一种基于二维荧光相关谱分离测定水中腐殖酸的方法

1.本发明属于检测方法领域，特别涉及一种基于二维荧光相关谱分离测定水中腐殖酸的方法。


背景技术：

2.腐殖酸(humic acid，ha)是动植物遗骸经过微生物的分解、转化以及一系列的化学过程积累起来的一类有机物质，是一种由芳香族及多种官能团构成的高分子有机酸，具有良好的生理活性和吸收、络合、交换等功能，广泛存在于土壤、湖泊、河流、海洋以及泥炭(又称草炭)、褐煤、风化煤中。
3.水体中的腐殖酸主要来源于陆生动植物残体与微生物的新陈代谢，按照其在水体中的溶解度以及分子量可以将其分为黑腐酸、黄腐酸、褐腐酸等。腐殖酸是引起地表水和地下水色度、嗅味问题的主要因素之一。因为腐殖酸易与某些微量元素或重金属离子络合，影响其在水中的迁移，所以水中腐殖酸含量的增加会增大水的处理难度。此外，水中大量存在的腐殖酸在饮用水消毒过程中会生成具有毒性的消毒副产物(dbps)，而dbps是导致饮用水致突变性增加的主要原因，严重影响饮用水安全，对人类健康造成潜在危害。因此，要想准确评价水质有机污染的程度，精准检测水体中的腐殖酸含量是必不可少的。
4.荧光光谱技术由于灵敏度高、选择性好，检测限低等优点，已经被广泛应用于环境中腐殖酸的检测。中国发明专利公开号cn107525792a采用含有氮掺杂的碳量子点检测试纸提取水中腐殖质，然后进行荧光检测，并根据荧光强度与腐殖质浓度建立定量分析标准曲线。中国发明专利公开号cn109060735a公开了一种基于荧光强度与腐殖酸浓度之间的标准曲线来定量分析水体中腐殖酸浓度的检测方法。中国发明专利公开号cn108489952a针对水中荧光体特征峰相互重叠不易识别问题，公布了一种三维荧光结合二次微分检测水体溶解性有机物的方法。
5.但是由于水中的有机物种类繁多，通过上述现有方法进行荧光检测时会有其他有机物产生的荧光信号对腐殖酸的荧光信号造成干扰，这就对腐殖酸的准确定量造成了影响，限制了该项技术在腐殖酸检测方面的运用。为此，建立了一种基于二维相关荧光谱分离水体中重叠的腐殖酸荧光信息，并以此进行快速定量分析的检测方法。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于提供一种能够减小有机物荧光对腐殖酸荧光强度的干扰、提高定量分析精度的基于二维荧光相关谱分离测定水中腐殖酸的方法。为此，本发明采用以下技术方案：
7.一种基于二维荧光相关谱分离测定水中腐殖酸的方法，包括以下步骤：
8.(1)准备实验用单组分多环芳烃水溶液，以及由不同浓度腐殖酸和不同浓度多环芳烃分别混合得到的多个腐殖酸和多环芳烃的混合水溶液；
9.(2)在不同激发波长下，扫描各实验用单组分多环芳烃水溶液，以及所述多个混合
水溶液，得到实验用各样品随激发波长变化的一维动态荧光光谱；
10.(3)根据步骤(2)得到的实验用单组分多环芳烃水溶液的荧光谱，确定其特征荧光波带a；
11.(4)根据步骤(2)得到的实验用多个混合水溶液随激发波长变化的动态光谱，以激发波长为外扰，对其进行异步二维荧光相关谱计算，得到实验用混合溶液样品的异步二维相关谱；
12.(5)对步骤(4)中得到的异步二维相关谱，在步骤(2)确定的特征波带a处相切，得到实验用混合溶液样品的异步二维相关切谱；
13.(6)根据步骤(5)中得到的异步二维相关切谱，确定用于建立定量分析水中腐殖酸标准曲线的相关波带b；
14.(7)对步骤(5)得到的异步二维相关切谱，提取其在波带b处的相关强度，得到用于定量分析混合溶液中腐殖酸浓度的相关强度矩阵m；
15.(8)将步骤(7)得到的相关谱矩阵m与步骤1得到的多个腐殖酸和多环芳烃的混合水溶液中腐殖酸浓度数组c进行线性拟合，得到定量分析水中腐殖酸浓度的标准曲线；
16.(9)将含有腐殖酸和多环芳烃的未知样品的水溶液进行不同激发波长下的荧光光谱扫描，得到未知样品水溶液的动态一维荧光光谱数据；在激发波长外扰下，根据noda理论，计算出未知样品水溶液的异步二维荧光相关谱；在波带a处进行相切，得到未知样品水溶液的二维相关切谱；提取切谱在波带b处的相关强度，并将其代入步骤(8)得到的标准曲线中，得到未知样品水溶液中腐殖酸的浓度。
