（生物医学工程专业论文）紫外荧光法水中油检测技术和实验的研究.pdf

a b s t r a c t c r u d eo i li so n eo ft h em o s ti m p o r t a n ti n d i c e st om o n i t o rt h ew a t e rq u a l i t y , w h i c h c a r la f f e c tr e s p i r a t i o no ff i s ha n dd e s 仃o ya l g a e p o l y c y c l i ca r o m a t i ch y d r o c a r b o n si n s o u r c eb r i n gt h es e r i o u sh a r mt oh u m a n 7 sh e a l t h f o ral o n gt i m e t h eu s u a lm e t h o d s t om e a s u r et h ec o n c e n t r a t i o no fo i l i nw a t e ra r eg r a v i m e t r y , i n f r a r e d , u l t r a v i o l e t s p e c t r o p h o t o m e t r y , f l u o r o m e t r ye t a l f l u o r e s c e n c em e t h o dh a sh i g h e rs e n s i t i v i t ya n d s e l e c t i v i t y , i ti sm o r ea p p l i c a b l et om a k eaq u a n t i t a t i v ec a l c u l a t i o no nm e a s u r i n g m i c r oo i li nw a t e r m o s ta p p a r a t u sf o rd e t e c t i n gi nw a t e rn o wa r el a r g ea n dc o m p l e x i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，b a s e do nt h et h e o r yo fo i l - i n - w a t e rf l u o r e s c e n c ec h a r a c t e r , w eu s e l e da n dp h o t o d i o d ea se x c i t e dl i g h ta n dp h o t o d e t e c t o r , c o m b i n i n gc o n t r o l l e db y s i n g l e c h i pt om a k et h es y s t e ms i m p l e a n dm i n i t y p e t h es t u d yc o n t e n ti n t h i s d i s s e r t a t i o ni sa st h ef o l l o w i n g ： 1 b a s e do nt h et h e o r yo fo i l i n w a t e r , c h e m i c a ls t r u c t u r ea n df l u o r e s c e n c e c h a r a c t e r , w ec h o o s et h eo p t i m u ml e da n dp h o t o d i o d e ，w i t hai n t e g r a t e dc o n t r o l l e r o fc y 8 c 2 7 6 4 3 - 2 4 p v x ia n dc i r c u i tt oa c h i e v eas e to fp h o t o e l e c t r i cm e a s u r e m e n t s y s t e mf o rd e t e c t i n gm i n e r a lo i li nw a t e r m o r e o v e r , w ea n a l y z et h ec h a r a c t e r so f e x c i t e dl i g h ta n dp h o t o d e t e c t o rb yt a k i n ge x p e r i m e n t s 2 p r a t i c a l l yo b t a i n e dt h ee x c i t a t i o na n de m i s s i o ns p e c t r u m so ft h r e ek i n d so fo i l s d i s s o l v e di nh e x a n e ，t h e nu s e dc y c l o p s - 7f l u o r o m e t e rt o t e s tt h el i n e a