CN105628661A - 同时检测水体中颗粒态有机物与溶解态有机物的方法 - Google Patents

同时检测水体中颗粒态有机物与溶解态有机物的方法 Download PDF

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Abstract

一种同时检测水体中颗粒态有机物与溶解态有机物的方法，包括以下步骤：(1)采集水体样品，设定荧光光度仪的激发波长、发射波长和扫描速度；(2)测定所有样品和超纯水的激发-发射三维荧光光谱；(3)利用超纯水三维荧光光谱，对样品三维荧光光谱进行拉曼散射校正；(4)将进行拉曼散射校正后所得的三维荧光光谱数据矩阵导出后进行数据转换；(5)对所有样品进行所述数据转换后所得的数据进行主成分分析；(6)利用因子得分系数矩阵经转化后绘制因子得分矩阵图谱，鉴定水中有机物的组成；(7)通过主成分分析结果计算水体中颗粒态有机物及溶解态有机物的相对含量。本发明的方法样品需要量少，检测灵敏度高，不破坏样品结构，环境友好。

Description

同时检测水体中颗粒态有机物与溶解态有机物的方法
技术领域
本发明涉及环境科学及检测技术领域，具体涉及同时检测水体中颗粒态有机物与溶解态有机物的方法。
背景技术
随着世界工农业的快速发展，工业废水的不达标排放、生活污水的任意倾倒及农业生产中农业化肥的不合理施用，使众多地区水体受到严重的有机物污染，给区域生态环境及附近居民的健康带来严重隐患。欲有效准确地消除此类隐患，首先需明确受污染水体污染程度及其完整的污染物组成信息。
目前对水体中有机物的检测分析主要通过采用色谱和光谱技术进行，但在色谱分析时所测试样品均需通过去除颗粒物的前处理，方可通过检测器检测分析；在光谱分析时为了减少水中颗粒态物质一般均需对样品进行过滤处理，减少微粒产生的散射干扰，因而对水体中有机物的检测分析主要为可溶性有机物，对颗粒态有机物的检测分析受到忽视，因此，寻找一种能同时鉴别和分析水体中不同粒径的有机物及其相对含量的方法，将为全面掌握水体中有机物污染状况和污染行为提供科学的依据。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种同时检测水体中颗粒态有机物与溶解态有机物的方法。
为了实现上述目的，本发明提供下述技术方案。
本发明提供一种同时检测水体中颗粒态有机物与溶解态有机物的方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)采集多份水体样品，设定荧光光度仪的激发波长、发射波长和扫描速度；
(2)测定所有样品和超纯水的激发-发射三维荧光光谱，以获得样品三维荧光光谱和超纯水三维荧光光谱；
(3)利用所述超纯水三维荧光光谱，对所述样品三维荧光光谱进行拉曼散射校正；
(4)将进行拉曼散射校正后所得的三维荧光光谱数据矩阵导出后进行数据转换；
(5)对所有样品进行所述数据转换后所得的数据进行主成分分析；
(6)利用因子得分系数矩阵经转化后绘制因子得分矩阵图谱，鉴定水中有机物的组成；
(7)通过主成分分析结果计算水体中颗粒态有机物及溶解态有机物的相对含量。
步骤(1)中所述样品的采集份数优选为不少于20份。
步骤(2)中所述样品三维荧光光谱和所述超纯水三维荧光光谱优选为分别利用具有激发发射同步的三维扫描功能的荧光仪在下列三维荧光测定条件下测定：
激发波长为200-450nm，扫描间距5nm，狭缝宽度5nm，
发射波长为280-550nm，扫描间距5nm，狭缝宽度5nm，
扫描速度设定在500-2400nm·min-1范围内。
步骤(3)所述拉曼散射校正优选为通过将所述各样品三维荧光光谱分别减去所述超纯水三维荧光光谱而进行。
步骤(4)优选为在所述进行拉曼散射校正后，所得荧光矩阵数据导出至一表格编辑软件(如excel表格)，获得一个55×51的三维荧光光谱矩阵数据，将矩阵数据转化为一列，每个样品均获得由2805个荧光强度值构成的一列数据。
步骤(5)中所述主成分分析优选为将各样品转换后所得数据作为变量，在数据分析处理软件(如SPSS软件)中进行数据降维、因子分析，基于特征值大小筛选出能解释原数据80％以上的主要因子，并提取各因子得分系数矩阵。
步骤(6)所述因子得分矩阵图谱优选为主成分分析所述因子得分系数矩阵，在一表格编辑软件(如excel表格)中转换成55×51矩阵数据，并用此矩阵在一数据处理绘图软件(如origin)中以荧光检测时对应激发、发射波长为轴绘制因子得分图谱。
步骤(6)中所述的鉴定水中有机物优选采用所述因子得分图谱，在不同激发-发射区呈现的峰值鉴别水中颗粒态和溶解态有机物的组成。
