巫培山，陳宇萍，2，梁維新*，郭鵬然，雷永乾，潘佳釧

（1.廣東省科學(xué)院測試分析研究所（中國廣州分析測試中心），廣東省化學(xué)測量與應(yīng)急檢測技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東廣州 510070；2.五邑大學(xué) 生物科技與大健康學(xué)院，廣東 江門 529000）

石油類污染物質(zhì)在我國危險(xiǎn)廢棄物名錄48 種危險(xiǎn)物質(zhì)中排名第8 位［1］，具有持久性、難降解、易積累的特點(diǎn)［2］，其含有的多環(huán)芳烴（PAH）如苯并［a］蒽、?、苯并［b］熒蒽具有潛在致癌性［3］，可干擾生物的生理功能，影響繁殖、生長和免疫能力，甚至導(dǎo)致生物死亡［4］。同時(shí)，石油類物質(zhì)進(jìn)入水體后可形成油膜阻礙水體的復(fù)氧作用，抑制生物呼吸和影響海洋浮游生物生長，破壞水生態(tài)環(huán)境平衡，造成嚴(yán)重的生態(tài)危害［5］。

目前石油類污染物質(zhì)的測定方法主要有重量法［6］、氣相色譜法［7］、紅外分光光度法［8］、紫外分光光度法［9］和熒光分光光度法［10-11］等。其中熒光分光光度法利用石油類污染物中的芳烴組分在紫外光的激發(fā)下發(fā)射出特定波長的熒光特性進(jìn)行測定，具有靈敏度高、響應(yīng)快速、免破壞樣品等優(yōu)勢［12］，但上述方法均為實(shí)驗(yàn)室檢測方法，需從現(xiàn)場采集樣品，再通過有機(jī)溶劑萃取后測定，因此時(shí)間和人力成本較高，且需使用大量有機(jī)溶劑，難以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場原位、高頻率監(jiān)測及全天候監(jiān)測，無法及時(shí)反映水體真實(shí)污染狀況。水中石油類污染物的原位、快速分析技術(shù)具有實(shí)時(shí)性強(qiáng)、響應(yīng)速度快的特點(diǎn)，可通過較高的頻率對目標(biāo)水體進(jìn)行現(xiàn)場原位監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)水中石油類污染數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)、連續(xù)數(shù)據(jù)反饋［13］以及監(jiān)測數(shù)據(jù)自動(dòng)化采集和傳輸，提高水環(huán)境智能化監(jiān)測水平。該方法避免了頻繁人工采樣和樣品處理［14］，降低了整體監(jiān)測成本，同時(shí)減少了人為因素對監(jiān)測結(jié)果的影響，提高數(shù)據(jù)的可靠性［15］。國外對于水中石油類污染物的原位檢測技術(shù)起步較早，目前已有較成熟的技術(shù)與產(chǎn)品，市占率較高，如HACH 公司的FP360 sc、Turner designs 公司的C3TM等，而國內(nèi)的同類型儀器起步相對較晚，為此，有必要開展水中石油類污染物的原位快速分析技術(shù)研究，為我國水生態(tài)環(huán)境監(jiān)測提供技術(shù)支持。

本文研制了一種基于熒光光度法的水中石油類污染物原位測定裝置，考察了裝置檢測性能，并對實(shí)際樣品進(jìn)行檢測。該研發(fā)裝置具有穩(wěn)定性好、準(zhǔn)確度高、響應(yīng)速度快的優(yōu)勢，適用于野外環(huán)境現(xiàn)場監(jiān)測、環(huán)境事故現(xiàn)場應(yīng)急檢測等領(lǐng)域。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

三維熒光光譜儀（Aqualog?，法國HORIBA Scientific 公司）；原位測油裝置（自研）；分析天平（BSA224S-CW，德國賽多利斯公司）。海洋環(huán)境監(jiān)測石油成分分析標(biāo)準(zhǔn)物（以下簡稱HJ 油標(biāo)準(zhǔn)）（1 000 mg/L，國家海洋環(huán)境監(jiān)測中心）；福爾馬肼渾濁度溶液標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)（4 000 NTU，北京北方偉業(yè)計(jì)量技術(shù)研究院有限公司）；腐殖酸（≥90%）、正己烷（色譜純），購自阿拉丁試劑（上海）有限公司；實(shí)驗(yàn)用水為超純水（電阻率≥18.2 MΩ·cm）；汽油、柴油、重油、潤滑油等石油類標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)由油品檢測服務(wù)機(jī)構(gòu)提供。

