CN101975767B - 一种测定水环境中溶解性有机物与金属离子结合潜势的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种利用荧光淬灭法结合平行因子分析确定水环境中溶解性有机物与金属离子结合潜势的方法。先将水样过0.45μm滤膜，滤液中的有机物为溶解性有机物，加入金属离子标液，避光反应后分析其荧光特征。荧光数据经标准化处理后，在MATLAB 7.0平台上进行平行因子计算，对计算结果进行回归分析后，得到各组分荧光物质与金属离子的络合特征的信息。本发明利用平行因子分析解构溶解性有机物中相互叠加特征峰，将传统荧光淬灭法的应用范围由“简单荧光物质-淬灭剂体系”推广到“复杂荧光物质-淬灭剂体系”，具有快速、简便、灵敏、普适性强，无需复杂的样品前处理等优点，且测试过程绿色、价廉，具有相当的应用前景。

Description

一种测定水环境中溶解性有机物与金属离子结合潜势的方法

技术领域

本发明涉及一种利用荧光淬灭法结合平行因子分析确定水环境中溶解性有机物与金属离子结合潜势的方法，属于环境监测领域中的分析方法。

背景技术

溶解性有机物(Dissolved Organic Matter，DOM)广泛存在于各类天然水体中，其活跃的反应特征，使其成为水环境中各类物质发生迁移转化的重要载体。金属，在环境中不能被降解，其环境行为和可能存在的环境风险很大程度上由其存在形态决定。而其与DOM的结合，能够生成有机金属络合物，从而影响其毒性、生物可利用性和迁移特性等。因此，人们希望能够准确地了解DOM与金属离子的结合特征的信息。

测定DOM与金属离子结合潜势的方法较多，其中经典的方法是在水样中滴加不同浓度的金属离子标样，采用离子选择电极(ion-selective electrodes，ISE)测定溶液中游离的金属离子含量，从而确定金属离子与DOM的络合容量。但是，该方法受到电极的限制，一方面有些金属(如Zn)并没有相应的选择性电极；另一方面，由于电极灵敏度的限制，对于液相中痕量自由态金属离子的分析不甚灵敏。而自然水环境中，金属离子多处于低浓度范围。

荧光光谱，是一种快速、简单、灵敏、非破坏性的分析技术。金属离子是著名的荧光淬灭剂，其与荧光物质结合会产生荧光淬灭，因此，荧光淬灭法广泛应用于金属离子与荧光物质结合特征的分析。随着三维荧光光谱技术的发展，仪器灵敏度得到了很大提高，利用三维荧光淬灭法分析DOM与金属离子结合潜势在灵敏度具有很大的优势。然而，DOM的另一大特征就是异质性，组成极为复杂，富含大量不同种类的荧光物质，其三维荧光谱图常伴随着严重的峰与峰之间的叠加，仅靠传统的目视对特征峰的辨别，显然无法精确、全面地表征样品的实际荧光特征，利用特征峰强度的变化定量分析DOM与金属离子的络合常数、络合容量等信息更是无从谈起。

因此，急需开发一种三维荧光数据解构的方法，联合荧光淬灭技术，用于DOM与金属离子结合潜势的测试与分析。

发明内容

针对DOM荧光峰的叠加问题，本发明的目的是提供一种利用荧光淬灭法，采用平行因子分析法(PARAFAC)辅助三维荧光数据的解构，测定水环境中溶解性有机物与金属离子结合潜势的方法，从而更为准确、全面地表征DOM与金属离子的结合特征，同时将荧光淬灭法由简单荧光物质-淬灭剂体系推广到复杂荧光物质-淬灭剂体系。

为达到以上目的，本发明对各种多维化学计量学计算模型的研究发现，PARAFAC可以很好地将三维数据解析成为三线性组分。其计算主要利用交替最小二乘原理，通过三线性分解迭代步骤获得最小二乘解。分解方程如下：

i＝1，2...，I；j＝1，2，...，J；k＝1，2，...，K

其三维参数恰好对应于三维荧光光谱的三维数据，式中F表示测量体系的总因子数(实际对荧光有贡献的组分数以及背景干扰因子数之总和)；x_ijk是三维数据阵中的元素(i，j，k)，它表示样本k在荧光激发光谱通道为i、发射光谱通道为j时的荧光强度；a_if是相对激发光谱阵A(I×F)中的元素(i，f)；b_if是相对发射光谱阵B(J×F)中的元素(j，f)；c_if是相对浓度阵C(K×N)中的元素(k，f)；ε_ijk是残差阵E(I×J×K)中的元素(i，j，k)。