步骤(7)中所述水体中颗粒态有机物及溶解态有机物的相对含量是通过不同样品各组分因子得分值计算其相对浓度。
本发明还提供所述方法在环境监测领域的应用。
本发明具有显著的进步：
1、本发明在实际检测操作过程中样品需求量少，检测灵敏度高，工作量小。采用本发明的方法每次检测所需样品量少(在10ml以下)，检测灵敏度高，检测限低(可达1μg/L)，不需繁琐的前处理，能在保持样品组成结构完整的前提下即可进行检测，省时省力，准确高效。
2、本发明的检测方法分析快捷，对环境友好。
附图说明
图1(a)、图1(b)分别为水体样品过0.8μm滤膜前(a)后(b)样品三维荧光图谱；
图2(a)、图2(b)、图2(c)分别为原水进行拉曼散射后通过主成成分分析鉴别出的3主要组分，其中a、b为颗粒/胶体态有机物组成图谱，c为溶解态有机物图谱。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
本发明的发明人在进行了大量的实验之后发现，大部分受有机物污染的水体中含有类蛋白、芳烃和酚类等具有荧光特性的异质性有机物，因此可以采用三维荧光光谱仪器进行测定。三维荧光光谱技术分析水体有机组成是不仅分析快，检测限低，而且不需过多前处理。三维荧光对水体原样进行检测时，会出现瑞利散射、二次散射等光散射，在分析可溶性有机物时往往将其认为是干扰而采用不同的方法进行去除。瑞利散射(如图1所示)主要为入射光子与水体微粒发生的弹性碰撞，改变光子运动方向，释放出与入射光相同波长的光而形成的。因此，水体三维荧光光谱图中瑞利散射能提供颗粒态有机物性质和含量的信息(如图1(a)、(b)所示)，采用化学计量学方法对三维荧光数据进行运算处理，将能解析出不同粒径有机物的不同组分，计算出各组分的相对含量。
以下通过具体实施例对本发明进行进一步阐述说明。
实施例1
1、样品来源
在石家庄市某典型纳污河流采集28种地表水水体样品。
2、样品分析
3、具体操作过程：
(1)采集多份水体样品，设定荧光光度仪的激发波长、发射波长和扫描速度；
(2)测定所有样品和超纯水的激发-发射三维荧光光谱，以获得样品三维荧光光谱和超纯水三维荧光光谱；
(3)利用所述超纯水三维荧光光谱，对所述样品三维荧光光谱进行拉曼散射校正；
(4)将进行拉曼散射校正后所得的三维荧光光谱数据矩阵导出后进行数据转换；
(5)对所有样品进行所述数据转换后所得的数据进行主成分分析；
(6)利用因子得分系数矩阵经转化后绘制因子得分矩阵图谱，鉴定水中有机物的组成；
(7)通过主成分分析结果计算水体中颗粒态有机物及溶解态有机物的相对含量。
步骤(2)中所述样品三维荧光光谱和所述超纯水三维荧光光谱为分别利用具有激发发射同步的三维扫描功能的荧光仪在下列三维荧光测定条件下测定：
激发波长为200-450nm，扫描间距5nm，狭缝宽度5nm，
发射波长为280-550nm，扫描间距5nm，狭缝宽度5nm，
扫描速度设定在500-2400nm·min-1范围内。
步骤(3)所述拉曼散射校正为通过将所述各样品三维荧光光谱分别减去所述超纯水三维荧光光谱而进行。
步骤(4)为在所述进行拉曼散射校正后，所得荧光矩阵数据导出至excel表格，获得一个55×51的三维荧光光谱矩阵数据，将矩阵数据转化为一列，每个样品均获得由2805个荧光强度值构成的一列数据。
步骤(5)中所述主成分分析为将各样品转换后所得数据作为变量，在SPSS软件中进行数据降维、因子分析，基于特征值大小筛选出能解释原数据80％以上的主要因子，并提取各因子得分系数矩阵。
步骤(6)所述因子得分矩阵图谱为主成分分析所述因子得分系数矩阵，在excel表格中转换成55×51矩阵数据，并用此矩阵在origin软件中以荧光检测时对应激发、发射波长为轴绘制因子得分图谱。
步骤(6)中所述的鉴定水中有机物采用所述因子得分图谱，在不同激发-发射区呈现的峰值鉴别水中颗粒态和溶解态有机物的组成。
步骤(7)中所述水体中颗粒态有机物及溶解态有机物的相对含量是通过不同样品各组分因子得分值计算其相对浓度。
其中，采用日立公司生产的HitachiF-7000型荧光光度计对28个样品及超纯水进行测定。激发光源为150W氙弧灯，光电倍增管电压为700V，信噪比＞110，扫描速度为1200nm·min-1，激发和发射单色仪的狭缝宽度均为5nm，响应时间为自动。激发波长(Ex)范围为200～450nm，增量5nm；发射波长(Em)范围为280～550nm，增量5nm。
4、数据转换如下所示：
提取方法：主成分分析。
提取方法：主成分分析。
旋转法：具有Kaiser标准化的正交旋转法。
a.旋转在6次迭代后收敛。
