全监控预警 综合技术研究l - 地表饮用水源污染物的三维荧光特性研究。地表水源与其外界 的环境因素的关系是较为复杂的，意外环境污染和不良生产方式所造成的地表水水 源问题己时有发生，比如2 0 1 1 年6 月4 日晚，在杭州市辖区建德境内的杭新景高速 公路上发生了苯酚槽罐车泄漏意外事故，导致部分苯酚泄漏并随着雨水进入新安江， 造成部分水体受到污染，严重影响了周边城市居民的生活，8 月9 日，在瑞昌市工业 园区一工地发生了自来水中毒事件，施工人员及周边的住户先后有约5 0 人入院就诊， 中毒事件疑为饮用水中的铜和氯超标被污染1 4 4 j 。传统的水质监控方法与技术已经不 能够很好地满足饮用水安全检测的要求，进一步开发建立地表水饮用水源水质的安 全监控预警综合技术以便可以提前预警水质变化、尽快分析原因，尽早采取有效的 响应措施以便减少损失，已成为社会进步发展的紧迫需求，也具有其广阔应用的研 究前景。 1 4 课题的科学意义和应用前景 三维荧光光谱技术已经在诸多的领域被研究应用，受到了普遍重视，这说明三 维荧光光谱分析的应用前景具有很大的发展力。饮用水中污染物质指标浓度低，部 分溶解有机物差异性较小，单凭简单的三维荧光指纹图的直观比对法或图解法显然 是不够的，如何获取、分析并有效地利用三维荧光指纹谱提供的丰富信息，进行复 杂或多组分荧光物质的可靠鉴别和准确测定，同时挖掘出能够反映系统组分特性与 荧光光谱的某些特征参数的内在关系，并建立荧光毒性识别的方法，是本课题今后 的研究中所必须努力的方向。 从目前的研究应用进展来看，三维荧光光谱分析技术研究发展方向主要体现在 以下三个方面： 1 ) 与其他分析技术联用三维荧光光谱虽然可以提供丰富的信息，然而对于复 杂或者多组分的检测样品，单凭其图解法是不够的。曾有文献【4 8 1 将三维荧光法、 5 河北科技大学硕士学士论文 气相色谱法、高效液相色谱法、气质联用技术和液质联用技术等多种方法应用于检 测分析，如中药注射剂、血浆及尿左旋多巴浓度的测定分析等，类似的联用分析， 不仅仅提高了数据的准确度，更是增加了分析的信息量，提升了解决复杂分析问题 的能力。 2 ) 与化学计量学结合。多维数据的分析辩证，科学体系的建立都需要数理统计 和数值分析等手段，三维荧光光谱与化学计量手段相结合【4 弘5 1 l ，不仅有利于检测数 据的完善处理，也加速了计量学自身的不断发展进步。 3 ) 新型的荧光分析仪器以及相应软件的研发1 5 2 5 4 j ，用计算机来辅助完成解析图 谱的工作，更加灵敏而快速地获取完整的荧光信息将使三维荧光分析技术向更广、 更深的分析研究领域迈进，作为高效可靠的分析仪器，产品的商业化运作也将三维 荧光分析技术进一步推广使用。 1 5 研究内容 课题采用三维荧光光谱分析技术作为实验研究的主要方法，实验、探索建立饮 用水安全监控体系，快速综合评价水环境效能和水质预警这一复杂环境评价监测问 题的新途径。通过实验研究饮用水卫生指标中一些污染因子的三维荧光光谱特性， 探索污染物质的荧光强度与浓度之间的相互关系，对检测水样的荧光影响机理，初 步获取检测的污染因子的三维荧光光谱研究数据，为建立饮用水安全监控体系提供 一定的数据基础，实现水环境简便、快速、有效的检测评价。 三维荧光光谱分析技术中本实验主要以荧光强度为污染因子的表征参数，罗丹 明b 具有明显的强荧光，选作为荧光特性研究的代表物质，通过检测物质的荧光强 度变化，实验测定其浓度的变化。