平行因子分析方法能够对荧光基团进行解析，将重叠的荧光峰进行分离，得到荧光成分的激发光谱矩阵和发射光谱矩阵，并通过其得分矩阵对其浓度进行相对定量，从而解决DOM荧光峰的叠加问题。

本发明所使用的三维荧光淬灭结合平行因子分析的方法具有适用性广、灵敏度高、快速简便、准确全面等优点，可以同时提供DOM中各个独立组分与金属离子结合强度、结合容量等信息，为理论研究提供强大工具的同时，在仪器的开发集成上具有广阔的应用前景。

本发明的技术方案如下：

A.水样的预处理

将采集的水样过0.45μm的滤膜，滤液中的有机物为溶解性有机物，按滤液总有机碳含量进行稀释；

B.荧光滴定

将稀释后滤液放入棕色的反应器中，加入金属离子标准溶液，置于恒温振荡培养箱内反应；

C.三维荧光光谱测定(3D-EEM)

将反应后溶液在三维荧光光谱仪上测试其荧光特征，得到样品的原始荧光数据；

D.荧光数据的标准化处理

采用软件ActivePerl对原始荧光数据进行标准化处理；

E.标准化荧光数据的平行因子分析(PARAFAC)

标准化荧光数据在MATLAB 7.0平台上进行PARAFAC计算，得到最优组分数及各组分的荧光强度数据；

F.各组分有机物与金属络合常数的计算

采用有机物与金属离子1∶1络合的化学计量学模型，将上述计算结果在SPSS 13.0工作平台上进行非线性回归拟合分析，计算得到各组分中有机物与金属的络合常数。

所述的水样包括：取自于河流、湖泊、地下水、海洋、雨水的自然水环境中的样品，以及取自于城市生活污水和工业废水在产生、收集运输、处理与排放各阶段的水样，其总有机碳的含量大于1mg/L；并控制稀释后水样的总有机碳含量在1-20mg/L。

所述的反应器本身荧光物质的溶出小于三维荧光光谱仪的检测限，以超纯水和0.005-0.05mol/L醋酸溶液48h溶出前后荧光特征峰变化来判定。

所述的金属离子包括：Fe、Al、Ca、Mg、Cu、Pb、Cd、Ni、Zn和Hg；金属离子标准溶液是采用分析纯及以上纯度的金属氯化物或硝酸盐溶于超纯水配置而成，浓度为0.01mol/L和0.1mol/L，每个样品控制5-20个金属离子浓度梯度，其浓度范围在1-200μmol/L，标液滴定用量在1-100μL。

所述的恒温振荡培养箱内反应的条件为：反应时间1-48h，控制温度为25±0.1℃，振荡器转速为100-300r/min。

所述的三维荧光光谱仪仪器参数设置为：激发波长范围为200-450nm，发射波长范围为250-500nm，狭缝宽度为5nm，扫描速度为1200nm/min，运行模式为Scan模式，每隔2nm取一个点，先分析超纯水的荧光值，测试样品前扣除空白样品(超纯水)的荧光值，得到样品的原始荧光数据。

所述的采用软件ActivePerl对原始荧光数据进行标准化处理具体操作如下：采用软件ActivePerl首先去除瑞利与拉曼散射，然后将去除散射后的荧光数据除以其总有机碳的含量，并采用“”替换荧光数据中的上三角背景值，用“0”替换荧光数据中的负数，得到单位有机物含量的标准化荧光数据。

所述的标准化荧光数据在MATLAB 7.0平台上进行PARAFAC计算具体操作如下：将获得的一系列标准化荧光数据按滴定金属浓度顺序由低到高排列在一个数据文件中，采用N-way工具包与DOMFluor扩展工具包对标准化荧光数据进行PARAFAC分析计算，包括：离群样品的辨认与去除、组分数为2-10的计算及模型的验证，得到最优组分数及各组分的荧光强度数据；其中N-way工具包与DOMFluor扩展工具包可从www.models.life.ku.dk获得的免费工具包。

所述的平行因子分析法(PARAFAC)中计算与验证最优组分数是采用残差分析(Residualanalysis)、分半分析(Split half analysis)和目视检验(Visual inspection)。

所述的有机物与金属离子1∶1络合的化学计量学模型的计算公式为：

$I=I_0+(I_{\mathrm{ML}}-I_0)\left(\frac{1}{2K_M{C}_L}\right)(1+K_M{C}_L+K_M{C}_M-\sqrt{{(1+K_M{C}_L+K_M{C}_M)}^2-4{K_M}^2{C}_L{C}_M})$