1.2 標(biāo)準(zhǔn)溶液配制

石油類標(biāo)準(zhǔn)溶液：使用天平分別準(zhǔn)確稱量0.01 g 的重油、柴油、汽油、潤滑油于燒杯中，加入正己烷溶解后轉(zhuǎn)移至25 mL 容量瓶，使用正己烷定容至刻度，得到各石油類污染物的標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備溶液。使用正己烷將石油類污染物標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備液稀釋至0.5、1、5、10、50、100、500、1 000 mg/L 后作為石油類標(biāo)準(zhǔn)溶液使用，使用三維熒光光譜儀測定。

水中油標(biāo)準(zhǔn)溶液：石油類污染物在水中溶解度較低，過量的油易在水體表面形成油膜，難以形成均勻的水中油溶液。本研究中，通過向高純水中加入一定量石油類物質(zhì)，放置一段時(shí)間后去除表面油膜，將剩余溶液轉(zhuǎn)移至潔凈燒杯中以去除原容器中過量油在容器表面形成的油斑，所得即為均勻穩(wěn)定的水中油標(biāo)準(zhǔn)溶液。使用正己烷萃取水中油標(biāo)準(zhǔn)溶液，然后采用實(shí)驗(yàn)室測定方法測定萃取液中油類物質(zhì)的濃度，最終得到水中油標(biāo)準(zhǔn)溶液中實(shí)際的油類濃度。本文采用常見的水中油類污染物重油、柴油以及潤滑油分別配制了3 種水中油標(biāo)準(zhǔn)溶液，其實(shí)際質(zhì)量濃度分別為21.1、20.58、35.25 mg/L，并用于研制的原位測油裝置的校準(zhǔn)和測試。

1.3 樣品測試方法

實(shí)驗(yàn)室測試方法：參考文獻(xiàn)［11］，使用10 mL 正己烷萃取100 mL 水樣中石油類物質(zhì)后使用三維熒光光譜儀測定其熒光強(qiáng)度，每次測定前潤洗比色皿2～3 次。原位測油裝置測試方法：無需采集水樣和采用有機(jī)溶劑進(jìn)行萃取，根據(jù)測定深度將探頭浸入水下合適位置，穩(wěn)定20 s后直接原位測定。

2 結(jié)果與討論

2.1 裝置原理與整體設(shè)計(jì)

石油類污染物中的芳香族化合物和多環(huán)化合物受到紫外光激發(fā)時(shí)，其分子內(nèi)部的電子會(huì)躍遷到一個(gè)較高的能級(jí)，形成激發(fā)態(tài)，隨后，這些激發(fā)態(tài)的分子會(huì)發(fā)生非輻射躍遷返回到基態(tài)并釋放熒光，其熒光信號(hào)強(qiáng)度與濃度呈正相關(guān)［16］。因此，可以通過測量熒光強(qiáng)度計(jì)算水中石油類污染物的濃度，本工作即基于該原理研制水中石油類污染物的便攜式原位測試裝置。裝置整體采用浸入式探頭設(shè)計(jì)，主要由熒光光路以及數(shù)據(jù)采集兩部分組成，其中熒光光路部分由LED 激發(fā)光源、透鏡、二向色鏡、光電二極管組成，數(shù)據(jù)采集部分由精密光電轉(zhuǎn)換放大器、數(shù)模轉(zhuǎn)換器、下位機(jī)、上位機(jī)組成，系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 原位測油裝置整體設(shè)計(jì)圖Fig.1 Design of in-situ oil measurement device

上位機(jī)通過控制下位機(jī)驅(qū)動(dòng)LED 激發(fā)光源發(fā)射紫外激發(fā)光，待測水樣中的石油類污染物在紫外光激發(fā)作用下產(chǎn)生熒光；熒光光路中的光電二極管檢測熒光強(qiáng)度并轉(zhuǎn)化為電流信號(hào)；精密光電轉(zhuǎn)換放大器接收并精確放大來自光電二極管的微弱電流信號(hào)，將其轉(zhuǎn)換為模擬電壓信號(hào)；模數(shù)轉(zhuǎn)換器將模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)為數(shù)字信號(hào)并發(fā)送至下位機(jī)，再通過上位機(jī)轉(zhuǎn)化為濃度顯示。