研究待测物质的浓度对应的荧光强度作用的变化 规律，以及不同p h 值对荧光强度的影响，初步建立污染物质浓度与荧光强度之间的 相互关系体系等荧光特性，本实验主要以罗丹明b 作为指引，再把对苯二酚和联苯 作为污染物检测对象，同样进行三维荧光光谱分析研究。对单一物质的荧光特性有 所了解后，再对不同处理水平的水样进行三维荧光光谱分析。通过本课题研究，丰 富水环境快速监测评价和水质安全预警方法体系。主要研究内容为： 1 ) 首先通过参考国内外文献报道以及生活饮用水卫生标准( g b 5 7 4 9 2 0 0 6 1 中的标准规定指标，筛选出实具有代表性的检测物质进行实验研究。 2 ) 配置各个污染物质的标准溶液，进行单一组分的浓度梯度设定，以及混合组 分模拟配置溶液，采用f 7 0 0 0 荧光分光光度计进行三维荧光光谱分析。 3 ) 提出污染因子的最佳激发波长与发射波长处的三维荧光特性指标，并进行浓 度梯度扫描，建立浓度与荧光强度之间的线性回归方程，作出分析 4 ) 对不同处理水平的水环境中的水样进行三维荧光特性进行扫描分析，通过分 6 第l 章绪论 _ l _ 目_ ￥_ _ _ l _ - _ _ _ - l i _ l _ l - i _ - _ - - l - _ 目= - _ i 目_ - _ = _ e l _ _ _ i _ _ _ _ t _ - l - _ _ _ _ _ l l i _ - _ l l _ 析处理前后水中污染物质的种类、性质、及其数量的变化，进行水质评价。 5 ) 研究荧光强度值与浓度的定量关系，构造定性与定量信息相结合的水样综合 特征，为建立饮用水安全监控体系提供可靠的基础信息，为水质监测提供科学的检 测方法。 6 ) 研究技术路线图； 图l l 研究技术路线图 利用三维荧光光谱分析法研究污染物质的三维荧光光谱特性，找出其最佳的荧 光峰位置，并进一步利用其浓度与荧光强度值之间的回归方程，获取最佳线性关系， 确定浓度与荧光强度之间的关系，初步建立水环境中污染物质的三维荧光特性分析 检测方法，将单一的荧光光谱分析方法推广至更广泛的环境水样中的污染监测应用 中。 7 河北科技大学硕士学士论文 第2 章荧光光谱分析技术 荧光现象最先是在1 6 世纪被西班牙的科学家n m o n a r d e s 发现的，近几十年以来， 在科学迅速发展的影响下，三维荧光光谱分析法以其高灵敏度( 相比紫外一可见分 光光度法可高出2 3 个数量级) ，高选择性，操作简便( 无需预处理) ，快捷和低 成本等诸多优点日益广泛地被用于水质综合有机污染指标的监测研究。荧光光谱能 够提供荧光激发光谱、荧光发射光谱、荧光强度和荧光峰位置以及偏振斜率等诸多 信息，是一种较为重要的痕量分析的技术。 2 1荧光产生的基本原理 在室温下，大多数的分子处在基态的最低振动能层，当物质受到光照时，可能 吸收全部或者部分入射光能量，在此过程中，光子的能量传递给物质分子，每个分 子具有一系列严格分立的电子能级，于是发生电子由低能级到高能级的跃迁，耗时 约1 0 1 5 u s ，速度极快。处于不稳定状态的激发态分子可能通过辐射跃迁和非辐射跃 迁等分子内部的去活化过程而丧失多余的能量来返回基态。辐射跃迁去活化过程中， 激发单重态之间的辐射跃迁伴随的就是荧光发射【5 引。下面将主要依据分子结构理论 来分析产生荧光的机理。 每个分子都具有一系列的严格分立的能级，即电子能级，其中又包含了一系列 的振动能层与转动能层，如图2 1 所示。图中s o 为基态表示，s l 和s 2 分别是第一电子 激发单重态与第二电子激发单重态，t i 即第一电子激发三重态。 