王雙，連增艷，石聚宇，王威，鮑秀君，楊仁杰

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基于三維熒光光譜定量分析水中苯并[a]芘和苯并[b]熒蒽

王雙，連增艷，石聚宇，王威，鮑秀君，楊仁杰通信作者

（天津農(nóng)學(xué)院 工程技術(shù)學(xué)院，天津 300384）

將三維熒光光譜與多維偏最小二乘法結(jié)合，建立同時(shí)定量分析水溶液中苯并[a]芘和苯并[b]熒蒽濃度的數(shù)學(xué)模型。配置不同濃度苯并[a]芘和苯并[b]熒蒽（濃度范圍均為1～10×10-7g/L）的混合溶液樣品，利用熒光分光光度計(jì)采集所有樣品的三維熒光光譜。在研究其單組分及混合組分溶液三維熒光特性的基礎(chǔ)上，基于多維偏最小二乘法建立同時(shí)分析水中苯并[a]芘和苯并[b]熒蒽濃度的數(shù)學(xué)模型。對(duì)于水中的苯并[a]芘，其預(yù)測(cè)濃度與實(shí)際濃度相關(guān)系數(shù)為0.979，預(yù)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)偏差為6.02×10-7g/L；對(duì)水中苯并[b]熒蒽，其預(yù)測(cè)濃度與實(shí)際濃度相關(guān)系數(shù)為0.952，預(yù)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)偏差為7.76×10-7g/L。該研究為基于激光誘導(dǎo)熒光檢測(cè)土壤環(huán)境中的苯并[a]芘和苯并[b]熒蒽提供理論和試驗(yàn)基礎(chǔ)。

三維熒光譜；苯并[a]芘；苯并[b]熒蒽；水；多維偏最小二乘法

多環(huán)芳烴（PAHs）是一類由兩個(gè)或者兩個(gè)以上芳香環(huán)構(gòu)成的化合物，在自然界環(huán)境中分布極其廣泛。因?yàn)榇蠖鄶?shù)多環(huán)芳烴具有致癌性、致畸性，因此受到人們的廣泛關(guān)注[1-2]。含有四環(huán)以上的多環(huán)芳烴毒性最強(qiáng)且存在致癌性，苯并[a]芘和苯并[b]熒蒽都是五環(huán)的芳香族化合物，它們存在于大氣、土壤和水質(zhì)環(huán)境中。這些被污染的環(huán)境就需要修復(fù)和治理，但前提是需要明確PAHs污染物在環(huán)境中的分布狀態(tài)和成分信息，因此研究環(huán)境中PAHs污染物的檢測(cè)方法非常有意義。

目前，對(duì)于環(huán)境中PAHs檢測(cè)的常用方法有化學(xué)分析法、光譜法、色譜和質(zhì)譜等方法，但就快速便捷而言，光譜檢測(cè)方法有明顯優(yōu)勢(shì)，特別是熒光光譜技術(shù)[3-8]。Yang等[6]在研究蒽和芘三維熒光和二維相關(guān)熒光譜特性的基礎(chǔ)上，建立了定量分析的多維偏最小二乘（N-PLS）模型，并指出基于二維相關(guān)熒光譜的N-PLS模型能提供更好的預(yù)測(cè)結(jié)果。Keshav等[7]研究了水中5種PAHs污染物的三維同步熒光光譜特性，并建立定量分析PAHs的N-PLS模型，研究結(jié)果表明，該方法可同時(shí)測(cè)定水中5種PAHs的濃度。王書濤等[8]在激發(fā)波長(zhǎng)400 nm下，采集了苯并[a]芘，苯并[b]熒蒽和苯并[k]熒蒽混合溶液的一維熒光譜，建立了同時(shí)分析溶液中3種PAHs的數(shù)學(xué)模型。金丹等[9]基于菲、蒽、芘和熒蒽的最大熒光峰值建立了定量分析溶液中4種多環(huán)芳烴濃度的工作曲線。施發(fā)軍等[10]采用同步熒光光譜技術(shù)研究了水中多環(huán)芳烴混合物的熒光特性，并進(jìn)行了定量分析。