17.上述方法中，所述多环芳烃为菲、芘、荧蒽、苯并(a)芘或苯并[g,h,i]苝。
[0018]
在本发明的一个实施例中，所述多环芳烃为苯并[g,h,i]苝；步骤(1)中，苯并[g,h,i]苝水溶液中苯并[g,h,i]苝的浓度为0.12mg/l；腐殖酸的浓度为5-100mg/l，浓度梯度为5mg/l；苯并[g,h,i]苝的浓度为0.012-0.05mg/l，浓度梯度为0.002mg/l；将0.012mg/l-0.05mg/l的苯并[g,h,i]苝溶液分别与浓度为100mg/l-5mg/l的腐殖酸溶液一一对应混合，得到20组混合溶液；步骤(3)确定的特征荧光波带a为478nm；步骤(6)确定的特征波带b为444nm；步骤(9)得到的标准曲线为y＝-292.62x 35273。
[0019]
本发明以激发波长为外扰，计算实验用腐殖酸和苯并[g,h,i]苝混合溶液的异步二维荧光相关谱；通过切谱技术实现水体中腐殖酸与苯并[g,h,i]苝重叠荧光峰的分离和提取，在此基础上，建立定量分析水体中腐殖酸的标准曲线。其优点及有益效果如下：
[0020]
1、本发明充分利用二维荧光相关谱高分辨率的优势，有效提取了水体中组分复杂、腐殖酸和有机物相互重叠的荧光特征信息；
[0021]
2、本发明通过切谱技术实现了水体中腐殖酸荧光与有机物荧光的有效分离，减小了有机物荧光对腐殖酸荧光强度的干扰，提高了定量分析的精度；
[0022]
3、本发明为水体中荧光信息相互重叠的腐殖酸和有机物的定量分析提供了一种快速、便捷的检测方法，该方法简便、科学，可被应用于复杂环境体系中有机物重叠组分的检测。
附图说明
[0023]
图1为单组分苯并[g,h,i]苝水溶液的荧光谱；
[0024]
图2为腐殖酸和苯并[g,h,i]苝混合溶液的异步二维荧光相关谱；
[0025]
图3为腐殖酸和苯并[g,h,i]苝混合溶液的异步二维荧光相关切谱；
[0026]
图4为定量分析水体中腐殖酸浓度的标准曲线；
[0027]
图5为未知样品水体中腐殖酸浓度的预测结果与实际浓度的线性拟合曲线。
具体实施方式
[0028]
下面结合具体实施例对本发明的二维荧光相关谱分离测定水中腐殖酸的方法进行详细说明。
[0029]
实施例一
[0030]
一种基于二维荧光相关谱分离测定水中腐殖酸的方法，包括以下步骤：
[0031]
步骤(1)：准备实验用单组分浓度为0.12mg/l的苯并[g,h,i]苝(bgp)水溶液，以及20个不同浓度腐殖酸(5-100mg/l)和苯并[g,h,i]苝(0.05-0.012mg/l)的混合水溶液。本实施例中，所述步骤(1)中腐殖酸和苯并[g,h,i]苝(分析纯)均为sigma-aldrich公司生产。具体配制过程如下：
[0032]
取一定量的bgp粉末进行称重，首先用少量的优级乙醇把bgp溶解，再以蒸馏水为溶剂配制成0.5mg/l的bgp溶液作为实验用的pahs母液。
[0033]
取一定量的腐殖酸进行称重，用0.1mol/l的naoh水溶液进行溶解，得到100mg/l的腐殖酸母液。
[0034]
将上述pahs母液(0.5mg/l的bgp溶液)的一部分进行稀释，制成0.12mg/l的单组分bgp。
[0035]
将上述pahs母液(0.5mg/l的bgp溶液)的一部分进行稀释，配置成浓度为0.012mg/l-0.05mg/l的bgp，梯度为0.002mg/l。
[0036]
将上述的腐殖酸母液进行稀释，配置成浓度为5mg/l-100mg/l的腐殖酸溶液，梯度为5mg/l。
[0037]
将0.012mg/l-0.05mg/l的bgp分别与100mg/l-5mg/l的腐殖酸溶液一一对应混合，得到20组混合溶液。
[0038]
