浅谈荧光光谱法在水质监测中的应用

浅谈荧光光谱法在水质监测中的应用

 

摘要：普通自来水、城市污水和纯水我们通常会选用荧光光谱法来进行比较，而荧光光谱法的特点则适用于这三种荧光光谱法的实验运用。在同一紫外光激励下，普通自来水和纯水所产生的荧光光谱无明显差异，而城市污水与纯水比较所产生的荧光光谱有明显差异；以不同波长的紫外光激励，城市污水以及纯水水样的荧光光谱除相对强度有所变化外，线形、峰值波长基本不变，符合荧光光谱的一般特性。城市污水在波长270nm左右的紫外光激励下能产生较强的荧光。荧光峰是280--530nm范围的宽谱峰，荧光峰值波长在380nm左右；荧光光谱的特性反映水质的污染状况，相对强度大、谱峰范围宽的荧光光谱来自于城市污水中的有机污染物。

随着改革开放以来，工业的快速发展使城市堆积越来越多污染物，而这些污染物流入到河流中去不仅使环境受到威胁，而且更重要的是对人类的饮用水造成威胁。快速真实地监测水质变化以便及时发现污染事件并采取相应的措施尤为重要。目前，我国环境监测部门多采用常规的化学手段分析水质状况(如COD、BOD的测定等)。然而，随着污染情况的日益复杂和人们对污染监测指标要求的不断变化，此类方法暴露出许多不足。比如，上述测试十分费时，步骤也很繁杂，不能及时监测水质的实时变化。为此，环境监测部门迫切需要新的监测技术手段，以克服传统检测方法的许多不足。荧光光谱分析法作为水质分析手段之一，具有快速、高灵敏度、高选择性、所需样品量少和对样品结构无破坏等特点。分子荧光光谱法为大型湖泊和河流的水质监测提供了潜在应用的可能，国外对此研究开展较早，并取得了迅猛的发展和应用，利用荧光光谱技术可以快速、实时地分析各种水质状况，并能取得很好的效果。

一、荧光光谱法的应用概况

通过荧光光谱法的应用，无疑是给水质检测工程提供了良好的检测基础，要了解荧光光谱法在水质检测中的积极应用，就必须先了解荧光光谱法的有关概况。

（一）荧光光谱法的概念

荧光光谱是指物质吸收了较短波长的光能，电子被激发跃迁至较高单线态能级，返回到基态时发射较长波长的特征光谱，包括激发光谱和发射光谱。而荧光光谱法就是利用荧光光谱所呈现的特征来鉴定事物的有关概况，从而进行比较和分析，得出结论再进行改善处理。

（二）荧光光谱

物体经过较短波长的光照，把能量储存起来，然后缓慢放出较长波长的光，放出的这种光就叫荧光。如果把荧光的能量--波长关系图作出来，那么这个关系图就是荧光光谱，荧光光谱当然要靠光谱检测才能获得。

高强度激光能够使吸收物种中相当数量的分子提升到激发量子态，因此极大地提高了荧光光谱的灵敏度。以激光为光源的荧光光谱适用于超低浓度样品的检测，例如用氮分子激光泵浦的可调染料激光器对荧光素钠的单脉冲检测限已达到10-10摩尔／升，比用普通光源得到的最高灵敏度提高了一个数量级。荧光光谱有很多，如原子光谱。1905年，Wood首先报道了用含有NaCl的火焰来激发盛有钠蒸气的玻璃管，并得到了D线的荧光，被Wood称为共振荧光。在Mitchell及Zemansky和Pringsheim的著作里讨论了某些挥发性元素的原子荧光。火焰中的原子荧光则是Nichols和Howes于1923年最先报道的，他们在Bunsen焰中做了Ca、Sr、Ba、Li及Na的原子荧光测定。从1956年开始，Alkenmade利用原子荧光量子效率和原子荧光辐射强度的测定方法，以及用于测量不同火焰中钠D双线共阵荧光量子效率的装置，预言原子荧光可用于化学分析。1964年，美国的Winefordner和Vickers提出并论证了原子荧光火焰光谱法可作为一种新的分析方法。同年，Winefordner等首次成功地用原子荧光光谱测定了Zn、Cd、Hg。有色散原子荧光仪和无色散原子荧光仪的商品化，极大地推动了原子荧光分析的应用和发展，使其进入一个快速发展时期。

荧光光谱包括激发谱和发射谱两种。激发谱是荧光物质在不同波长的激发光作用下测得的某一波长处的荧光强度的变化情况，也就是不同波长的激发光的相对效率；发射谱则是某一固定波长的激发光作用下荧光强度在不同波长处的分布情况，也就是荧光中不同波长的光成分的相对强度。

（三）原子荧光光谱

气态自由原子吸收光源的特征辐射后，原子的外层电子跃迁到较高能级，然后又跃迁返回基态或较低能级，同时发射出与原激发波长相同或不同的发射即为原子荧光。原子荧光是光致发光，也是二次发光。当激发光源停止照射之后，再发射过程立即停止。