r i t ya n d r e p e a t a b i l i t yo f t w os t a n d a r do i l s i tw a sv e r i f i e dt h ew a yo ff l u o r o m e t e ri sf e a s i b l ef o r t h ed e t e c t i n go fo i li nw a t e r 3 a tl a s t ，w em a d ee x p e r i m e n t st oe x a m i n ed i e s e lo i la n dl u b f i c m i n go i li nw a t e r u s i n gu l t r a v i o l e ts p e c t r o p h o t o m e t r ya n dd e t e r m i n et h ea b s o r bs p e c t r u m s i tc a nb e d r a wac o n c l u s i o nf r o mt h er e g r e s s i o ne q u a t i o n sb e t w e e no i lc o n c e n t r a t i o na n d a b s o r b e n c yi nd i f f e r e n tr a n g e s ，t h es y s t e mi sa p p l i c a b l et ot e s tt h ec o n t e n to fo i li n s o l u t i o n s a b o v ea l l ，f l u o r o m e t r yh a sl i g h t e rp o l l u t i o n ，h i g h e rs e n s i t i v i t y , m o r es i m p l i t ya n d s h o r t e rt e s t i n gc y c l e ，w h i c hi sm o r ea p p l i c a b l et oo i l i n - w a t e ro ft h ef i v e ll a k ea n d m a “n ae t a l k e yw o r d s ：o i li nw a t e r , u l t r a v i o l e tf l u o r e s c e n c e ，p s o c ，f l u o r e s c e n c es p e c t r u m ， s p e c t r o p h o t o m e t r y , r e g r e s s i o nl i n e a r 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得天津大学或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：童3 签字日期： 7 年g 月硌日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解天津大学有关保留、使用学位论文的规定钆 特授权天津大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：磊寻 导师签名： 移度玺 瓮二；i ；一7 年。g ，内歹 - 1 签字日期： 川年 3 月彤日 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 水中油检测的意义 第一章绪论 由于交通运输、工业、石油化工生产等原因，排放的废水中含有许多残留石 油产品统称为油份，对环境造成污染。资料表明，海洋水体中矿物油污染的 来源大约为：工业污水、城市生活污水、港口设施泄漏约占6 0 ；船舶航行作业 排放约占1 0 ；运输事故、井喷事故、采油废水排放约占1 0 ；其他工业、车 辆以及燃烧废气的沉降约占1 8 l 。 石油化工企业排放的污水中的油会阻碍空气与水体界面的氧交换，水面形成 的油膜阻隔空气中的氧进入水体导致鱼类因缺氧而死。空气分散在水体中的油能 被微生物分解，消耗水中的溶解氧，使得植物营养所需微生物减少，溶解氧降低 会使鱼类等水生动物因缺氧而死，使水质恶化、发劓2 1 。若粘着在水生植物的根 系上，会影响植物的蒸腾、呼吸和光合作用，影响其生长。若粘附在水生生物的 器官上，会引起生物的室息死亡，比如附着在鱼的腮上影响其呼吸作用。油中的 多环芳烃类物质会污染水源并有致癌作用，它们多来源于碳氢化合物的不完全燃 烧和高温分解，通过自然或人为因素排放到环境中。多环芳烃类气体排放到大气 中会影响周围温度而且会传播很远的距离，这类芳烃物质也会污染土壤和水源。 石油类物质对人的消化系统有危害，可导致急性中毒、严重腹泻，同时还能引起 手脚麻痹，头晕，昏迷，神经紊乱等症状，对人的血液、免疫系统、肺、皮肤、 眼睛等也有一定的毒害作用。油珠会被水生生物粘附或吸附，通过食物链的作用 进入到人体，使肠、胃、肝等组织发生病变，危害人体健康。水体含油达0 0 1 m g l 即可使鱼肉带有特殊气味而不能食用。