依据p a n l i 不相容原理，在分子中的同一轨道上所占的两电子其自旋方向必须是 相反，即称之为自旋配对。首先，假设在分子中所有轨道上的电子均作为自旋配对， 即要s = 0 ，分子多重度m = l ，分子体系此时就是单重态。大部分的有机分子基态都是 处于最初的单重态，在吸收了能量以后，如果分子此时在跃迁的过程中其自旋方向 不发生改变，这时分子即处于图2 一l 中的s i 和s 2 ；如果分子自旋方向改变，分子所具 有的两个电子且自旋不配对，那么s = l ，分子多重度m = 3 ，则分子处于t i 激发三重态。 又根据洪特规则，分立轨道中的非成对电子，平行自旋相较于成对自旋更加稳定一 些，如图2 1 中的t i ，三重态能级总是要比相对应的单重态能级稍低【5 5 l 。 处在不稳定的激发态分子有可能通过其辐射跃迁与非辐射的跃迁过程等去活化 来返回至其基态，其中，以其速度最快的并且激发态的寿命最短此两种途径的最佳 结合是最占据优势的，以下是其几种最基本去活化的过程：( 1 ) 振动驰豫i b 瑚血o n a l r e l a x a t i o n ) ：( 2 ) 荧光发射( f l u 0 瞅蹴n c e ) ：( 3 ) 内转换( i n t e m a j c o n v e r s i o n ) ：( 4 ) 外转换 ( e x t 啪a l 咖v e r s i o n ) ；( 5 ) 系间跨越( i n t e 巧y s t e mc r 0 豁i i 唱) ；( 6 ) 磷光发射 8 第2 章荧光光谱技分析术 ( p h o s p h o r e s c e n c e ) ( 见图2 一1 ) 。 e n e r g y 图2 1荧光和磷光体系能级图1 5 5 l 荧光寿命与荧光量子产率是荧光物质的重要光学参数，其中荧光量子产率的数 值越大，物质的荧光越强，由以上能级图可知分子能够产生荧光所必备的两个条件 是：( 1 ) 分子必须具备与其所照射的辐射频率所适应的结构，这样才能够来吸收激发 光，则发生荧光是必须要有一定的能吸收激发光的结构：( 2 ) 分子吸收了与自身特征 频率相同的能量以后，还必须具有较高的荧光量子产率，如果荧光量子产率较低， 也不会产生荧光。 荧光量子产率( 缈) 也称量子产率或者荧光效率，它代表物质能够发射荧光的能 力，通常以下面的式子表示： 9 = 禚燃 ， 口= ，_ l r 吸收的光量子数 卜v 有些吸光的物质并不能够发射荧光，是由于其在激发状态，分子所释放激发能 的过程中除了有荧光发射外，还有很多如上所述的辐射跃迁与其非辐射的跃迁过程 会与其竞争，这些速率常数均与荧光的量子产率有关系。 可用如下的数学公式来表示： 9 河北科技大学硕士学士论文 矿。百号面 ( 2 也) 式中：k 广- 一荧光在其发射过程中其速率常数： y k ，其他相关过程所有速率常数总和。 依据上式可以看出，只要能够使时值升高并且使其他硒值减小的因素，均可 使荧光强度增强，一般而言，k f 值的变化主要与化学结构有关，而则主要是由 化学环境决定的，但同时化学结构也会有一定的关系。 2 2 影响荧光强度的因素 根据分子产生荧光的条件可知，影响荧光强度的因素主要是分子结构和分子所 处的环境因素。 2 2 1分子结构影响因素 1 ) 跃迁类型 产生荧光的主要跃迁类型为7 c _ 兀謇跃迁，这主要是由于该跃迁类型跃迁的寿命较 短，约为1 0 一1 0 母s ，在该跃迁过程中，通过系间跨跃至三重态的速率常数也较小， 具有较大的摩尔吸光系数( 一般比n 一7 【幸大1 0 0 1 0 0 0 倍) ，这都较为有利于产生荧光。 