步骤(2)：在不同激发波长(240-460nm，间隔10nm)下，在400-600nm范围扫描各实验用单组分苯并[g,h,i]苝水溶液，以及不同浓度腐殖酸和苯并[g,h,i]苝的混合水溶液，得到实验用各样品的随激发波长变化的动态荧光光谱；
[0039]
本实施例中，采用美国珀金埃尔默公司生产的ls-55荧光分光光度计，对步骤1所制备的样品进行荧光测试。扫描条件为：激发波长：240-460nm，间隔10nm，发射波长：400nm-600nm，激发和发射狭缝均为15nm，光电倍增管电压是700，扫描速度是1000nm/min。
[0040]
图1为bgp在最佳激发波长304nm激发下的荧光光谱，可以看出bgp在478nm处存在强的特征荧光峰。
[0041]
步骤(3)：根据步骤(2)得到的实验用单组分苯并[g,h,i]苝水溶液的荧光谱，确定其特征荧光波带a为478nm；
[0042]
步骤(4)：根据步骤(2)得到的实验用混合溶液随激发波长变化的动态光谱，以激发波长为外扰，对其进行异步二维荧光相关谱计算，得到实验用混合溶液样品的异步二维相关谱；
[0043]
以激发波长为外扰，平均谱为参考谱，根据noda理论，对每个混合溶液样品的动态一维荧光谱进行异步二维相关谱计算。图2为某一浓度样品的异步二维荧光相关谱。
[0044]
步骤(5)：对步骤(4)中得到的异步二维相关谱，在步骤(2)确定的特征波带a处相切，得到实验用混合溶液样品的异步二维相关切谱；
[0045]
对异步二维荧光相关谱，在bgp强特征峰带478nm处相切，图3为用于建立定量分析腐殖酸标准曲线10个混合溶液样品的切谱。可以看出随着腐殖酸浓度的递增，相关强度呈现一个下降的梯度。
[0046]
步骤(6)：根据步骤(5)中得到的异步二维相关切谱，确定用于建立定量分析水中腐殖酸标准曲线的相关波带b；
[0047]
由图3切谱可以看出，在444nm处相关强度最强，因此选择444nm波带处相关强度来建立定量分析水中腐殖酸的标准曲线。
[0048]
步骤(7)：对步骤(5)得到的异步二维相关切谱，提取其在波带b处的相关强度，得到用于定量分析混合溶液中腐殖酸浓度的相关强度矩阵m；
[0049]
提取图3中10个混合溶液样品切谱在444nm处的相关强度，如表1所示。
[0050]
表1切谱444nm处的腐殖酸的相关强度
[0051][0052]
步骤(8)：将步骤(7)得到的相关谱矩阵m与混合溶液中腐殖酸浓度c进行线性拟合，得到定量分析水中腐殖酸浓度的标准曲线；
[0053]
将表1中混合溶液样品在444nm处荧光强度与对应的腐殖酸浓度进行线性拟合(图4)，其中复相关系数r2＝0.9636，拟合方程为：
[0054]
y＝-292.62x 35273
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(1)
[0055]
步骤(9)：将含有腐殖酸和苯并[g,h,i]苝的未知样品的水溶液进行不同激发波长下的荧光光谱扫描，得到未知样品水溶液的动态一维荧光光谱数据；在激发波长外扰下，根据noda理论，计算出未知样品水溶液的异步二维荧光相关谱；在波带a处进行相切，得到未知样品水溶液的二维相关切谱；提取切谱在波带b处的相关强度，并将其代入步骤(8)得到的标准曲线中，得到未知样品水溶液中腐殖酸的浓度。
[0056]
为验证模型的准确性，选用预测集的样品进行2d-cos计算，在切谱444nm处得到不同腐殖酸浓度对应的相关强度数值如表2所示。
[0057]
表2预测集样品切谱444nm处的腐殖酸的相关强度
[0058]
[0059][0060]
各个浓度切谱在444nm处得到的相关强度，通过代入步骤(8)得到的标准曲线预测其对应腐殖酸的浓度得到如表3所示。
[0061]
表3混合样品腐殖酸浓度的预测值
[0062][0063]
从图5腐殖酸浓度预测值和实际值的拟合曲线中可以得到：腐殖酸浓度预测值与实际值的rmse＝3.914，r2＝0.9794，由以上数据可知，此方法达到较好的预测精度。