当水中含油0 0 1 0 1 m g l ，对鱼类和水生 生物的生长就会产生影响。当水中含石油类物质达到0 3 0 5 m g l ，就会产生气 味，而不适合饮用1 3 1 。所以，水中油类污染对人体有较大的危害，目前己成为世 界关注的问题。国家环保局颁发的环境监测规范中已将石油类列为地表水和 有关行业排放废水必测项目之一。 石油类物质对土壤污染的后果也极为严重。目前，世界有大量地下储油仓库， 在石油类物质的使用和运输过程中，也难免会有泄漏的矿物油渗入土壤。据美国 环境保护署( e p a ) 估计，在美国约有3 5 百万个地下化学物质和石油储存仓库， 每年平均大约有1 的仓库会发生泄漏，严重影响地表水和地下水的质量，对人 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 的身体健康带来极大危害。随着石油的大量开采和广泛使用石油类物质对水体 和土壤的污染己成为一个越来越严重的问题，如2 0 0 0 年1 1 月1 4 日“德航2 9 8 ” 油轮沉船，所载2 3 0 立方米燃料油全部泄漏珠江口污染水域如图i 1 所示。 图1 i 珠江口海域燃料油泄漏污染 2 0 0 8 年i 丹3h 兰州市安宁黄河大轿下泊污热如图i 2 所示 图1 3 黄河兰州段水中油污絷 随着陆地和海底石油开采规模的不断扩大，以及运输过程中泄露问题的出 现，石油类物质对水体造成了大面积污染，严重地危害着水体生卷平衡和人的身 体健康，而且在水体表面的聚结油还有町能燃烧产生安全问题，现已引起了各国 环保部门的高度重视。含油废水的污染监删一直是难题，传统的监测方法费时复 天津大学硕士学位论文第一章绪论 杂，不能够及时提供数据支持，另一方面，含油废水种类多，变化大也是一个重 要原因【4 】。因此，根据油的种类特性，采取相应的方法和仪器，快速准确的测量 出水中矿物油的污染物含量，并对矿物油污染现场进行实时检测，以便对其进行 管理和控制，以达到保护和治理水污染的目的。开展水中油污染检测方法、技术 和检测设备的研究，是提高水污染检测的一条重要措施，具有广泛的应用前景和 科学研究价值。 1 2 国内外发展状况 早在2 0 世纪7 0 年代，国外在城市给水和工业用水中就更广泛开展了水中油 类物质检测的研究工作。1 9 7 5 年d i l l e 等就建立了以非分散红外光度法为基础的 油测试方法和水中油监测装置。19 7 6 年1 w a m o t o 等也建立了以该方法为基础的水 中油浓度监测装置。非分散红外光度法仅能检测矿物油中的直链烷烃或环烷烃， 不能检测苯系物【5 1 。当前国外检测污水中矿物油仪器采用红外分光光度法的有德 国w t w 、美国h a c h 等公司的设备，国内的有华夏科t j o i l 6 0 8 型红外测油仪等都 是利用石油类物质在近红外区的特征吸收( 三波长2 9 3 0 2 9 6 0 3 0 3 0 c m - 1 ) 作为 测定水样中油含量的基础，这些仪器己在我国流域和环保部门中使用。但此方法 灵敏度低，且监测中所用的萃取剂四氯化碳是国际公约限制使用的试剂，至2 0 1 0 年发展中国家必须全部停用。因此测油问题需要采用开发替代产品。对于生活污 水和含油量低的工业废水可用紫外分光光度法来测定，国内外生产的设备有上海 第三分析仪器厂的7 5 2 型紫外分光光度计、日本岛津u v - 2 5 0 紫外分光光度计等， 紫外分光光度法精密度好，灵敏度高，已成为国内外广泛采用的方法之一，但其 标准油的取得较难且测量范围有限，不适于测量高浓度的工业废水。而紫外荧光 法耗时短、灵敏度高，已在北美、欧洲等发达国家广泛使用，如加拿大的a r j a y 公司，美国的t u r n e r 公司等都是生产水中油分析仪器的，a r j a y 的 h y d r o s e n s e 2 4 1 0 通过紫外光源照射流过采样板的水样中的油分子，接收装置接 收的水样荧光强度和水样中含油的浓度为一一对应关系可实现连续在线测量， f c - 2 0 0 0 采用正己烷将水样中的油萃取出来，以散射光光强的对比测量为基础， 作为对比用的参考值标准。t u r n e r 公司的流动荧光仪已经在全球广泛应用于检测 油污染的程度，这些仪器都是基于一定波长激发水中油类物质，得到水样在该波 长激发下的荧光强度来检测水中油类污染物质的浓度。与其他方法相比，紫外荧 光法具有高效、远程、环保的优点，符合环境自动监测和污染源在线监测的国际 技术潮流。 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 1 3 水中油检测方法的发展 在水质监测中，水中油类分析是一项重要的分析指标。目前分析废水中油含 量的方法有很多，有重量法、红外法、紫外法、比色法、悬浮法、荧光法等。重 量法是用有机萃取剂( 石油醚或正己烷) 提取酸化了的样品中的油类，萃取剂通 过氧化铝柱除去动植物油类，将溶剂蒸发掉，称重后计算石油类含量。重量法的 测定下限为l o m g l ，适合于工业废水的测定。