其中，I：荧光强度，C_M：金属离子浓度，C_L：络合剂浓度，K_M：稳定常数，I_ML：极限荧光强度(再加金属离子，荧光强度基本不变)。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

1.本发明将传统的荧光淬灭法从简单荧光物质-淬灭剂体系推广到复杂荧光物质-淬灭剂体系，具有很广的普适性；

2.本发明与其它测试方法相比，具有快速、简便、灵敏、高效、原位、无需复杂的样品前处理等优点，且测试过程绿色、价廉，结果可以提供更为准确、全面的结合特征方面的信息，同时可以提供样品本身荧光物质组成的信息，符合现代分析方法的需要。

附图说明

图1表示平行因子分析得到的组分1的荧光光谱图

图2表示平行因子分析得到的组分2的荧光光谱图

图3表示平行因子分析得到的组分3的荧光光谱图

图4表示平行因子分析得到的组分4的荧光光谱图

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步的阐述，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。

实施例

9个现场样品分别取自城市生活垃圾收集、运输、贮存、焚烧处理、填埋处置各阶段产生的沥出液，以及对沥出液的处理后出水。将采集的水样过0.45μm的滤膜，滤液中的有机物为溶解性有机物，采用有机碳分析仪测定样品的总有机碳含量后，采用超纯蒸馏水将过膜后的沥出液稀释到总有机碳含量在10.0mg/L的水平。

每个样品分析4种金属离子，分别为Cu、Pb、Zn、Cd，每种金属离子取10个浓度梯度(分别为1、3、5、10、15、20、30、50、100μmol/L)，加上空白样品总共369个测试样品。将25mL稀释后水样与金属离子标液依次加入棕色反应器后，加盖密封反应器置于恒温振荡培养箱内反应24h，控制温度为25±0.1℃，振荡器转速为150r/min。其中，金属标液采用0.01mol/L或者0.1mol/L的Pb(NO₃)₂，Cu(NO₃)₂，Zn(NO₃)₂，Cd(NO₃)₂溶液，金属离子浓度在1-100μmol/L(分别为1、3、5、10、15、20、30、50、100μmol/L)，加入量控制在1-50μL之间不等，溶液pH基本保持恒定。反应后，采用三维荧光光谱仪分析369个样品的荧光光谱(扣除超纯水的荧光值)，仪器参数设置为：激发波长范围为200-450nm，发射波长范围为250-500nm，狭缝宽度为5nm，扫描速度为1200nm/min，运行模式为Scan模式，每隔2nm取一个点，得到369个原始荧光数据。

采用软件ActivePerl去除原始荧光数据中的瑞利与拉曼散射，将去除散射后的荧光数据除以其总有机碳的含量，采用“”替换荧光数据中的上三角背景值，用“0”替换荧光数据中的负数，得到单位有机物含量的标准化荧光数据用以平行因子分析。

将369个标准化荧光数据按滴定金属浓度顺序由低到高排列放入一个excel文件中，同时将激发波长与发射波长的数据放在另两个excel文件中。在MATLAB 7.0(Mathworks，Natick，MA)工作平台上，利用N-way工具包与DOMFluor扩展工具包调用上述三个数据文件进行平行因子计算，包括：离群样品的辨认与去除、组分数为2-10的计算及模型的验证，验证采用残差分析(Residual analysis)、分半分析(Split half analysis)和目视检验(Visual inspection)，从而得到最优组分数为4，以及4个组分的荧光强度数据。最后，在SPSS 13.0工作平台上，将不同样品不同组分不同金属在10个浓度梯度下的数据分别带入有机物/金属(1∶1)计算模型

$I=I_0+(I_{\mathrm{ML}}-I_0)\left(\frac{1}{2K_M{C}_L}\right)(1+K_M{C}_L+K_M{C}_M-\sqrt{{(1+K_M{C}_L+K_M{C}_M)}^2-4{K_M}^2{C}_L{C}_M})$

以I、I₀、C_M回归计算得到I_ML、K_M和C_L。

其中，4个组分的荧光图见附图，图1表示平行因子分析得到的组分1的荧光光谱图；图2表示平行因子分析得到的组分2的荧光光谱图；图3表示平行因子分析得到的组分3的荧光光谱图；图4表示平行因子分析得到的组分4的荧光光谱图。