2.2 激發(fā)波長與發(fā)射波長

使用三維熒光光譜儀測定了各類石油類物質(zhì)（HJ油標(biāo)準(zhǔn)、重油、柴油、汽油、潤滑油）的三維熒光圖譜（見圖2）。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，HJ油標(biāo)準(zhǔn)、汽油、柴油、潤滑油等的激發(fā)光波長主要在250～350 nm 范圍內(nèi)，發(fā)射波長為300～450 nm；重質(zhì)油的激發(fā)波長為250～400 nm，發(fā)射波長為300～500 nm；HJ 油標(biāo)準(zhǔn)的主要成分是20號(hào)柴油，屬于輕質(zhì)油，因此其三維熒光圖與其他輕質(zhì)油接近。重油和輕質(zhì)油三維熒光圖譜的差異可能是由于石油分餾過程導(dǎo)致，重油和輕質(zhì)油之間沸點(diǎn)的差異使重油含有更多的高沸點(diǎn)多環(huán)芳烴，而輕質(zhì)油則含有更多的低沸點(diǎn)芳烴［17］。因此，確定石油類污染物的有效激發(fā)波長為250～400 nm，發(fā)射波長為300～500 nm。

圖2 HJ油標(biāo)準(zhǔn)（A）、重油（B）、柴油（C）、汽油（D）、潤滑油（E）及正己烷（F）的三維熒光圖譜Fig.2 Three-dimensional fluorescence spectra of HJ oil standard（A），heavy oil（B），diesel（C），gasoline（D），lubricating oil（E） and n-hexane（F）

2.3 激發(fā)光源

常用熒光激發(fā)光源包括脈沖氙燈光源、汞燈、激光器、LED 光源等，氙燈和汞燈可提供多個(gè)波段的高強(qiáng)度紫外激發(fā)光，目前已有商品化的微型脈沖氙燈和汞燈，但由于本裝置為水下浸入式探頭設(shè)計(jì)，內(nèi)部空間緊湊，微型氙燈和汞燈的體積對于本裝置仍然較大而不適用。激光器光源亮度高、發(fā)光方向集中，但尚未發(fā)現(xiàn)具有合適波長的激光器。LED 光源具有較窄的譜線寬度，波長可選擇性較多，可提供相對純凈的激發(fā)波長，且結(jié)構(gòu)緊湊，體積小巧，便于集成和安裝［18］，適合用于本裝置。

根據(jù)石油類污染物的熒光激發(fā)與發(fā)射波長的測定結(jié)果，選擇中心波長為254、275、305、365 nm的LED 光源，采用中心波長為360、450 nm 的帶通濾光片濾除激發(fā)光和環(huán)境光干擾，使用光電二極管測定熒光（與光源夾角90°，使用比色皿測定），考察不同激發(fā)光源與檢測波長的組合對石油類污染物的信噪比，結(jié)果如表1 所示。采用激發(fā)波長275 nm 與檢測波長360 nm 組合時(shí)裝置信噪比較好；采用365 nm 激發(fā)時(shí)，對HJ油標(biāo)準(zhǔn)的信噪比與254、305 nm 光源基本相當(dāng)，對重油的信噪比高于二者。雖然365 nm 在各類油品中非最佳激發(fā)波長（見圖2），但該波長的LED 發(fā)光效率遠(yuǎn)高于254～305 nm，由于檢測熒光強(qiáng)度與激發(fā)光強(qiáng)度成正比［19］，因此使用高光輻射功率的365 nm 激發(fā)光源獲得了與其他波長相當(dāng)?shù)男旁氡?；同時(shí)，由于能量轉(zhuǎn)換效率的差異導(dǎo)致254～305 nm 的LED 光源發(fā)熱和光衰較為嚴(yán)重，不適于長時(shí)間、高頻次的原位監(jiān)測。綜合以上因素，最終選擇365 nm的LED作為激發(fā)光源。

表1 不同波長LED光源對石油類污染物檢測靈敏度的影響Table 1 Influence of different wavelength LED light sources on the sensitivity of petroleum pollutant detection

2.4 光路設(shè)計(jì)