缺点是损失了沸点低于提取剂的 石油组分，方法操作繁琐，灵敏度低，只适用于实验室中操作而不适于环境水质 和大批量样品的测定；红外分光光度法是利用石油中的主要成分甲基( - c h 3 ) 、 亚甲基( c h 2 ) 、芳香烃( a r _ h ) 等分别在3 4 13 、3 3 7 8 、3 3 0 0 u n 处存在伸缩振 动，同时或顺序检测在上述三处波长处的红外吸收，从而测得油中甲基、亚甲基、 芳烃的含量。其优点是能全面检测碳氢链的伸缩振动，准确测得油的总含量；缺 点是不能测定含量低于1 m g l 石油类物质，需要用溶液萃取，萃取过程中难免会 有少量挥发性有机物质丢失且测定矿物油类物质所用萃取溶剂为四氯化碳，它会 破坏大气中的臭氧层，而且直接对人体健康造成危害。 非分散红外光度法利用油中烷烃的c h 3 、c h 2 在近红外区( 3 4 0 0 p r o ) 附近存 在伸缩振功吸收带，因而可利用3 4 0 0 p r o 左右的单一波长进行测定。此方法适用 于样品中芳香烃含量不高的情形。 紫外分光光度法是利用石油及其产品中芳香族化合物和含共轭双键化合物 在2 1 5 - 2 6 0 n m 紫外区的特征吸收测定石油类量。测定范围为0 0 5 5 0m g l 。但标 准油的取得比较困难，数据可比性较差。紫外吸收法类似于红外法，然而油份不 需要从水中萃取出来，可以在实验室中实现在线测量。不同油份在紫外区内对应 不同波长。油份经照射发出特定波长的紫外光，通过测量吸收的光强可以确定油 份浓度。这种方法对碳氢化合物有选择性，并且藻类和水中悬浮物对光的传播都 有干扰，在实际应用中要经常进行零点校正，补偿和过滤。 比色法可以直接测量水样或者类似重量法从水样中将油萃取出来，然后加入 催化剂使其发生变色反应。可以通过与标准颜色表比对或者使用分光光度计来分 析。这种方法比称重法更为实用，然而标准颜色表必须要通过测定各种不同油份 来绘制。例如比色法不能直接测定水样油份浓度至u p p m 级，测量者必须知道水样 中油份的种类而且要提前绘制好标准颜色表【5 】o 悬浮法是根据光散射原理，通过测量水中光强来确定油份浓度，并可以精确 至l j p p m 级。水中油份使得光以一定方向散射并可以监测到，油份浓度的增大使得 发射光强减弱并且在一散射点的光强增强。可以选取任意点来测量。水样必须避 免其他因素对光路的干扰，如悬浮颗粒，化学成分和颜色变化都会影响光散射而 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 导致油份浓度读错。在实际应用中要经常使用补偿和过滤技术抵消环境可能带来 的干扰。 荧光法测定水中油含量，具有灵敏度高、选择性强等特点。由于水中的油分 主要指含有不饱合烃及芳烃类的有机物，这些有机物大多数能在紫外光照射下发 生荧光，因此，采用荧光分析法测定水中的微量油分的含量也是一理想方法。用 荧光法测定水中微量油分含量的实验中，主要涉及萃取剂的选择，二次萃取情况， 直接定容和标准油品的选择等问题。溶剂的选择很重要因为它将决定荧光激发或 猝灭。测定原理是在中性介质中，水中的油分可被正己烷定量萃取，萃取液在紫 外光照射下会发射出蓝色荧光，其荧光强度与油品含量成正比，符合朗伯比 耳定律【6 1 。因此，可通过油品的荧光相对强度求出油品的含量。水中荧光法也使 用紫外光源，然而是测量特定油份的荧光光强而不是测量吸收光强。荧光是被测 油份吸收一部分光强而发出更长波长光的现象。不同油份发出对应的特定波长的 荧光，通过测量特定波长荧光的光强，被测油份浓度可以精确至u p p m 级，对油份 测量有选择性。将油份从水中萃取出来可以是测量结果更为精确，并且可以使结 果显示在屏幕上。荧光法适用于实验室中并且可以实现在线监测，不能进行对背 景干扰进行补偿。需要实现连续监测和实时读取数据。荧光法最大的优点就是紫 外光源和检测器不需要直接接触液体。测量环境应该宽广开放，悬浮颗粒的影响 可以忽略吲。 1 4 紫外荧光方法及其发展 在2 6 年前，紫外荧光法就己用于自然水体中油浓度的检测，根据光激发原 理，具有吸收光子能力的物质在特定波长光( 如紫外光) 照射下，可在瞬间发射 出比激发光较长的光，这就是荧光。用一适当波长的某一特定波长的光去激发具 有一定荧光效率的物质，就可简洁地测量物质的含量。各种矿物油类都具有一定 的荧光效率，因此可采用荧光方法测量水中矿物油含量。由于水中油污( 碳氢化 合物) 的光谱吸收峰多在紫外区，因此多用紫外光照射含油污水，通过探测从水 中散射回来的某一波长范围内的荧光强度来确定污水中碳氢化合物的浓度。这些 荧光法几乎都是提取水样，使用溶剂将油萃取出来，海水中分散油是很复杂的成 分，要使用一系列物化方法才可以清除，海水水样中包含溶解油和分散油，使用 溶剂提取过程会有所不同。尽管紫外荧光法是非常灵敏的检测油的方法，不同提 取过程发出荧光的官能团也不同。有的文献表明荧光发射峰值与芳烃化合物环数 有关，一般来说，芳烃类化合物环数越多，发射波长越长i 引。w a k e h a m 提出t u r n e r 荧光仪使用固定短波长而不是可变波长检测，同时1 0 a u 型使用较长激发波长 天津大学硕士学位论文第一章绪论 3 5 0 n m 和发射波长4 1 0 5 5 0 n m 用于原油检测。