從國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究來(lái)看，將三維熒光光譜技術(shù)與多維化學(xué)計(jì)量學(xué)結(jié)合同時(shí)定量分析水溶液中的苯并[a]芘和苯并[b]熒蒽濃度鮮有報(bào)道。本文在研究苯并[a]芘和苯并[b]熒蒽單組分及混合溶液三維熒光特性的基礎(chǔ)上，基于多維偏最小二乘法建立同時(shí)分析水中苯并[a]芘和苯并[b]熒蒽濃度的數(shù)學(xué)模型，為基于激光誘導(dǎo)熒光檢測(cè)土壤環(huán)境中的苯并[a]芘和苯并[b]熒蒽提供理論和試驗(yàn)基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)儀器

本試驗(yàn)采用美國(guó)PenkinElmer 公司的LS-55熒光分光光度計(jì)，光源為脈沖氙燈，液體比色皿為1 cm帶塞石英液體池。激發(fā)波長(zhǎng)掃描范圍：220～300 nm，step＝5 nm，共有17 個(gè)激發(fā)波長(zhǎng)，激發(fā)狹縫寬度為10 nm，發(fā)射波長(zhǎng)掃描范圍：340～500 nm，step＝1 nm，發(fā)射狹縫寬度為10 mm。

1.2 樣品配置

苯并[a]芘和苯并[b]熒蒽標(biāo)準(zhǔn)樣品由北京普天同創(chuàng)生物科技有限公司提供，其濃度分別為100 μg/L、0.2 mg/L。分別取1.0、0.5 mL樣品放入100 mL棕色容量瓶中，加入超純水定容，配置濃度均為1×10-3g/L的苯并[a]芘和苯并[b]熒蒽儲(chǔ)備液。分別取不同的苯并[a]芘和苯并[b]熒蒽儲(chǔ)備液，用超純水進(jìn)行逐步稀釋，配置濃度為1×10-5g/L和1× 10-6g/L苯并[a]芘和苯并[b]熒蒽的單組分溶液。從兩種單組分溶液中取不同體積溶液混合，共配置18個(gè)不同質(zhì)量濃度比的混合溶液。

1.3 多維偏最小二乘法（N-PLS）

多維偏最小二乘法是將傳統(tǒng)的偏最小二乘法推廣到多維的數(shù)據(jù)分析方法，其具體數(shù)據(jù)原理可參考文獻(xiàn)[11-12]。

對(duì)于多維光譜矩陣（××）和濃度矩陣（×），N-PLS回歸模型可表示為：

＝（）＋E（1）

＝（）＋E（2）

＝＋E（3）

＝（TT）-1TU（4）

其中和表示得分矩陣，和表示載荷矩陣，為回歸系數(shù)矩陣，，和表示殘差矩陣。

2 結(jié)果與分析

2.1 苯并[a]芘和苯并[b]熒蒽在水溶液中的熒光特性

在激發(fā)波長(zhǎng)220～300 nm（間隔5 nm），發(fā)射波長(zhǎng)340～500 nm范圍內(nèi)，采集苯并[a]芘和苯并 [b]熒蒽單組分及所有混合溶液樣本的三維熒光譜，并對(duì)所有原始數(shù)據(jù)進(jìn)行11點(diǎn)平滑處理來(lái)降噪。圖1（a）是濃度為1×10-5g/L苯并[a]芘單組分樣品的三維熒光譜，可以觀察到水中苯并[a]芘的熒光峰位置為：＝225 nm，＝415 nm；＝255/285 nm，＝410 nm。圖1（b）是濃度為 1×10-6g/L苯并[b]熒蒽單組分樣品的三維熒光譜，水中苯并[b]熒蒽的熒光峰位置為：＝240 nm，＝445 nm；＝255 nm，＝435 nm。圖1（c）是濃度均為5×10-6g/L兩組分混合溶液的熒光譜，與單組分三維熒光譜比較發(fā)現(xiàn)，混合樣品中苯并[a]芘和苯并[b]熒蒽光譜重疊嚴(yán)重，苯并[b]熒蒽特征熒光峰完全被苯并[a]芘所覆蓋，所以其熒光強(qiáng)度與濃度不再是線性關(guān)系，應(yīng)結(jié)合化學(xué)計(jì)量學(xué)建模來(lái)同時(shí)對(duì)水中苯并[a]芘和苯并[b]熒蒽的濃度進(jìn)行定量分析。

