CN104964954A - 一种应用荧光光谱测定河流水体中总氮浓度的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种荧光光谱测定河流水体中总氮浓度的方法。地表水分类中，最低溶解氧浓度为2mg/L，因此地表水体修复过程中需要维持较高的溶解氧浓度。污染河流中溶解性有机物（DOM）是主要的污染物质，在水体中溶解氧浓度较高的情况下，通过荧光光谱扫描DOM得到高激发波长的类酪氨酸的荧光强度与总氮的浓度有较好的相关性，当溶解氧浓度为5.5mg/L时，两者相关系数为r2=0.953，说明可以通过荧光光谱扫描快速测定水体总氮的浓度。解决因化学方法测定总氮浓度而带来的耗时、耗能和二次污染问题。

Description

一种应用荧光光谱测定河流水体中总氮浓度的方法
技术领域
本发明涉及一种利用荧光光谱测定河流水体中总氮浓度的方法，可被用于溶解氧较高的河流水质监测领域和水体修复工程中总氮的测定。
背景技术
河流污染多数属于外源污染，其中氮的来源主要来自于有机物，其中氨氮是最主要的形态。受污染的河流中氧的浓度很低，不利于氮的形态的转化，因而在受污染的河流中氮很难得到去除。氮是引起水体富营养化的主要诱因，要解决水体富营养化问题，首先要从水体中去除氮。
目前多采用人工曝气的方法增加河流的溶解氧，进而来解决富营养化问题。但总氮浓度的检测主要是化学方法，氮的化学测量耗时、耗能且宜造成二次污染。荧光光谱因具有高选择性和灵敏度及检测快速等优点而被广泛用于江河、湖泊及污水等研究中。目前，通过三维荧光技术对DOM（溶解性有机物）特征峰荧光强度进行定量分析，可以建立荧光强度与DOC、溶解氧（DO）的关系并且能有效示踪有机物污染程度。
发明内容
本发明的目的在于利用三维荧光光谱技术提供一种快速检测总氮浓度的方法。
为实现上述目的本发明采用如下方案：
（1）取河流水体水样进行荧光光谱扫描，测定光谱中高激发波长类酪氨酸的荧光强度x；荧光光谱的参数为：Ex/Em=250～450nm/260～380nm；
（2）根据在溶解氧为5.5 mg/L时建立的高激发波长类酪氨酸的荧光强度x与总氮y的浓度之间的线性关系，线性方程为： y=0.053x-3.254，相关系数为r 2=0.953，计算得到总氮浓度。
所述的一种荧光光谱测定河流水体中总氮浓度的方法，其特征在于：步骤（1）中所述的荧光分光光度计采用日立F-7000型，测定条件：电压为700 V；扫描范围：激发波长Ex=200～450 nm，发射波长Em=250～550 nm；狭缝宽度：Ex=5 nm，Em=5 nm；扫描速度：2400 nm/min；响应时间：自动；实验空白水为Milli-Q超纯水。
所述的一种荧光光谱测定河流水体中总氮浓度的方法，其特征在于：步骤（1）中所述的荧光光谱划分为5个区域，分别为：A区域：Ex/Em=250～450nm/260～380nm；B区域：Ex/Em=200～250nm/260～320nm；C区域：Ex/Em=200～250nm/320～380nm；D区域：Ex/Em=200～250nm/＞380nm；E区域：Ex/Em=250～450nm/＞380nm。各区域主要物质形式如下：A-高激发波长的类酪氨酸；B-低激发波长的类酪氨酸；C-低激发波长的类色氨酸；D-紫外光区的类富里酸；E-可见光区的类富里酸。
所述的一种荧光光谱测定河流水体中总氮浓度的方法，其特征在于：步骤（2）中所述的当溶解氧浓度为5.5 mg/L时，两者之间的线性方程为：y=0.053x-3.254，其中x为吸光度，y为总氮浓度，单位为：mg/L，相关系数为r 2=0.953；说明类酪氨酸A的荧光强度在较高溶解氧浓度条件下和总氮浓度具有良好的相关性。根据地表水域环境功能和保护目标按功能高低依次划分为五类，其中溶解氧浓度最低为2 mg/L，故在对水体修复处理中，需要维持较高的溶解氧浓度，因此可以通过监测水体上覆水中溶解性有机物的A区域类酪氨酸的荧光强度测定计算总氮含量。