t u r n e r 公司自1 9 7 0 年一直研制水中 油检测仪器至今，在8 0 年代末，t u r n e r 公司致力于研制用于油的短波长滤光片 的开发，包括激发波长在2 5 4 n m 的滤光片和发射波长在3 5 0 n m 的滤光片，后来， 更长波段范围如激发波长在3 5 0 n m 和发射波长在4 1 0 - 5 5 0 r i m 范围的滤光片也研 制成功。t u r n e r 公司探究表明，短波长适用于轻质油的检测，长波长适用于原油 的检测。滤光片的选择是与以前检测方法的最大不同，l a r n b e r t 等人发现短波长 可用于检测轻质油和精炼油，而h u r f o r t 等人认为只有短波长才可用于油的检测并 用一系列燃油和柴油，由于检测到的溢出油大多是原油而非燃油，所以优先选用 长波长【8 】o 国内王丽荣，杨景海采用溢流式采样器实现水中油浓度的在线测量，样品池 采用漏斗式的溢流池，这种工作方式的核心部件是样品室中的漏斗，工作时水泵 会连续不断地把待测样品送到仪器的样品池，样品从样品池漏斗的下端流入，待 样品池液面高出漏斗边缘时，液体就从漏斗边缘自由溢出，从而实现漏斗内部样 品的不断更新。这种装置使得样品与激发光的接触面积加大，促进了水中矿物油 的激发效率1 9 。尚丽平、史锦珊将光纤传感和计算机数据处理技术相结合，实时 在线测量水中矿物油浓度，系统由水下光纤测量探头和水上测量控制部分组成。 激发光和荧光的导入、导出由光纤实现。激发光源、光学系统、信号检测电路、 电源等均放置在水上仪器箱内，水下只有无电源和微型化的测量探头，突破了荧 光光度计庞大的水下拖曳体的传统模式。被测水体发射的荧光经光纤传输到测量 光耦合器、光谱滤光后，经光电转换、弱信号检测电路得到反映被测水中矿物油 浓度的电信号【l 引。单片机用作指挥和同步控制，以保证激发光源发光、光电转换 和弱信号检测电路协调工作并完成测量数据的处理、显示并与上位计算机通信。 荧光光谱法一直在油种鉴定、油探测以及油含量监测方面得到重视，持续进 行了激发光谱、发射光谱、同步光谱和三维光谱的研究，取得了一系列关于油的 成果。2 0 世纪7 0 年代美国环境保护局爱迪生工业废水处理研究室u w ef r a n k 运用 荧光光谱谱图鉴别原油，该方法能区分油种，且鉴别油不受自然条件的影响。1 9 7 7 年美国海岸警备队提出了用同步荧光光谱法鉴别油。国内2 0 世纪8 0 年代初期开始 研究荧光光谱法用于矿物油检测，9 0 年代后将荧光光谱谱图数字化，据此国家海 洋环境监测中心荧光光谱模式识别和荧光光谱向量空间距离模式识别法鉴别矿 物油，三维光谱相关技术用来测定多环芳烃，也可以作为各种荧光物质的指纹鉴 定，由各个激发波长下的发射谱组合构成三维荧光光谱刚l l 】。该谱图能够同时获 得荧光强度随激发波长和发射波长变化的关系，对于每一种不同的荧光物质，都 有其特有的三维荧光光谱信息，具有高选择性，可用于多组分混合物分析。但此 方法步骤复杂，所需时间较长，只适合在实验室中进行，不宜作为在线监测的测 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 量方法。荧光光谱技术被广泛应用于定性或定量分析水中的溶解有机物，油类污 染物，以及各种浮游植物生物量的监制。 1 5 研究的主要内容 水中油类分析是水质监测的重要分析指标，目前的测量方法主要有重量法、 红外法、紫外法、荧光法等，其中荧光法灵敏度高，选择性强，具有高效、远程、 环保的特点。由于水中油的成份复杂并且荧光信号很弱，需要一个高强度、无背 景干扰且输出稳定的激励光源和高灵敏的光电检测器；而人们多采用氙灯和光电 倍增管作为光源和检测器，需要光电隔离，屏蔽等一系列措施，使得系统结构变 得复杂，本课题采用发光二极管和光电二极管作为新的光源和检测器，结合功能 强大的c y p r e s s 公司的c y 8 c 2 7 6 4 3 _ 2 4 p v x i 单片机，设计了一套水中油光电检测系 统。文中主要研究内容如下： ( 1 ) 基于水中油化学结构和荧光特性的研究，选用合适波长检测范围的发光 二极管和光电二极管，使系统设计更为简便。 ( 2 ) 采用c y 8 c 2 7 6 4 3 - 2 4 p v x i 单片机和外围电路，设计一套矿物油浓度光电 检测系统，通过多组实验对比来分析光源，检测器等元件的作用和特性，并通过 实验研究不同油份在高浓度和低浓度条件下的线性和重复性，经拟合线性回归方 程验证实验重复性、线性较好。 ( 3 ) 作出三种油样的荧光激发光谱和发射光谱，经研究其最佳激发波长和发 射波长满足选用的光电器件范围，用c y c l o p s 7 荧光仪测量两种标准油样的线性和 重复性指标，经拟合线性回归分析系统工作稳定，线性较好。 ( 4 ) 在实验室条件下，用紫外分光光度法测量柴油和润滑油水样，作出吸收 光谱。拟合出不同油份在高浓度和低浓度下浓度与吸光度的线性回归方程，通过 与紫外荧光法的对比发现紫外荧光法具有污染较小，测量过程简单，灵敏度高， 检测周期短等特点，更适于测量水中油浓度。 天津大学硕士学位论文 第二章水中油检测理论基础 第二章水中油检测理论基础 2 1 物质对光的选择性吸收 构成物质的分子、原子或离子具有确定的组成或结构，因而具有一系列不连 续的量子化的特征能级，当物质受到光的照射时，如果某种光子的能量( h 丫) 恰好 等于它的某两个特征能级之差，这种光子的能量便会转移到该物质上，即该物质 吸收了这种光子，并从能量较低的状态( 通常为基态) 跃迁至能量较高的状态一 一激发态： m ( 基态) + h y 斗m + ( 激发态) 激发态不稳定，在1 0 - 8 s 左右又会回到基态，同时以光、热、荧光等形式释放出 能量。