2.2 定量分析苯并[a]芘N-PLS模型的建立

對(duì)18個(gè)苯并[a]芘和苯并[b]熒蒽不同濃度比的混合溶液樣本采集2次三維熒光譜，可作為36個(gè)混合溶液樣本來(lái)建立定量分析PAHs濃度的數(shù)學(xué)模型。從36個(gè)混合樣本隨機(jī)選擇24個(gè)作為校正集（24×17×159）進(jìn)行建模，其余12個(gè)作為預(yù)測(cè)集（12×17×159）來(lái)驗(yàn)證模型的有效性。

主成分?jǐn)?shù)的選擇至關(guān)重要，主成分?jǐn)?shù)太多，一些無(wú)用信息可能進(jìn)入模型；若主成分?jǐn)?shù)太少，一些有用信息可能丟失，所以需選擇合適的主成分?jǐn)?shù)來(lái)進(jìn)行建模。本文通過(guò)交叉驗(yàn)證均方根誤差（）來(lái)選擇模型的最佳主成分?jǐn)?shù)。圖2給出了定量分析苯并[a]芘所建N-PLS模型隨主成分?jǐn)?shù)變化的散點(diǎn)圖。從圖2可以看出，主成分?jǐn)?shù)為9時(shí)，其最小，因此選擇9個(gè)主成分建立水中苯并芘濃度的N-PLS模型。

圖2 N-PLS模型RMSECV隨主成分?jǐn)?shù)的變化曲線

圖3（a）和（b）分別為所建N-PLS模型對(duì)校正集和預(yù)測(cè)集混合樣本中苯并[a]芘預(yù)測(cè)濃度與實(shí)際濃度的線性擬合。對(duì)于校正集，苯并[a]芘預(yù)測(cè)濃度與實(shí)際濃度的相關(guān)系數(shù)＝0.998，標(biāo)準(zhǔn)差為2.06×10-7g/L；對(duì)于預(yù)測(cè)集，苯并[a]芘的預(yù)測(cè)濃度預(yù)測(cè)與實(shí)際濃度實(shí)際之間的關(guān)系為：預(yù)測(cè)＝0.90實(shí)際＋0.266，其相關(guān)系數(shù)＝0.979，預(yù)測(cè)的標(biāo)準(zhǔn)偏差為6.02×10-7g/L，表明所建模型對(duì)水中苯并[a]芘的濃度具有較好的預(yù)測(cè)能力。