人工模拟河流状况。
采用重力式柱状采样器采集河流底泥表层20 cm沉积物样品，并用黑色塑料袋密封避光保存，同时采集取样处河水。
实验系统采用1个2 L量筒。在量筒底部加入新鲜沉积物，并用虹吸方法加入原水。用黑色薄膜对量筒中下部做避光处理。在实验系统稳定后开始曝气，每2d取底泥上覆水，取样后用原河水补充至原体积。水样经离心分离和0.45 um滤膜过滤后测定总氮浓度，并进行荧光光谱扫描。控制反应器溶解氧浓度为5.5mg/L。
当溶解氧浓度为5.5 mg/L时，两者之间的线性方程为： y=0.053x-3.254，其中x为吸光度，y为总氮浓度，单位为：mg/L，相关系数为r 2=0.953，说明类酪氨酸A的荧光强度在较高溶解氧浓度条件下和总氮浓度具有良好的相关性。进而可以通过监测水体上覆水中溶解性有机物的A区域类酪氨酸的荧光强度快速测定总氮含量。
本发明有益效果
本发明利用荧光光谱特征荧光峰的荧光强度建立了与总氮浓度的线性关系，为总氮浓度的快速检测提供一种可行性方法。解决因化学方法检测带来的耗能、耗时及二次污染问题。
附图说明
图1为本发明中对采样河水进行的荧光扫描的荧光光谱图；
图中各字母代表的含义：A-高激发波长的类酪氨酸；B-低激发波长的类酪氨酸；C-低激发波长的类色氨酸；D-紫外光区的类富里酸；E-可见光区的类富里酸；
图2为实施例1中曝气30d结束后，上覆水的荧光光谱图；
图中各字母代表的含义：A-高激发波长的类酪氨酸；B-低激发波长的类酪氨酸；C-低激发波长的类色氨酸；D-紫外光区的类富里酸；E-可见光区的类富里酸。
图3为实施例1中类酪氨酸A的荧光强度与总氮浓度的相关性分析；
对溶解氧浓度为5.5 mg/L时上覆水中各种类蛋白物质（A、B、C）的荧光强度与总氮浓度进行相关性分析，结果发现，类酪氨酸A的荧光强度与总氮浓度具有线性相关性，如图3所示。
图4为实施例2中曝气30d结束后，各组上覆水的荧光光谱图（注：0.3mg/L为未曝气对照组的溶解氧）
A图、B图、C图、D图依次为1#、2#、3#、4#量筒的样品在经过30d实验后的上覆水荧光光谱图；图中各字母代表的含义：A-高激发波长的类酪氨酸；B-低激发波长的类酪氨酸；C-低激发波长的类色氨酸；D-紫外光区的类富里酸；E-可见光区的类富里酸。
图5为实施例2中类酪氨酸A的荧光强度与总氮浓度的相关性分析；
A图、B图、C图、D图依次为溶解氧浓度为0.3 mg/L、2.5 mg/L、3.5 mg/L和5.5mg/L的条件下上覆水中各种类蛋白物质（A、B、C）的荧光强度与总氮浓度进行相关性分析，结果发现，类酪氨酸A的荧光强度与总氮浓度具有线性相关性，如图3所示。
具体实施方式
实施例1、
所述人工模拟河流的具体方法，包括以下步骤：
（1）采用重力式柱状采样器采集河流底部表层20 cm左右的沉积物，用黑色塑料袋密封，并取采样处的河水带回实验室低温贮存；
（2）在1个2 L量筒中加入的新鲜沉积物，并用虹吸方法加入所取的上覆水，泥水比为1：3左右；
（3）用黑色薄膜将量筒中下部做避光处理，稳定2d后用电磁式空气泵对量筒的上覆水进行曝气，控制溶解氧浓度为5.5mg/L；
（4）每隔2d取各组底泥上覆水，取样后用采样时贮存的河水补充至原体积，水样经离心分离和0.45 um滤膜过滤后用化学方法测定总氮浓度，并用荧光分光光度计进行三维荧光光谱扫描；
（5）对荧光光谱中高激发波长类酪氨酸的荧光强度与总氮的浓度进行相关性分析。如图3所示，当溶解氧浓度为5.5 mg/L时，两者之间的线性方程为： y=0.053x-3.254，其中x为吸光度，y为总氮浓度，单位为：mg/L，相关系数为r 2=0.953。说明类酪氨酸A的荧光强度在较高溶解氧浓度条件下和总氮浓度具有良好的相关性。根据地表水域环境功能和保护目标按功能高低依次划分为五类，其中溶解氧浓度最低为2 mg/L，故在对水体修复处理中，需要维持较高的溶解氧浓度，因此可以通过监测水体上覆水中溶解性有机物的类酪氨酸A的荧光强度快速测定总氮含量。