这说明只能吸收能量等于其特征能级差的光。不同物质的特征能级不同， 它们所能吸收的光的颜色或波长也不相同，这就是物质对光的选择性吸收的实 质。 当一束平行单色光通过单一均匀的、非散射的吸光物质溶液时，溶液的吸光 度与溶液浓度和液层厚度的乘积成正比。 朗伯一比耳定律是光度分析法定量的基本依据，它的数学表达式为： 川g 争= a b c ( 2 - i ) 式中，a 为吸光系数，在一定条件下为一常数；吸光度a 为无因次量；液层厚度b 的单位为锄；若浓度c 的单位为g l 一，则a 的单位为l g - 1 c m ：若浓度单位取 t o o l l - 1 ，则此时的吸光系数叫做摩尔吸光系数，并改用来表示，其单位为l m o l - 1 c m 一。此时朗伯一比耳定律可表示为： a = 6 b c ( 2 - 2 ) 是吸光物质在特定波长、溶剂和温度条件下的一个特征常数，它在数值上等于 i m o l l - 1 的吸光物质在i c m 长的吸收过程中的吸光度，是吸光物质吸光能力大小 的量度。它能够反映测定方法的灵敏度的高低，越大，灵敏度越高。e 与吸光物 质本身的特性有关，在相同条件下，同种吸光物质的相同，因此也是定性鉴定 物质的参数之一【1 2 。 天津大学硕士学位论文第二章水中油检测理论基础 2 2 荧光分析法原理 紫外吸收光谱是由于分子中价电子的跃迁而产生的。有机化合物的紫外吸收 光谱取决于组成化学键或可能组成化学键的价电子的性质。在有机化合物分子中 与紫外吸收光谱有关的价电子有3 种：形成单键的6 电子；形成双键的兀电子； 氧，氮，硫，卤素等含有的未成键的孤对电子，也称为1 1 电子。当这些价电子吸 收辐射能后，将跃迁到较高的能级( 激发态) ，此时电子所占的轨道称为反键轨 道，这种特定的跃迁同分子内部结构有着密切的关系。有机化合物的紫外吸收带 是由于分子中某些基团的存在而产生的，每一个基团都具有特征的吸收带。这些 基团称为生色团，例如c = c ，c = o ，s = c ，c = n ，n = n ，n = o 等。饱和烃只有a 键电子，因此只能产生d 一6 。迁，由于电子结构稳定，跃迁时需要的能量高，因 而一般在远紫外区( 1 0 , - 2 0 0 n m ) 才有吸收带。共轭系统愈长，跃迁所需的能量愈少， 吸收峰的波长也就愈长，以至从无色变为有色，吸收峰进入可见光区，吸收强度 也增加。芳香族化合物为环状共轭体系。苯在l8 5 n m ( e = 4 7 0 0 0 l m o l - 1 c l t i - 1 1 和 2 0 4 n m ( e = 7 9 0 0l - m o l _ 1 c m - 1 ) 有强吸收带( e l ，e 2 带) ，这是由7 【川和振动效应重 叠所引起的吸收，是由苯环结构中3 个乙烯的环状共轭系统的跃迁所产生的，是 芳香族化合物的特征吸收。线型的多环芳烃有精细结构的吸收带，结合的环越多， 则吸收峰越向长波移动。 当某些物质被光照射后，它会吸收某些频率的光，而发射出波长更长的光， 当照射光停止时，发射光也随即消失，这就是荧光现象，它所产生的发射光叫做 荧光。 分子荧光常常发生在具有某些特定结构( 如含有触共轭体系) 的分子中， 当这些处于基态能级的分子吸收了一定频率的光之后，便被激发至其电子激发态 能级中的某个振动能级，然后通过相互碰撞或和其他分子( 如溶剂分子等) 碰撞 而消耗了这些振动能级之间的能量，急剧降至激发态的最低振动能，这种跃迁称 为无辐射跃迁，他不会发光。当电子激发态的最低振动能级继续下降至基态的各 个不同的振动能级时，则以荧光的形式发出能量。较高的基态振动能级的分子再 经过分子间的碰撞失去部分能量回到最低基态振动能级。由于荧光的能量比激发 光的能量略小，故荧光的波长稍长于入射光波长。 分子产生荧光的条件是分子必须有产生电子吸收光谱的特征结构和较高的 荧光效率。许多物质不发生荧光，这是由于该物质吸光后的分子荧光效率不高， 而将所吸收的能量消耗于与溶剂分子或其他溶质分子之间的相互碰撞，因此无法 发出荧光。荧光效率也称为荧光量子产率，它表示所发出荧光的光子数和所吸收 激发光的光子数的比值。 天津大学硕士学位论文第二章水中油检测理论基础 荧光效率( m ) = 该盖蒜霸羁器 q 一3 ， 由朗伯一比耳定律可以推导出对于很稀的溶液，荧光强度和浓度的关系服从 下式： f = r d o 幻l ( 2 4 ) 式中，f 为荧光强度，k 为比例常数，i o 为激发光强度，k 为吸光系数，c 为待测组 分浓度，l 为液层厚度。 此式说明，在很稀的溶液和固定的液层厚度的情况下，荧光强度和溶液浓度 成正比。这就是荧光分析定量的基本依据。此式还可看出，荧光强度和入射光强 度成正比，增强i o 可以提高分析灵敏度。当溶液浓度很稀时，吸光度a 很小而难 于测定，故其灵敏度不太高。而荧光分析法可采用足够强的光源和高灵敏度的检 测放大系统，从而获得比分光光度法高得多的灵敏度。 在不同的溶剂中，荧光物质的荧光光谱的位置和强度会有显著地差异。