对于大部分荧光物质，首先经历兀专冗幸或者n 兀_ 宰激发，再通过振动弛豫或者其 他的辐射跃迁，发生兀兀_ 或者冗幸o n 跃迁而得到荧光。在这两种跃迁类型中，兀7 c j 跃迁常会发出较强的荧光( 较大的量子产率) 。 2 ) 刚性平面结构 实验中发现，许多具有刚性平面结构物质的有机分子都会具有强烈的荧光，因 由于此种结构能够减少分子的振动，可以使溶剂与分子或者其它溶质分子其相互作 用有所减少，从而就减少了因撞碰去活的可能性。如荧光素( 伊= o 9 2 ) 和酚酞( 矽：0 ) ； 联苯( 伊= o 2 0 ) 和芴( 缈z 1 ) ；偶氮苯( 无荧光) 和杂氮菲( 发荧光) 。 很多的无机盐类金属离子，在溶液中仅仅能发生无辐射跃迁，从而不产生荧光， 除了某些过渡元素的顺磁性原子能够发生线状荧光光谱外。但是，在某种情况下， 金属螯合物却会产生很强的荧光，并且能够用于痕量金属元素的分析。 也有不少的机化合物虽然本身具有共轭双键，但是由于其不是刚性结构，其分 子又处在非同一个平面，因而不会发生荧光。假如这些化合物与金属离子形成螯合 物，由此增强分子的刚性结构，增大了平面结构，常能够产生荧光。比如8 羟基喹 啉本身具有极弱的荧光，然而其金属螯合物却具有很强的荧光。 3 ) 取代基效应 芳香族化合物的苯环上所带的不同取代基对其本身的荧光强度与荧光光谱有较 1 0 第2 章荧光光谱技分析术 大的影响。给电子基团中，比如o h 、o r 、n h 2 、c n 、n 等，能使荧光增强。 又比如c o o h 、- c = o 、n 0 2 、卤素等吸电子基团，会使荧光减弱甚至于猝灭。 卤素取代基跟随原子序数的增加而使荧光降低，这很可能是由于所谓的“重原子 效应”使系间跨的越速率增加所致使荧光减弱，磷光增强，比如苯环被卤素取代，由 氟苯到碘苯的过程中，荧光会逐渐减弱直到消失【5 6 l 。 4 ) 共轭效应 实验证明，容易实现兀_ 兀事激发的芳香族类的化合物容易发生荧光，而能够产生 荧光的脂环族与脂肪族的化合物却极少( 除极少数的化合物具有高度共轭的体系以 外) 。此外，化合物共轭体系有效地增加，一般也将会使荧光效率随之增大。例如， 在多烯结构中，p h ( c h = c h ) 3p h 和p h ( c h = c h ) 2p h 在苯中的荧光效率分别为o 6 8 和 0 2 8 。例如，苯( 伊= 0 0 7 ) 、萘( 矿= o 1 2 ) 、葸( 9 = o 3 0 ) 。 共轭效应能够使荧光增强的主要原因是由于共轭体系强度增大，从而使荧光物 质所具有的摩尔吸光系数也增大，这样就有利于其产生了更多激发态的分子，由此 也有利地促使其产生荧光。 2 2 2 环境因素 1 】溶剂效应 溶剂的影响可分为一般溶剂效应和特殊溶剂效应。 一般溶剂效应是指溶剂的折射率与介电常数的影响。介电常数增加，红移，由 于溶剂极性的增加，兀- 兀红移时，能量降低，就会导致荧光增强。比如荧光素水介质， 9 = 0 6 5 ；0 1 m o 忱的n a o h ，9 = o 9 2 ，因此。荧光分析中，要注意介质的一致性。 特殊溶剂效应是指溶剂分子与荧光物质之间的特殊化学作用，比如化合作用与 氢键的生成。 一般溶剂效应是普遍存在的，然而特殊溶剂效应却要决定于荧光物质与溶剂的 化学结构。 