二、普通自来水、城市污水以及纯水的荧光光谱法实验

针对荧光光谱法的有效性，把荧光光谱法运用在水质检测运作程序当中，这是一项进步的检测方式，也是水质检测项目里创新的体现。下面我们来看普通自来水、城市污水和纯水在荧光光谱法中的实验概况。

（一）普通自来水

普通自来水是我们的日常用水，它的水质问题往往影响着我们的生活，要检测普通自来水的水质，通过荧光光谱法就可以很好地把问题显示出来。现在我们先来介绍实验方法：取3ml试样盛于本身不产生荧光的石英比色皿中，置于荧光分光光度计的样品室中，用不同波长的紫外光激励试样，测量其荧光光谱。实验在25V左右室温下进行，利用不同水样受光照射激励时所产生的不同荧光光谱，定性反映水质特性。通过用波长270、280、290、300、310、320nm的紫外光来激励普通自来水，实验后得出的结果是，荧光峰在290-370范围内的宽普峰，峰值波长一般在330nm左右。

（二）城市污水

城市污水是城市一个水处理循环中的一项重要步骤，要对城市

生活污水中的成分和有关情况进行分析，就要从处理方法中加以改善，而荧光光谱法的运用则可以对城市生活污水的成分和污染度进行有效观察和分析，从而得到数据研究污水情况。用同样的方法，取3mI，试样盛于本身不产生荧光的石英比色皿中，置于荧光分光光度计的样品室中，用不同波长的紫外光激励试样，测量其荧光光谱。实验在25V左右室温下进行，实验后发现，用波长270、280、290、300、310、320nm的紫外光激励城市污水，荧光峰在280-530范围内的宽普峰，峰值波长一般在380nm左右。

（三）纯水

纯水是人们所希望一直使用的水质，但是一般来说，纯水的成

本和工序都比较复杂，不适宜成为人们的生活用水，所以纯水的水质也是相对较高的。要检测纯水的水质，我们依然使用荧光光谱法。与普通自来水和城市污水的检测方法相同，在检测后，结果显示是用270、280、290、300、310、320nm的紫外光激励纯水，荧光峰是

290--355nm范围的宽谱峰，峰值波长在330nm左右。

（四）实验后数据的体现

在检测自来水、城市污水和纯水水质时，实验的方法是相同的，

均使用荧光光谱法来检测，检测后均使用图表的形式来进行研究。图表中的纵轴代表相对强度，横轴代表波长，中间的峰代表荧光光谱峰，左右分别代表激励光谱峰和二级衍射峰。了解了图表所代表的各范围意思，就可以更好地去分析水质的情况。

三、同一紫外光激励下的荧光光谱

波长在270nm的紫外光激励下，所采取的水样品才能产生比较强的荧光，因此，在检测过程中，我们往往会将波长为270nm的紫外荧光激励自来水、污水和纯水，制造统一的波长光谱，这样能方便分析对比。通过实验证明，在同一的紫外荧光激励作用下，城市污水产生出来的光谱是典型的荧光光谱，但是相比较而言，城市污水所产生的荧光强度最大，谱峰范围最宽，自来水则相对有大幅度减弱，而纯水的荧光强度最弱，谱峰范围也最窄。根据我们的实际情况来言，城市污水因其是生活污水居多，它的荧光强度也是最大，谱峰范围最宽，这正是因为城市污水中的污染物质所造成的。又由于污染物质的种类较多，而每一种污染物又会产生自身的荧光，所以多种荧光合并起来，造成了谱峰范围宽的现象。另一个方面，水分子本来是不能产生荧光的，但是我们所采取的水样不可能是百分百的纯水，而纯水也不可能是完全的纯水，因此纯水的样品检测出来之后还是会产生谱峰的。在同一波长的实验下，由于自来水也是经过处理的水，自来水还是会有一部分的杂质在其中，所以普通的自来水也会产生荧光，比纯水的水质要差。但是用自来水与城市污水来对比，自来水的荧光强度比污水荧光强度相对较小，这又反映了一个问题就是，城市污水的污染情况越来越严重。荧光的强度越大，就显示着城市污水情况越严重，所以，荧光光谱在水质检测中具有重要的位置。

四、荧光光谱法的意义

荧光光谱法的运用无疑给水质检测带来了创新的检测方法，这种方法比传统的水质检测方法来得方便、科学。我们对荧光的普遍理解就是一种颜色，但是也没有真正从它的用途上考虑过。荧光光谱法的应用是一种创新，在同一紫外光线的激励下，城市污水与纯水比较后所产生的光谱有明显的差异，而城市污水在波长为270nm的紫外光下能产生强度较大的荧光强度，而这个荧光峰一般处在280-530nm范围的宽谱峰。我们通过实验可以发现，荧光光谱法其实就是通过荧光性质进行的实验，荧光在水分子中不可能产生，但在有污染物质的水质中便能产生，利用荧光特性观察水质污染状况，这对于水质检测来说既具有科学性，又具有可行性。

结束语

水质在我们的日常生活中已经成了热点话题，如何更好地去检测水质、改善水质，这不仅要靠有关部门的调整和实施方案，更重要的是技术的支撑。没有技术的支撑，就不会有更先进的检测方法，耗用过大不是我们可持续发展策略的宗旨。