注：（a）校正集，（b）預(yù)測(cè)集

2.3 定量分析苯并[b]熒蒽N-PLS模型的建立

根據(jù)選擇6個(gè)主成分?jǐn)?shù)來(lái)建立定量分析混合溶液中苯并[b]熒蒽的N-PLS模型。圖4（a）和（b）分別為所建N-PLS模型對(duì)校正集和預(yù)測(cè)集混合樣本中苯并[b]熒蒽預(yù)測(cè)濃度與實(shí)際濃度的線性擬合。對(duì)于校正集，苯并[b]熒蒽的預(yù)測(cè)濃度與實(shí)際濃度的相關(guān)系數(shù)＝0.983，標(biāo)準(zhǔn)差為4.96×10-7g/L；對(duì)于預(yù)測(cè)集，苯并[b]熒蒽預(yù)測(cè)濃度預(yù)測(cè)與實(shí)際濃度實(shí)際的關(guān)系為：預(yù)測(cè)＝0.85實(shí)際＋0.026，相關(guān)系數(shù)＝0.952，預(yù)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)偏差為7.76×10-7g/L。分析可知，苯并[a]芘的預(yù)測(cè)結(jié)果要優(yōu)于苯并[b]熒蒽，其原因可能是混合溶液中苯并[b]熒蒽熒光特征信息被苯并[a]芘所覆蓋，多維偏最小二乘法無(wú)法充分提取其特征信息。

注：（a）校正集，（b）預(yù)測(cè)集

3 結(jié)論

本文在研究三維熒光譜特性的基礎(chǔ)上，建立了同時(shí)定量分析水中苯并[a]芘和苯并[b]熒蒽的N-PLS模型。對(duì)于定量分析苯并[a]芘模型，校正集和預(yù)測(cè)集的線性相關(guān)系數(shù)分別是0.998和0.979, 預(yù)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)偏差為6.02×10-7g/L；對(duì)于定量分析苯并[b]熒蒽模型，校正集和預(yù)測(cè)集的線性相關(guān)系數(shù)分別是0.983和0.952，預(yù)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)偏差為7.76×10-7g/L。該研究可為基于激光誘導(dǎo)熒光檢測(cè)土壤中苯并[a]芘和苯并[b]熒蒽提供理論和試驗(yàn)基礎(chǔ)。

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責(zé)任編輯：楊霞

Quantitative analysis of benzo[a]pyrene and benzo[b]fluoranthene in water using three-dimensional fluorescence spectroscopy

WANG Shuang, LIAN Zeng-yan, SHI Ju-yu, WANG Wei, BAO Xiu-jun, YANG Ren-jieCorresponding Author

（College of Engineering and Technology, Tianjin Agricultural University, Tianjin 300384, China）

Simultaneous quantitative analysis models of benzo[a]pyrene and benzo[b]fluoranthene were established in aqueous solution combining three dimensional fluorescence spectroscopy with N-way partial least squares. 18 mixed solution samples with different mass concentration ratios（The concentrations of benzo[a]pyrene and benzo[b]fluoranthene were 1~10×10-7g/L） were prepared, and three dimensional fluorescence spectra of all samples were collected by the LS-55 fluorescence spectrophotometer（PerkinElmer, USA）. Based on the three-dimensional fluorescence characteristics of single component and mixed solution, quantitative analysismodels of benzo[a]pyrene and benzo[b]fluoranthene were established in water using N-way partial least squares. For the benzo[a]pyrene in water, the correlation coefficient between the predicted and actual concentration is 0.979, and the predicted standard deviation is 6.02×10-7g/L; for thebenzo[b]fluoranthenein water, the correlation coefficient between the predicted and actual concentration is 0.952, and the predicted standard deviation is 7.76×10-7g/L. This study provides a theoretical and experimental basis for the detection of benzo[a]pyrene and benzo[b]fluoranthene in soil environments by laser-induced fluorescence.

three-dimensional fluorescence spectroscopy; benzo[a]pyrene; benzof[b]fluoranthene; water; N-way partial least squares

1008-5394（2018）03-0074-04

10.19640/j.cnki.jtau.2018.03.016

O657.33

A

2018-04-17

國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目（41771357）；天津市應(yīng)用基礎(chǔ)與前沿技術(shù)研究計(jì)劃項(xiàng)目（14JCYBJC30400）

王雙（1995-），女，本科在讀，研究方向：光譜檢測(cè)。E-mail：3035512959@qq.com。

楊仁杰（1978-），男，副教授，博士，主要研究方向：光譜檢測(cè)技術(shù)與應(yīng)用。E-mail：rjyang1978@163.com。