圖3 為本研究研制的熒光光路原理圖，該光路利用二向色鏡對特定波長的選擇性透過和反射作用分離激發(fā)光與發(fā)射光，所采用的二向色鏡為具有透過特定波長（≤400 nm）的激發(fā)光，可反射待測樣品發(fā)射出的特定波長的熒光（≥400 nm）的光學(xué)特性。在激發(fā)光源開啟狀態(tài)時(shí)，激發(fā)光依次通過準(zhǔn)直透鏡（平凸透鏡）、光源濾光片、二向色鏡后，再通過聚焦透鏡和光窗進(jìn)入待測水樣中。待測水樣中的石油類污染物受到激發(fā)后，產(chǎn)生的熒光依次通過光窗和透鏡，通過二向色鏡反射作用，經(jīng)過聚焦透鏡、發(fā)射濾光片后進(jìn)入光電二極管中進(jìn)行測定。該設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是，激發(fā)與發(fā)射光均從同一個(gè)光窗進(jìn)出，入射和出射角度相對一致，可以更容易進(jìn)行對位調(diào)整，減少了對光路對齊的要求，簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，具有較好的光學(xué)系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性；同時(shí)，光窗垂直向下的設(shè)計(jì)可避免水體環(huán)境光的干擾。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)當(dāng)激發(fā)光的光斑約為2～3 mm時(shí)可獲得最大靈敏度。

圖3 原位測油裝置的熒光光路原理圖Fig.3 Schematic diagram of the fluorescence optical path of in-situ oil measurement device

2.5 數(shù)據(jù)采集模塊

在環(huán)境濃度下，石油類污染物產(chǎn)生的熒光強(qiáng)度非常微弱，如何精確放大光電二極管產(chǎn)生的微弱電流信號(hào)是保證裝置具有良好靈敏度和抗干擾能力的關(guān)鍵［19］。該器件通過I/V轉(zhuǎn)換電路、放大電路組成將微弱電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為0～5 V 的電壓信號(hào)并輸出，采用低紋波線性電源對該器件供電，消除高頻噪聲干擾，確保輸出信號(hào)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。再通過AD 轉(zhuǎn)換器將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)并發(fā)送至下位機(jī)中，完成數(shù)據(jù)的采集。

2.6 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與集成

研制的石油類污染物的便攜式原位測定儀采用水下浸入式探頭設(shè)計(jì)，整體構(gòu)造如圖4 所示，熒光光路模塊安裝于探頭底部，激發(fā)光與熒光均從安裝于底蓋處的光窗進(jìn)出；底蓋、筒體外殼、頂蓋均使用316不銹鋼材料制成以應(yīng)對海水、廢水等環(huán)境中的鹽離子、酸性物質(zhì)和其他腐蝕性介質(zhì)；I/V 轉(zhuǎn)換放大器與光電二極管采用短線材連接，以避免熒光產(chǎn)生的微弱電流信號(hào)受干擾；使用三層固定安裝支架分別安裝LED 驅(qū)動(dòng)電源、下位機(jī)以及正負(fù)線性電源以保證器件散熱；外殼連接處均使用密封墊圈以及環(huán)氧樹脂密封連接以防止液體滲漏。

圖4 原位測油裝置結(jié)構(gòu)Fig.4 Structure of in-situ oil measurement device

2.7 性能驗(yàn)證

2.7.1 線性范圍按照“1.2”方法使用船舶油配制重油、柴油、潤滑油的水中油標(biāo)準(zhǔn)溶液，使用高純水逐級(jí)稀釋至一定倍數(shù)后，配制質(zhì)量濃度分別為0、1、5、10、20 mg/L 的水中油溶液后，使用研制的原位測油裝置浸入水體中至完全沒入后，進(jìn)行原位測定，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2。3 種石油類物質(zhì)在0～20 mg/L質(zhì)量濃度范圍時(shí)，線性結(jié)果良好。

2.7.2 干擾因素的考察為了考察原位測油裝置的測定干擾，使用原位測油裝置測定10 mg/L 水中油（重油）溶液，以及分別添加了腐殖酸和福爾馬肼溶液的水中油混合溶液。結(jié)果如圖5 所示，當(dāng)溶液有機(jī)質(zhì)（DOM）的質(zhì)量濃度≤50 mg/L，濁度值≤10 NTU時(shí)，測定10 mg/L 水中油溶液的相對誤差在10%以內(nèi)。由于環(huán)境水體中DOM的質(zhì)量濃度一般≤20 mg/L［20-21］，濁度值主要集中在10 NTU范圍內(nèi)［22］，因此實(shí)際環(huán)境水體在通常濃度下對本裝置的測定結(jié)果影響較小，基本滿足現(xiàn)場快速原位檢測的需求。

