王琪 賀依凡 唐倩倩 楊苗苗 王軍鋒

摘 ? 要：本文介紹了三維熒光光譜技術(shù)的機理和平行因子分析法原理。詳細評述了靈敏度高、選擇性好、獲取信息量大且對樣品無損的三維熒光光譜技術(shù)和具有強大數(shù)據(jù)處理功能的平行因子分析法對水中溶解性有機物成分解析研究的新進展。闡述該領(lǐng)域的最新研究熱點，并對今后的發(fā)展趨勢和研究方向進行前瞻性預測。

關(guān)鍵詞：三維熒光光譜 ? 平行因子分析法 ?地表水質(zhì)分析 ?溶解性有機物

中圖分類號：P641 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2020）02（b）-0251-02

溶解性有機物包括腐殖酸、親水性有機酸、氨基酸、碳水化合物等一系列有機物，一般指水體中能通過0.45um孔徑濾膜的有機質(zhì)，含量一般為0～50mg/L。腐殖質(zhì)是溶解性有機物的主要組成成分，根據(jù)水溶條件可分為水溶酸、富里酸和胡敏酸。溶解性有機物會影響環(huán)境行為特征，例如水體的pH值，水中污染物的毒性，生物降解性以及遷移和轉(zhuǎn)化規(guī)律。同時，研究表明，溶解有機絡合物可以強烈地絡合重金屬離子，這對它們在水環(huán)境中的遷移有一定影響。溶解性有機物的環(huán)境影響和環(huán)境行為已被學術(shù)界廣泛認可，并逐漸成為研究熱點。由于溶解性有機物組成復雜對其組成的表征和分析成為相關(guān)研究的關(guān)鍵所在。

目前，儀器技術(shù)的快速發(fā)展，科研人員從光譜學領(lǐng)域入手，逐漸促進了光譜學對溶解性有機物的實驗分析。三維熒光光譜（Three-dimensional Fluorescence Spectroscopy）具有靈敏度高、選擇性好、對樣品無損傷的優(yōu)點，近年來，它已廣泛用于水和土壤中溶解性有機物的表征和去除。在三維熒光光譜的應用中，數(shù)據(jù)評估方法起著至關(guān)重要的作用，三維熒光光譜結(jié)合有效的數(shù)據(jù)分析方法可用來定性定量表征溶解性有機物中的組分變化。

1 ?三維熒光光譜及平行因子分析法

三維熒光光譜以三維投影圖的形式顯示了不同激發(fā)波長和發(fā)射波長下的熒光強度。 它的三個維度分別是激發(fā)波長，發(fā)射波長和熒光強度（I*J*F），因此熒光物質(zhì)可以顯示具有直觀準確圖形的等高線圖。在溶解性有機物的研究中，通常，激發(fā)光波長為200～450nm，發(fā)射波長為280～550nm。

平行因子分析方法基于三線性分解理論，使用交替算法是基于三線性分解理論并使用交替最小二乘原理的迭代型三位數(shù)矩陣分解算法。 將三維陣列X分解成三個負載矩陣，然后分解溶解的有機物的三維熒光光譜。 平行因子模型分析將在Matlab 12.0軟件中與處理后的數(shù)據(jù)一起執(zhí)行。 同時，采用二分法和殘差分析法檢驗平行因素分析模型的有效性，確定最佳溶解有機物數(shù)量[3]。

2 ?三維熒光光譜及平行因子分析法的應用

付川等使用三維熒光光譜研究了長江不同水樣和取樣點的水樣中溶解性有機物的熒光特征，結(jié)果表明，不同采樣點的熒光峰強度存在明顯差異，該方法可有效鑒別庫區(qū)水質(zhì)污染[4];吳靜等基于三維熒光光譜技術(shù)對北京市城市水體進行了分析，研究表明，三維熒光光譜圖可以顯示污染程度和污染源[5]。蔡文良等利用三維熒光光譜，并結(jié)合平行因子分析及主成分分析，研究表明，平行因子分析模型識別出長江重慶段溶解性有機物由2類6個熒光組分組成，不僅可以表征光譜特征，還可以示蹤有機污染程度[6]。蔡廣強等研究了中國典型的南方水源，結(jié)果表明：水溶性有機物主要由芳香蛋白物質(zhì)組成，可溶性微生物代謝產(chǎn)物，富里酸和腐殖質(zhì)的含量逐漸增加[7]。

呂清等研制出的污染預警溯源儀能夠根據(jù)水紋峰型及峰強度的變化進行對比實現(xiàn)溯源，并用pH、苯胺類、TOC和TN等水質(zhì)指標的變化來檢驗診斷結(jié)果[8]。張華等利用三維熒光光譜技術(shù)研究合肥市某污水處理廠中溶解性有機物變化過程，研究表明，溶解性有機物中的低激發(fā)波長色氨酸、高激發(fā)波長色氨酸和可見光區(qū)類腐殖質(zhì)經(jīng)厭氧處理后，熒光強度都明顯降低[9]。祝鵬等建立了平行因子分析法對湖泊水樣的三維熒光光譜數(shù)據(jù)進行了熒光物質(zhì)組分分解，通過平行因子分析法確定樣品中熒光材料的合理數(shù)量，并實現(xiàn)熒光材料的合理降解[10]。王書航等研究了蠡湖水體中有色可溶性有機物的分布特征，研究表明，利用平行因子分析法模型識別出了2個熒光組分，類色氨酸熒光組分含量遠高于類腐殖質(zhì)熒光組分，且熒光強度均呈現(xiàn)出自東向西依次減弱的趨勢[11]。杜爾登等基于三維熒光光譜組合平行因子分析，解析出3個有效的平行因子分析熒光組分，用UV/H2O2來去除熒光組分。

3 ?熱點分析

三維熒光光譜分析技術(shù)可有效表征水體中溶解性有機物，數(shù)據(jù)處理方法包括峰值法和熒光區(qū)積分法，再到平行因子分析法，再到HPLC / HPSEC和平行因子分析法來研究溶解性性有機物。這種化學分離與化學計量學分離相結(jié)合的分析方法已成為三維熒光光譜分析的方向[13]。為了能在解決實際問題這一方面更多的運用三維熒光光譜技術(shù)，以下幾個方面將是也一定會是研究的重點：

（1）建立不同水體類型的溶解性有機物三維熒光指紋數(shù)據(jù)庫;

（2）發(fā)明更加方便靈敏的污染溯源儀;

（3）開發(fā)平行因子分析的更多功能，推動三維熒光光譜技術(shù)與平行因子分析技術(shù)的聯(lián)合應用。

4 ?前景與展望

溶解性有機物是包括腐殖質(zhì)、蛋白質(zhì)和其它芳族或脂族有機化合物的復雜混合體，其對水環(huán)境及生態(tài)系統(tǒng)等都產(chǎn)生重要影響，控制溶解性有機物的生產(chǎn)和防治溶解性有機物是改善生態(tài)環(huán)境、改善人類生存條件及保證人類健康發(fā)展的基礎。溶解性有機物，特別是其成分和含量非常重要，必將在以后的研究中獲得更多關(guān)注，并在以下幾個內(nèi)容取得巨大成果：

（1）溶解性有機物 中尚有未知的組分來源及特征;

（2）平行因子分析法還需要有進一步的驗證與探索的必要;

（3）還沒有統(tǒng)一的溶解性有機物組分熒光特性指標的標準。

參考文獻

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