    本实施例步骤（4）中所述F-7000型分光光度计的测定条件为：电压为700 V；扫描范围：激发波长Ex=200～450 nm，发射波长Em=250～550 nm；狭缝宽度：Ex=5 nm，Em=5 nm；扫描速度：2400 nm/min；响应时间：自动。实验空白水为Milli-Q超纯水。
本实施例步骤（5）中所述总氮的测定的常规方法参照GB11894-89（水质-总氮的测定-碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法）进行测定。
    本实施例步骤（5）中所述荧光光谱特征荧光峰划分为五个区域，分别为A区域：Ex/Em=250～450nm/260～380nm；B区域：Ex/Em=200～250nm/260～320nm；C区域：Ex/Em=200～250nm/320～380nm；D区域：Ex/Em=200～250nm/＞380nm；E区域：Ex/Em=250～450nm/＞380nm。各区域主要物质形式如下：A-高激发波长的类酪氨酸；B-低激发波长的类酪氨酸；C-低激发波长的类色氨酸；D-紫外光区的类富里酸；E-可见光区的类富里酸。
图1为本实施例中对采样河水进行的荧光扫描的荧光光谱图；
图中各字母代表的含义：A-高激发波长的类酪氨酸；B-低激发波长的类酪氨酸；C-低激发波长的类色氨酸；D-紫外光区的类富里酸；E-可见光区的类富里酸；
图2为本实施例中曝气30 d结束后，上覆水的荧光光谱图
图2为量筒的样品在经过30 d实验后的上覆水荧光光谱图；图中各字母代表的含义：A-高激发波长的类酪氨酸；B-低激发波长的类酪氨酸；C-低激发波长的类色氨酸；D-紫外光区的类富里酸；E-可见光区的类富里酸。
对溶解氧浓度为5.5 mg/L时上覆水中各种类蛋白物质（A、B、C）的荧光强度与总氮浓度进行相关性分析，结果发现，类酪氨酸A的荧光强度与总氮浓度具有线性相关性，如图3所示。
实施例2、
所述人工模拟河流的具体方法，包括以下步骤：
（1）采用重力式柱状采样器采集河流底部表层20cm的沉积物，用黑色塑料袋密封，并取采样处的河水。
（2）分别在4个2L量筒中加入高为11 cm的新鲜沉积物，并用虹吸方法加入所取的上覆水（泥水比1:3）。
（3）用黑色薄膜将量筒中下部做避光处理，稳定两天后用电磁式空气泵对2#-4#量筒的上覆水进行曝气，1#做对比，监测其溶解氧为0.3 mg/L。通过玻璃转子流量计控制2#、3#、4#的溶解氧浓度分别为2.5 mg/L、3.5 mg/L和5.5mg/L,。
（4）每隔2d取底泥上覆水100 mL，取样后用原水补充至原体积。水样经离心分离和0.45 um滤膜过滤后用化学方法测定总氮浓度，并用F-7000型荧光分光光度计进行三维荧光光谱扫描。
（5）对荧光光谱中高激发波长类酪氨酸的荧光强度与总氮的浓度进行相关性分析。如图3所示，当溶解氧浓度分别为2.5 mg/L、3.5 mg/L、5.5 mg/L时，两者之间的线性方程分别为：y=0.066x-10.65、y=0.058x-4.94、y=0.053x-3.254，相关系数分别为r 2=0.956、r 2=0.946、r 2=0.953，而在溶解氧浓度为0.3 mg/L时，相关系数仅为r 2=0.412。说明类酪氨酸A的荧光强度在较高溶解氧浓度条件下和总氮浓度具有良好的相关性。根据地表水域环境功能和保护目标按功能高低依次划分为五类，其中溶解氧浓度最低为2 mg/L，故在对水体修复处理中，需要维持较高的溶解氧浓度，因此可以通过监测水体上覆水中溶解性有机物的类酪氨酸A的荧光强度快速评估总氮含量。
    本发明步骤（4）中所述F-7000型分光光度计的测定条件为：电压为700 V；扫描范围：激发波长Ex=200～450 nm，发射波长Em=250～550 nm；狭缝宽度：Ex=5 nm，Em=5 nm；扫描速度：2400 nm/min；响应时间：自动。实验空白水为Milli-Q超纯水。