圖5 DOM質(zhì)量濃度（A）及濁度（B）對測定10 mg/L水中油的影響Fig.5 Effects of DOM mass concentration（A） and turbidity（B） on detection of 10 mg/L oil in water solution

2.7.3 示值誤差與重復(fù)性使用原位測油裝置分別重復(fù)測定1 mg/L和10 mg/L的水中油標(biāo)準(zhǔn)溶液7次，根據(jù)公式：Δc=(-c-cs）/cs×100%計(jì)算裝置的示值誤差，式中Δc為示值誤差；-c為7次測量值的平均值（mg/L）；cs為標(biāo)準(zhǔn)溶液的質(zhì)量濃度（mg/L）。以測定值的RSD評(píng)價(jià)裝置的重復(fù)性。測定結(jié)果如圖6所示，高濃度和低濃度的水中油溶液的示值誤差均在3%以內(nèi)，表明準(zhǔn)確性良好；在重復(fù)性方面，低濃度標(biāo)準(zhǔn)溶液的測定值的RSD雖然較高，但測定值基本在0.90～1.12 mg/L范圍內(nèi)波動(dòng)，滿足現(xiàn)場快速檢測的需求。

圖6 原位測油裝置在低濃度（A）與高濃度（B）水中油標(biāo)準(zhǔn)溶液的示值誤差與重復(fù)性Fig.6 Indication errors and repeatabilities of in-situ oil measurement device at low concentration（A）and high concentration（B） of oil in water

2.7.4 儀器比對測試配制一定濃度的水中油溶液a、b、c、d、e，分別使用原位測油裝置以及實(shí)驗(yàn)室方法（使用正己烷萃取后通過三維熒光光譜儀測定）測定，對比兩種測試方法的結(jié)果（圖7A）。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，使用實(shí)驗(yàn)室儀器測定結(jié)果與原位測油裝置的測試結(jié)果非常接近，二者的差值基本在0.5 mg/L范圍內(nèi)。通過線性回歸模型評(píng)價(jià)三維熒光儀與原位測油裝置測量值的相關(guān)性（圖7B），結(jié)果顯示二者的測量值具有很強(qiáng)的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)（R）為0.999 8，表明原位測油裝置與實(shí)驗(yàn)室檢測方法之間具有良好的一致性。

圖7 原位測油裝置與實(shí)驗(yàn)室測試方法的結(jié)果比對（A）及其相關(guān)性分析（B）Fig.7 Comparison of results measured by in-situ oil measurement device and laboratory measurement（A） and its correlation analysis（B）

2.7.5 檢出限以高純水作為空白樣品，使用原位測油裝置連續(xù)測定11 次，以11 次測定值的3 倍標(biāo)準(zhǔn)偏差與標(biāo)準(zhǔn)曲線斜率之比計(jì)算原位測油裝置對水中油的檢出限為0.42 mg/L，該結(jié)果滿足地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（GB 3838-2002）IV和V類水質(zhì)限值（0.5 mg/L和1 mg/L）的要求。

2.7.6 實(shí)際樣品測定分別取500 mL地下水、河流水、工廠廢水，使用實(shí)驗(yàn)室檢測方法（見“1.3”）與原位測油裝置測定水中油的濃度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表3，原位測油裝置的測試結(jié)果顯示3種樣品的加標(biāo)回收率為91.2%～114%，說明研制的原位測油裝置具有良好的準(zhǔn)確性，可滿足環(huán)境水體的原位檢測需求。

表3 實(shí)際樣品的測定及加標(biāo)回收率結(jié)果（n=3）Table 3 Determination of real sample and its recoveries（n=3）

3 結(jié) 論

本文研制了一種基于熒光光度法的水中石油類污染物便攜原位測定裝置，與現(xiàn)有測試方法與儀器對比，本裝置采用浸入式探頭原位測定水中油濃度，避免使用萃取劑，具有準(zhǔn)確度高、靈敏度好、使用成本低、儀器便攜、環(huán)境友好等優(yōu)勢，可應(yīng)用于各類水體中石油類污染物的原位快速測定。