一般 来说，荧光峰的波长随溶剂的介电常数增大而增大，强度随溶剂极性的增大而增 强。有时某种物质分别在两种溶剂中均不产生荧光，而在混合溶剂中却会产生很 强的荧光【1 2 】。 由于荧光物质分子与溶剂分子或其他溶质分子的相互作用，引起荧光强度降 低的现象，称为荧光的猝灭。引起荧光猝灭的物质称为猝灭剂。荧光物质溶液浓 度大时，还常发生自猝现象。 2 3 水中油的荧光特性 一般来说，水中燃料油分为两类，柴油污染和汽油污染，柴油类污染物，如 l 拌柴油，由直链和支链重脂类化合物组成，具有高沸点且不易挥发，汽油类污染 物如无铅汽油和航空汽油，由多种芳烃化合物组成，苯，甲苯，乙苯和脂类化合 物通常沸点不高，汽油类物质污染更为严重因为芳烃化合物有毒性引。柴油或者 原油组成包含芳烃类，菲和蒽系物，原油种类从无色到黑色，其中一些在室温下 是固态，大多数石油类物质都可发出荧光，因为它们含芳烃化合物，因此荧光技 术可用于快速，无损检测。k i h l e 平l s t a s i u k 都利用微分光方法非接触式测量天然 碳氢化合物和人工合成的碳氢化合物的荧光光谱。荧光法可用于测定石油中如对 环境影响很大的多环芳烃化合物确定结构。荧光分光光度计上高强度激发光可远 距离测量荧光传感器上发射光强度和海水表面原油发出荧光寿命【1 4 1 。 石油物质荧光特性决定于其物理和化学组成，重油在荧光发射带有较广范围 并发生红移，这是由于重油中荧光团浓度较高导致碰撞中能量以高速率传递，发 天津大学硕士学位论文第二章水中油检测理论基础 射光谱产生红移。相反地，轻质油荧光团浓度较低，能量传递较慢且发射带较窄， 所以重油荧光寿命比轻质油短【l 引。 海水中原油和溶解油检测的理论基础是许多有机物在特定波长激发光和发 射光下会发出荧光，例如，腐殖质在激发波长2 3 0 2 6 0 h m 范围内会发出 3 2 0 3 5 0 n m 范围的荧光，蛋白质在2 2 0 n m 和2 7 5 n m 激发光下会发出3 0 0 3 5 0 n m 范 围的荧光，此外，多环芳烃在波长2 4 5 2 8 0 n m 激发光照射下，发出波长3 1 0 - 4 0 0 n m 的荧光，荧光波长决定于芳烃的环数i t s 。 在2 6 年前，紫外荧光法就已用于自然水体中油浓度的检测，这些荧光法几 乎都是提取水样，使用溶剂将油萃取出来，海水中分散油是很复杂的成分，要使 用一系列物化方法才可以清除，海水水样中包含溶解油和分散油，使用溶剂提取 过程会有所不同。尽管紫外荧光法是非常灵敏的检测油的方法，不同提取过程发 出荧光的官能团也不同【1 6 】。 溶于正己烷中油的紫外荧光光谱 七种油( f e d e r a t e d ，b r e n tb l e n d 。g u l l f a k s ，a r a b i a nm e d i u m ，p r u d h o eb a y , m a y a ， i f o3 0 0 ) 混合，这种油样溶于正己烷中，在2 0 m l 加金属盖的玻璃瓶中振荡至浓 度为1 0 0 m g f l 。 使用p t i ( p h o t o nt e c h n o l o g yi n t e r n a t i o n a l ) 光谱仪并运行f e l i x 软件即可作 出油的紫外荧光光谱，使用5 m l 移液管将约3 m l 溶解油置入荧光分光光度计中的 比色皿中，为作出激发光谱，将发射波长定于4 8 0 2 n m 处，激发波长在 2 2 0 - 4 6 0 n m 范围内扫描，在所有油中产生最高发射峰值的最佳激发波长是 3 2 0 n m ，这个波长在士2 n m 范围内适用于发射波长在3 4 0 n m 5 0 0 n m 范围内扫描， 将发射波长定于4 8 0 n m 处，这七种油在中心波长3 2 0 n m 处紫外区具有很宽的 激发光谱，当激发波长定于3 2 0 r i m 处时，发射光谱具有相似的形状，荧光峰值在 3 5 0 n m 至4 5 0 n m 之间，可以认为发射光谱范围从3 5 0 n m 至4 5 0 n m 1 6 1 。荧光光谱如 图2 1 所示。 图2 1 正己烷中七种原油发射光谱( 激发波长定于3 2 0 2 n i i l 处，油浓度l o o m g l 一1 ) - l l 天津大学硕士学位论文第二章水中油检测理论基础 矿物混合油光谱和海水中油的光谱 将激发波长定于3 2 0 n m 处，混合油和海水中f e d e r a t e d 油和正己烷中溶解油 的发射光谱有很大不同，在海水中，荧光广泛主峰值在4 5 0 n m 处，第二峰值在 3 5 5 n m 处。荧光光谱如图2 2 所示。 w a v o l o n g 恤( r i m ) 图2 - 2 正己烷中原油，海水中溶解分散油和海水中混合油的发射光谱( 激发波长定于 3 2 0 士2 n m 处) 2 4 水中油检测方法和装置 原油是由多种不同极性和重量分子组成的烃类和杂环有机化合物组成的混 合物，原油经物理和化学精炼过程可转换成多种不同产品，精炼的第一道工序是 分馏和蒸馏，根据不同沸点可分出如汽油，石脑油，柴油等不同组分。