快速分析水体中的有机物

超过71%的地球表面是被水覆盖的，人体总重的65%由水组成，水是所有物质代谢过程的基本要素，因此水质必须受到严格、密集地监控。水质分析以及相关参数的测定均是按照水的级别（饮水、废水、矿物质水等）分类进行的。德国制定了针对一系列参数进行监控的饮水管理法，除指示性参数（色度、味道、电导率等）外，还包括微生物（肠球菌、大肠杆菌类细菌等）、溶于水的金属离子（钙、铅、铬、镍）和阴离子组成（溴酸盐、氟化物、硝酸盐），苯、植物防护剂和灭菌剂等有机物也需要加以测定。

近年来，对水体中有机组分的监控日益重要。水在流经大自然的过程中搬运CDOM（有色溶解有机物）。这些物质来自不同的源泉，导致CDOM在组成上、浓度上有差异。除了自然界对水体中有机组分的贡献外，人类对于有机组分的贡献也变得越来越大，最重要的源头当属农业、工业中有机制剂和药物的使用。

对CDOM在水中的浓度和局部分布的巨大波动有很大影响的一个因素就是取样。取样地点和取样时间不同，其化学组成会有显著的变化，其基本组成也会因为某些化学过程发生改变，如腐化。

图1. 带有4根流压计管的采样点（左），安装于上哈尔茨的盆花沼泽地的一处采样点（右）。

水质分析快速光谱仪

荧光光谱法是一种适用于有机物分析的技术，其最主要的优点在于：无需固相萃取或衍生等复杂的样品预处理步骤。由Horiba公司开发的新型快速荧光分析仪Aqualog(见图2），特别符合水样分析要求，其创新性的优点为：将吸收光谱与发射光谱同时加以测定以对内部过滤效应进行必要的校正。这种内部过滤效应是荧光光谱中不可避免的伴随现象，因为其他的分子会争夺被发射的光子（原级内部过滤），而产生的荧光辐射在通往样品的途中又会被再次吸收（次级内部吸收），于是具有荧光性能的样品同时也可能成为过滤器。吸收光谱也可借助于Si-二极管进行接收，而发射光谱则通过CCD（光电耦合器-检测仪）进行测定，其工作速度比市售的普通光学倍增管要快100倍。

根据使用者的应用目的不同，可为其提供不同模式，区别在于激发波长起始波长（230nm和200nm两种）和发射波长的终止波长（620nm和800nm两种）不同。新型快速荧光分析仪Aqualog已发展成为可对激发-发射基体（EEM:excitation emission matrix)同时进行快速检测的方法。EEM法可借助于多变量的数据分析法例如PARAFAC(平行因子分析法），对样品中的有机组分进行定性和定量分析。如果样品含有数量已知的有机分子，则具有荧光强度的物质的浓度可借助PARAFAC法直接算出。如果要检测样品中某种中性有机物质（NOM),虽然具有荧光特性的有机分子其结构多样性和定量收益率并不是已知的，但有可能找到某些组分，其结构特性可通过费力且昂贵的分析方法比如热解GC/MS法采用相关性计算，由此来对样品中的中性有机物质进行归并从而得出结论。

除具有较高的分析速度外，Aqualog还有较高的灵敏度和极低的检测限。对于荧光分析仪而言，衡量的重要依据是其信/噪比值，Aqualog的信噪比为20000:1（对水-拉曼信号在350nm被激发、397nm被发射、5nm带通），光谱校正的发射和其传输检测器均基于美国国家保障局的NIST标准，校正后的数据可立即与其他的测量数据相比较。该新型快速荧光分析仪是针对水质分析而开发的，也能够用于其他样品的分析。

图2. Aqualog荧光分析仪。

应用于沼泽水的分析

本实验中应用Aqualog分析仪进行水质分析时，以上哈尔茨的盆花沼泽水为样品（见图1右）。该项目涉及到整体的生态评估,旨在考察此地区的植物、沼泽的数量是如何因再度营养化发生改变的。由荧光法测定的结果，将通过其他参数诸如DOC、UV （254nm）CDOM的总参数或者SUVA(特别的紫外吸收——表示样品芳香化的程度）加以补充。对流入水流、流出水流、沟渠以及沼泽地分别直接采样，共计7个采样固定点，其中6个采样点各安装了4根流压计管（见图1左），另一个采样点只安装了1根流压计管子，在采样点的固定深度处采集水样供分析用，4根相隔不远的管子有助于对该采样点的重现性进行检验。水样被采集后要加以过滤（0.45μm滤膜），再按照1:2的比例稀释，供荧光分析仪分析用。

从以上例子可知：在采样点的CDOM的数量是完全不确定的（见图3）。样品22号（DOC含量为21.3mg/L）和23号（DOC含量22mg/L)二者为同一采样点，其中的1个样品是将其弄湿后再进行分析的（7个样品点中的一个始终保持潮湿状态，其都保持干燥状态）。23号样品显示出对于CDOM而言正常的腐殖质荧光光谱，以及微小部分的蛋白质荧光，在280nm处被激发和在310nm处被发射的蛋白质荧光尚未被完整地整理归纳。22号样品则显示出至今未被发现的EEM结构，这种结构光谱的不规律性在1个月后可再重现（5月~6月），说明EEM结构组成的强度在空间和时间上都可能产生变化。

图3. 上哈尔茨的盆花沼泽地的水样的荧光光谱图。

要对该光谱的分子背景进行深入了解，需进行进一步研究，如应用PARAFAC法建立模型，再划分4~10个不同的区域，将其按照结构化学、生态化学加以归纳。由于可能有成千上亿的不同荧光团帮助形成NOM-EEM结构，目前难以将NOM归纳为单个有机化合物，但建立PARAFAC模型可借助大量样品为CDOM的量化区别提供详细图谱。

激发与发射

本文介绍的是分析领域中应用的荧光分析仪的特别之处，即在对内过滤效应进行必要的校正时，将吸收光谱与发射光谱进行同时测量。这种内过滤效应是荧光光谱法中必然出现的伴随现象，这是由于其他分子会和所发射的光子形成竞争（原级内过滤效应），产生的荧光射线在途中也会对样品再次吸收（次级内过滤效应），所以具有荧光特性的样品同时也是一种过滤器。