2 ) 温度的影响 当温度降低时，荧光量子效率与荧光强度都将增大：当温度上升时，荧光强度 就会下降，其中的一个原因是分子内部的能量转化作用：而另外一个原因就是碰撞 频率的增加，能使其外转换的去活几率大大增加。然而温度过高后，也可能会使荧 光物质分解，因而多数的荧光仪利用光栅以减少曝光时间，并使样品绝热，或者要 有温度调节装置【5 7 l 。 3 ) 溶液p h 值的影响 带有碱性或者酸性官能团的许多的芳香族化合物，其荧光强度和溶液的不同p h 值有着关系。在不同的p h 值的溶液环境，化合物所处的状态也不同，并且不同的化 河北科技大学硕士学士论文 合物或者在电子构型上化合物的分子和其离子有所不同，从而使它们的荧光强度和 荧光光谱就产生了一定的差别，例如，苯胺。 相较于金属离子与有机试剂所形成的发光鏊合物，一方面，p h 值的大小会影响 鏊合物的形成：另一方面，p h 值还会影响到鏊合物的组成，因而影响到它们的荧光 性质，比如，邻二羟基偶氮苯能与g 矿+ 在p h = 3 4 的溶液环境中形成l ：l 络合物， 产生荧光，但在p h = 6 7 的溶液环境中则形成l ：2 络合物，便无荧光。 4 ) 荧光猝灭 荧光猝灭是指荧光物质分子和溶剂分子或者其它溶质分子之间的相互作用所引 起的荧光强度降低的现象，而能引起荧光强度降低的物质则被称为猝灭剂。荧光物 质溶液浓度较高时，在发生荧光之前，单重激发态的分子与基态的荧光物质分子碰 撞从而会引起自猝灭。在溶液浓度较高时，某些荧光物质分子还会形成二聚体或者 多聚体，致使它们的吸收光谱发生了变化，也会导致溶液荧光强度降低或者消失。 荧光熄灭现象也可被利用作为一种检测物质的方法。比如，微量f 的存在可能 会使铝桑色素配合物的荧光熄灭，此时。溶液的荧光强度与氟离子的浓度是成反比 的【5 8 】。 5 ) 内滤光作用和“自吸收 现象 若吸收激发或者荧光物质所发射的光能的物质存在于溶液中，极可能会使荧光 减弱，这种现象就称为“内滤光作用 。内滤光作用的另一种情况就是荧光物质的荧 光发射光的短波长一端和该吸收光谱的长波长一端会有重叠。在溶液浓度较大时， 一部分荧光发射会被自身吸收，产生“自吸收”现象，从而使溶液发出的荧光强度 也降低了【5 9 1 。 2 3 三维荧光光谱 三维荧光图谱分析法是最近几十年以来迅速发展起来的一种广泛应用的荧光分 析检测技术。该项技术与早期的普通的荧光分析最主要的区别在于它能够获取激发 波长和发射波长变化的同时所具有的更加丰富的荧光强度变化信息。 普通的荧光分析一般是指所测得的二维荧光图谱，包括两种形式的荧光光谱： 一是将激发波长固定来对发射波长进行扫描，获得荧光发射光谱；二是将发射波长 固定然后扫描激发波长即获取其荧光激发光谱。然而，荧光强度实际上是与激发波 长和发射波长这两个变量均相关的一个函数。三维荧光光谱就是扫描荧光强度随激 发波长与发射波长同时变化的荧光谱图。 相较于二维荧光光谱，三维荧光光谱具有更加丰富的污染物的荧光信息，也由 此在污染物质监测方面突出了三维荧光光谱分析法更好的选择性以及更高的灵敏度 等优点。三维荧光图谱的“三维”通常是指荧光激发波长、荧光发射波长与荧光强度， 第2 章荧光光谱技分析术 这样的荧光立体图谱所表现出来的检测物的荧光信息更加完整，定性与定量分析效 果更加显著。它通过在不同的激发波长上扫描荧光发射光谱，获得激发一发射矩阵 ( e x c i t a t i o n e m i s s i o nm a t 血，e e m ) ，然后基于e e m 数据以三维立体图( 如图2 2 所 示) 或等高线( 指纹图) ( 如图2 3 所示) 的形式形象地描绘出来【删。 