本发明步骤（5）中所述总氮的测定的常规方法参照GB11894-89（水质-总氮的测定-碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法）进行测定。
    本发明步骤（5）中所述荧光光谱特征荧光峰划分为五个区域，分别为A区域：Ex/Em=250～450nm/260～380nm；B区域：Ex/Em=200～250nm/260～320nm；C区域：Ex/Em=200～250nm/320～380nm；D区域：Ex/Em=200～250nm/＞380nm；E区域：Ex/Em=250～450nm/＞380nm。各区域主要物质形式如下：A-高激发波长的类酪氨酸；B-低激发波长的类酪氨酸；C-低激发波长的类色氨酸；D-紫外光区的类富里酸；E-可见光区的类富里酸。
图4为实施例2中曝气30 d结束后，各组上覆水的荧光光谱图（注：0.3mg/L为未曝气对照组的溶解氧）
A图、B图、C图、D图依次为1#、2#、3#、4#量筒的样品在经过30d实验后的上覆水荧光光谱图；图中各字母代表的含义：A-高激发波长的类酪氨酸；B-低激发波长的类酪氨酸；C-低激发波长的类色氨酸；D-紫外光区的类富里酸；E-可见光区的类富里酸。
图5为实施例2中类酪氨酸A的荧光强度与总氮浓度的相关性分析；
A图、B图、C图、D图依次为溶解氧浓度为0.3 mg/L、2.5 mg/L、3.5 mg/L和5.5 mg/L的条件下上覆水中各种类蛋白物质（A、B、C）的荧光强度与总氮浓度进行相关性分析，结果发现，类酪氨酸A的荧光强度与总氮浓度具有线性相关性，如图3所示。

Claims (4)

1.一种应用荧光光谱测定河流水体中总氮浓度的方法，其特征在于：包括以下步骤：
（1）取河流水体水样进行荧光光谱扫描，测定光谱中高激发波长类酪氨酸的荧光强度x；荧光光谱的参数为：Ex/Em=250～450nm/260～380nm；
（2）根据在溶解氧为5.5 mg/L时建立的高激发波长类酪氨酸的荧光强度x与总氮y的浓度之间的线性关系，线性方程为：y=0.053x-3.254，相关系数为r 2=0.953，计算得到总氮浓度。
2.根据权利要求1所述的一种荧光光谱测定河流水体中总氮浓度的方法，其特征在于：步骤（1）中所述的荧光分光光度计采用日立F-7000型，测定条件：电压为700 V；扫描范围：激发波长Ex=200～450 nm，发射波长Em=250～550 nm；狭缝宽度：Ex=5 nm，Em=5 nm；扫描速度：2400 nm/min；响应时间：自动；实验空白水为Milli-Q超纯水。
3.根据权利要求1所述的一种荧光光谱测定河流水体中总氮浓度的方法，其特征在于：步骤（1）中所述的荧光光谱划分为5个区域，分别为：A区域：Ex/Em=250～450nm/260～380nm；B区域：Ex/Em=200～250nm/260～320nm；C区域：Ex/Em=200～250nm/320～380nm；D区域：Ex/Em=200～250nm/＞380nm；E区域：Ex/Em=250～450nm/＞380nm；各区域主要物质形式如下：A-高激发波长的类酪氨酸；B-低激发波长的类酪氨酸；C-低激发波长的类色氨酸；D-紫外光区的类富里酸；E-可见光区的类富里酸。
4.根据权利要求1所述的一种荧光光谱测定河流水体中总氮浓度的方法，其特征在于：步骤（2）中所述的当溶解氧浓度为5.5 mg/L时，两者之间的线性方程为：y=0.053x-3.254，其中x为吸光度，y为总氮浓度，单位为：mg/L，相关系数为r 2=0.953；说明类酪氨酸A的荧光强度在较高溶解氧浓度条件下和总氮浓度具有良好的相关性。
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