随着沸点 的增高，碳原子数和成分的复杂性都增多，汽油，石脑油，柴油都可以用分光方 法检测并且不需要较长时间的预处理，因此，许多分光方法如近红外法，红外法， 拉曼光谱技术并结合多元测量方法都可用于石油和石化产品物化特性的分析【”7 1 。 紫外荧光法是可用于检测海水中许多有机化合物的快速，灵敏的方法。就像 p a t r a 和m i s h r a 所指出的，荧光法是一种很有效的方法，因为它不像其它分光方法 如紫外分光，红外，拉曼散射，核磁共振等要进行提取和浓缩过程 i s 】，当用于水 样检测时，紫外荧光法可检测出水中溶解有机物，荧光光谱也可用于检测水中原 油浓度。k e p k a y 等人已经使用紫外荧光法来区别海水中分散油和混合的矿物油。 f r a n kf f i i n g e l ，g e l b k e 等人设计的深水荧光仪检测信号流程如图2 3 所示。 li基c罩ou备lx一 88莹oj匠王。堪=o堇2篁a 天津大学硕士学位论文第二章水中油检测理论基础 积 分 器 蝰 值 检 测 门 控 装 置 同 步 控 制 对 数 放 大 采 样 保 持 图2 - 3 信号处理流程 v i 转 换 漂 移 补 偿 图2 - 3 中，积分器用于将光电流积分；峰值检测是检测积分光电流的峰值， 用于保持一段时间光信号峰值：门控装置用于连接光电二极管和峰值检测的中间 信号传输通道，用于控制信号传输；同步控制是使较短时间间隔内信号传输与脉 冲光产生的荧光发射脉冲同步发生；对数放大器用来接收积分光电流峰值信号并 得到光电流峰值信号的对数；采样保持电路用于采样保持积分光电流峰值信号的 对数，采样的同时门控信号传输并且保持的积分光电流峰值信号已经由对数放大 器处理，最后得到的是电压值；电压一电流转换器是将采样保持的电压值转换为 相应的电流值并通过电缆传输接收器的输出信号；漂移补偿自动控制通过对数放 大输出信号反馈调节峰值输入信号1 1 引。 史丽娟，王丽荣等设计了溢流式采样器实现水中油在线测型2 0 j ，系统组成如 图2 - 4 所示。 夸 图2 - 4 溢流式采样器 如图2 - 4 所示，溢流式采样器包括由光源、透镜、滤光片、光电检测器等组 成的光路系统和进样漏斗。光路系统分成三个通道：基准通道、激发通道和荧光 通道。水从进样漏斗下方以一定的速度流入，在进样漏斗的周边溢出，在进样漏 斗上形成一个平坦的水平面。整个光路都在进样漏斗的上方。接收光轴与进样漏 斗的法线夹角为6 0 0 。入射光轴和接收光轴安放在进样漏斗的两侧。在基准通道 天津大学硕士学位论文第二章水中油检测理论基础 中，紫外光源发出的光通过透镜( 1 ) ，接着通过滤光片( 1 ) 将所需要的单色光分离 出来。然后单色光被切光片反射到基准通道的光电检测器( 1 ) 中。该检测器产生 的电信号作为基准信号，用来校正光源亮度的调整值，并启动信号检测和处理电 路。在激发通道中，紫外光源发出的光将通过透镜( 1 ) 、激发通道的滤光片( 1 ) 、 切光片照射到进样漏斗的水面上。在荧光通道中，水中的油( 碳氢化合物) 受到 紫外光照射激发后发出荧光将通过滤光片( 2 ) ，接着到达透镜( 2 ) ，然后光辐射将 到达荧光通道的光电检测器( 2 ) 。由该检测器产生的电信号叫做荧光信号，它取 决于溶液中分析物的浓度和成分，光电检测器采用光电倍增管，它输出的微弱信 号经过电流一电压变换器变成电压信号，输入到第二级放大器。第二级放大器是 变增益放大器，根据输入信号大小在微计算机的控制下可改变增益，然后输入到 有源滤波器中，改善其信噪比，最后输入至m j a o 转换器中，数据使用l c d 显示， 与p c 机间通信采用r s 一4 8 5 接e l 实现长距离传输【2 0 l 。信号处理流程如图2 5 所示。 光 电流 变有 电 电压 增源 d 检 变 益滤 转 测 换 放 波 换 器大器 器 器 图2 - 5 信号处理流程 测量水中油浓度有许多不同方法，t u r n e r 公司的流动荧光仪已经在全球广泛 应用于检测油污染的程度，这种检测器的特点是应用广泛，检测限低，无需采样。 然而，相对于传统的实验室分析方法，流动荧光法在科学界还没有广泛用于石油 浓度的检测【2 n 。其中一项主要的缺点是仪器测量信号与水中油浓度真实值之间的 关系。油是由上百种不同化合物组成的，然而其中只有一部分芳烃化合物可发出 荧光。油中芳烃的比例不同，荧光计必须使用一种标准油来校准，使用不同的分 析方法来检测石油类化合物浓度可用于分析这些方法之间的关系和比较现场数 据和实验室数据。此外，通过检测水中分散油的化合物，可以更好的理解水中分 散油的化学分析过程【2 2 】。 天津大学硕士学位论文 第三章荧光检测系统的搭建 3 1 检测系统组成 第三章荧光检测系统的搭建 如图3 1 所示，使用溶剂将水样中油萃取出来，用容量瓶定容成待检测油溶 液，样品池采用光程为l c m 的石英比色皿，在紫外区必须采用石英池以通过10 0 的紫外光，水中油若含芳烃就可用荧光的方法来定量测量油的含量，其原理是芳 烃化合物在吸收特定波长激发光后会立刻发出波长更长的荧光，油的浓度越高， 产生的荧光越强，所以利用这一特性可以精确监测水中油含量。本系统中采用发 光二极管作为激发光源发出一定波长的紫外光照射到石英比色皿上，比色皿中的 荧光物质被激发而发出荧光，荧光经滤光片，聚光物镜会聚于光电二极管上，再 接入信号检测系统以实