一种样品的络合常数见表1。

表1一种样品的络合常数

“()”中数值为非线性拟合的R²，“/”表示该组分的荧光随金属离子的加入并未发生淬灭效应，“Not model”表示1∶1计量关系的络合模型不适合于表述该组分与金属离子的络合特征，表中样品为取自一个卫生填埋场的长填龄渗滤液(5-10年)。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种测定水环境中溶解性有机物与金属离子结合潜势的方法，其特征在于：

A.水样的预处理

将采集的水样过0.45μm的滤膜，滤液中的有机物为溶解性有机物，按滤液总有机碳含量进行稀释所述的水样包括：取自于河流、湖泊、地下水、海洋、雨水的自然水环境中的样品，以及取自于城市生活污水和工业废水在产生、收集运输、处理与排放各阶段的水样，其总有机碳的含量大于1mg/L；并控制稀释后水样的总有机碳含量在1-20mg/L；

B.荧光滴定

将稀释后滤液放入棕色的反应器中，加入金属离子标准溶液，置于恒温振荡培养箱内反应；所述的金属离子包括：Fe、Al、Ca、Mg、Cu、Pb、Cd、Ni、Zn和Hg；金属离子标准溶液是采用分析纯及以上纯度的金属氯化物或硝酸盐溶于超纯水配置而成，浓度为0.01mol/L和0.1mol/L，每个样品控制5-20个金属离子浓度梯度，其浓度范围在1-200μmol/L，标液滴定用量在1-100μL；

C.三维荧光光谱测定

将反应后溶液在三维荧光光谱仪上测试其荧光特征，得到样品的原始荧光数据；所述的三维荧光光谱仪仪器参数设置为：激发波长范围为200-450nm，发射波长范围为250-500nm，狭缝宽度为5nm，扫描速度为1200nm/min，运行模式为Scan模式，每隔2nm取一个点，先分析超纯水的荧光值，测试样品前扣除空白样品的荧光值，得到样品的原始荧光数据；

D.荧光数据的标准化处理

采用软件ActivePerl对原始荧光数据进行标准化处理；所述的采用软件ActivePerl对原始荧光数据进行标准化处理具体操作如下：采用软件ActivePerl首先去除瑞利与拉曼散射，然后将去除散射后的荧光数据除以其总有机碳的含量，并采用空白替换荧光数据中的上三角背景值，用“0”替换荧光数据中的负数，得到单位有机物含量的标准化荧光数据。

E.标准化荧光数据的平行因子分析PARAFAC

标准化荧光数据在MATLAB 7.0平台上进行PARAFAC计算，得到最优组分数及各组分的荧光强度数据；

F.各组分有机物与金属络合常数的计算

采用有机物与金属离子1∶1络合的化学计量学模型，将上述计算结果在SPSS 13.0工作平台上进行非线性回归拟合分析，计算得到各组分中有机物与金属的络合常数。

2.根据权利要求1所述的一种测定水环境中溶解性有机物与金属离子结合潜势的方法，其特征在于，所述的反应器本身荧光物质的溶出小于三维荧光光谱仪的检测限，以超纯水和0.005-0.05mol/L醋酸溶液48h溶出前后荧光特征峰变化来判定。 

3.根据权利要求1所述的一种测定水环境中溶解性有机物与金属离子结合潜势的方法，其特征在于，所述的恒温振荡培养箱内反应的条件为：反应时间1-48h，控制温度为25±0.1℃，振荡器转速为100-300r/min。

4.根据权利要求1所述的一种测定水环境中溶解性有机物与金属离子结合潜势的方法，其特征在于，所述的标准化荧光数据在MATLAB 7.0平台上进行PARAFAC计算具体操作如下：将获得的一系列标准化荧光数据按滴定金属浓度顺序由低到高排列在一个数据文件中，采用N-way工具包与DOMFluor扩展工具包对标准化荧光数据进行PARAFAC分析计算，包括：离群样品的辨认与去除、组分数为2-10的计算及模型的验证，得到最优组分数及各组分的荧光强度数据；其中N-way工具包与DOMFluor扩展工具包可从www.models.life.ku.dk获得的免费工具包。

5.根据权利要求1所述的一种测定水环境中溶解性有机物与金属离子结合潜势的方法，其特征在于，所述的平行因子分析法中计算与验证最优组分数是采用残差分析、分半分析和目视检验。

6.根据权利要求1所述的一种测定水环境中溶解性有机物与金属离子结合潜势的方法，其特征在于，所述的有机物与金属离子1∶1络合的化学计量学模型的计算公式为：

其中，I：荧光强度，C_M：金属离子浓度，C_L：络合剂浓度，K_M：稳定常数，I_ML：极限荧光强度。 

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