5、结果
数据进行主成分分析后可明显筛选出3个主要因子，对3个主要因子的得分与波长绘制因子得分谱(如图2(a)、(b)、(c)所示)，通过图谱中瑞利散射峰强弱出现可判断组分1、2为颗粒/胶体态有机物，而组分3为溶解态有机物。通过观察图谱中峰位置可判断组分1主要包含传统意义上紫外区富里酸A峰、腐殖酸M峰和C峰，为代表典型陆源性类腐植酸物质，组分2主要包含对应的单品类色氨酸S峰和传统T峰，为生活污水中典型的类蛋白荧光物质。此外，组分1、2均存在一定的类蛋白或类腐植酸的肩峰，说明该水域颗粒态中不仅包括类腐植酸和类蛋白单独赋存状态的有机物，同时还存在两种结合态的有机物。组分3中由传统长波激发波长A峰及类胡敏酸C峰组成，为典型大分子类腐植酸物质。
结合旋转成份矩阵中各组分的载荷值乘以稀释倍数(浓度较大样品的稀释)，可较好确定各不同组分在不同样品中的相对含量，从而定量了解水体中不同赋存状态不同物质组成的特征。
综上可知，采用本发明的方法检测方便、灵敏的三维荧光方法检测灵敏度高，不仅可以明确地定性区别水体中颗粒态和溶解态有机物及其组成的特征，还可以定量掌握各不同颗粒态和溶解态有机物的具体相对含量。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种同时检测水体中颗粒态有机物与溶解态有机物的方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)采集多份水体样品，设定荧光光度仪的激发波长、发射波长和扫描速度；
(2)测定所有样品和超纯水的激发-发射三维荧光光谱，以获得样品三维荧光光谱和超纯水三维荧光光谱；
(3)利用所述超纯水三维荧光光谱，对所述样品三维荧光光谱进行拉曼散射校正；
(4)将进行拉曼散射校正后所得的三维荧光光谱数据矩阵导出后进行数据转换；
(5)对所有样品进行所述数据转换后所得的数据进行主成分分析；
(6)利用因子得分系数矩阵经转化后绘制因子得分矩阵图谱，鉴定水中有机物的组成；
(7)通过主成分分析结果计算水体中颗粒态有机物及溶解态有机物的相对含量。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)中所述样品的采集份数为不少于20份。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(2)中所述样品三维荧光光谱和所述超纯水三维荧光光谱为分别利用具有激发发射同步的三维扫描功能的荧光仪在下列三维荧光测定条件下测定：
激发波长为200-450nm，扫描间距5nm，狭缝宽度5nm，
发射波长为280-550nm，扫描间距5nm，狭缝宽度5nm，
扫描速度设定在500-2400nm·min-1范围内。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(3)所述拉曼散射校正为通过将所述各样品三维荧光光谱分别减去所述超纯水三维荧光光谱而进行。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(4)为在所述进行拉曼散射校正后，所得荧光矩阵数据导出并处理，获得一个55×51的三维荧光光谱矩阵数据，将矩阵数据转化为一列，每个样品均获得由2805个荧光强度值构成的一列数据。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(5)中所述主成分分析为将各样品转换后所得数据作为变量，对其进行数据降维、因子分析，基于特征值大小筛选出能解释原数据80％以上的主要因子，并提取各因子得分系数矩阵。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(6)所述因子得分矩阵图谱为主成分分析所述因子得分系数矩阵，转换成55×51矩阵数据，并用此矩阵以荧光检测时对应激发、发射波长为轴绘制因子得分图谱。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(6)中所述的鉴定水中有机物采用所述因子得分图谱，在不同激发-发射区呈现的峰值鉴别水中颗粒态和溶解态有机物的组成。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(7)中所述水体中颗粒态有机物及溶解态有机物的相对含量是通过不同样品各组分因子得分值计算其相对浓度。
10.权利要求1～9任一项所述方法在环境监测领域的应用。
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