e ( n m ) 图2 2 对苯二酚的三维荧光光谱图 刍秽 麟矗璺旷 一 胡莎 睁矿一 。尘 ； _穗翟矿 一 _-d 盔黟萨” - 暑 二矿 ( 一 f 一1 、 = 暑 - z i 一 1 j j 暑 - 1 e m ( n m ) 图2 - 3 对苯二酚的三维荧光光谱等高线图 其中，以发射波长为x 轴，荧光强度为y 轴，激发波长为z 轴的三维荧光立体 图可以通过荧光强度、峰位置、主峰陡度以及其走向角度等特征参数对所测样品进 行识别，全面展现了样品的荧光强度信息；以发射波长为x 轴，激发波长为y 轴的 1 3 河北科技大学硕士学士论文 荧光强度等高线谱图是由是由一系列闭合圈组成，以中心最小的闭合圈中心所在的 位置与立体图中的峰顶点的位置相对应，而闭合圈其疏密程度也与对应着立体图中 荧光峰的坡陡程度，其形状又与立体图的荧光峰所形成的峰形及其角度走向相关。 等高线图谱能够清晰地展现出立体图谱中多峰遮蔽等一些较为复杂的不明显的细微 结构特征，表达了如同人的指纹一样的独特的荧光指纹般荧光的完整信息【6 1 】。 体系较为复杂物质的荧光信息需要由荧光强度、荧光激发波长与荧光发射波长 这三个参数来加以表征，单一的组分体系用e e m 形式表示如下： m 2 a x y ( 2 3 ) 这里假定e e m 矩阵是由三种变量的乘积组成，式2 3 中，a 表示与浓度相关而 和波长无关的系数，矢量x 和y 各自代表荧光的激发光谱与发射光谱，之所以可以 用这样的形式来表示单一组分体系，也是根据荧光发射光谱相对应的形状和荧光激 发波长并无关，以及荧光激发光谱所对应的形状和荧光发射波长也无关的实际情况。 对含有y 种组分的多组分体系的荧光物质，其e e m 形式就可表达如下式： 肘2 善。 ( 2 4 ) 上述e e m 表达形式意味着，当物质的吸光度是足够低的并且组分之间也不会发 生能量的转移，那么，所检测到的体系荧光即为单一组分体系的荧光线性总和【5 9 l 。 2 4 光谱中的散射光影响 溶液介质中会存在微小的粒子或分子能够使光束偏离理想条件下的传播方向， 转而向四周传播，该种现象则被称为散射。三维荧光光谱分析法中图谱主要受到的 散射影响分别是瑞利散射和拉曼散射。 2 4 1 瑞利散射光 瑞利散射光的波长和激发波长是一致的，且瑞利散射强度较大，在其轻度过强时， 就会掩蔽一些溶解性有机物的荧光信息，使检测分析的难度加大。 在均匀的溶液中，由于介质的颗粒体积均衡，浓度一定的情况下，瑞利散射具 有一定的稳定性。瑞利散射的公式如下： i = 字( 糕) 2 ( 2 5 ) 式中i 瑞利散射光的强度： a 激发光的振幅； a 激发光的波长； v 水样中单位体积的粒子数量； 1 4 第2 章荧光光谱技分析术 v 水样中每个粒子的体积； n i 分散相的折射率； n 2 分散介质的折射率。 由该公式可以得知，瑞利散射和水样中的介质的粒子浓度及体积有关。然而， 在自然环境中的水样，如河流，城市污水等，其中存在着大量的杂质，不同体积大 小的散射颗粒，散射强度会随着散射颗粒的体积与浓度的不同变化，致使散射强度 较大，并且散射效应带有一定的随机性【6 2 l 。 2 4 2 拉曼散射光 一般情况下，拉曼散射光的波长不会等于激发光的波长，会比激发波长略微长 一些或者较短一些，并且其频率和激发光的频率是具有一定差值的。 拉曼散射光的产生是由于处在激发态的分子没能跃迁至基态，返回到原来的能 级，而是到达了