[发明专利]一种测定水环境中溶解性有机物与金属离子结合潜势的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种利用荧光淬灭法结合平行因子分析确定水环境中溶解性有机物与金属离子结合潜势的方法，属于环境监测领域中的分析方法。

背景技术

溶解性有机物(Dissolved Organic Matter，DOM)广泛存在于各类天然水体中，其活跃的反应特征，使其成为水环境中各类物质发生迁移转化的重要载体。金属，在环境中不能被降解，其环境行为和可能存在的环境风险很大程度上由其存在形态决定。而其与DOM的结合，能够生成有机金属络合物，从而影响其毒性、生物可利用性和迁移特性等。因此，人们希望能够准确地了解DOM与金属离子的结合特征的信息。

测定DOM与金属离子结合潜势的方法较多，其中经典的方法是在水样中滴加不同浓度的金属离子标样，采用离子选择电极(ion-selective electrodes，ISE)测定溶液中游离的金属离子含量，从而确定金属离子与DOM的络合容量。但是，该方法受到电极的限制，一方面有些金属(如Zn)并没有相应的选择性电极；另一方面，由于电极灵敏度的限制，对于液相中痕量自由态金属离子的分析不甚灵敏。而自然水环境中，金属离子多处于低浓度范围。

荧光光谱，是一种快速、简单、灵敏、非破坏性的分析技术。金属离子是著名的荧光淬灭剂，其与荧光物质结合会产生荧光淬灭，因此，荧光淬灭法广泛应用于金属离子与荧光物质结合特征的分析。随着三维荧光光谱技术的发展，仪器灵敏度得到了很大提高，利用三维荧光淬灭法分析DOM与金属离子结合潜势在灵敏度具有很大的优势。然而，DOM的另一大特征就是异质性，组成极为复杂，富含大量不同种类的荧光物质，其三维荧光谱图常伴随着严重的峰与峰之间的叠加，仅靠传统的目视对特征峰的辨别，显然无法精确、全面地表征样品的实际荧光特征，利用特征峰强度的变化定量分析DOM与金属离子的络合常数、络合容量等信息更是无从谈起。

因此，急需开发一种三维荧光数据解构的方法，联合荧光淬灭技术，用于DOM与金属离子结合潜势的测试与分析。

发明内容

针对DOM荧光峰的叠加问题，本发明的目的是提供一种利用荧光淬灭法，采用平行因子分析法(PARAFAC)辅助三维荧光数据的解构，测定水环境中溶解性有机物与金属离子结合潜势的方法，从而更为准确、全面地表征DOM与金属离子的结合特征，同时将荧光淬灭法由简单荧光物质-淬灭剂体系推广到复杂荧光物质-淬灭剂体系。

为达到以上目的，本发明对各种多维化学计量学计算模型的研究发现，PARAFAC可以很好地将三维数据解析成为三线性组分。其计算主要利用交替最小二乘原理，通过三线性分解迭代步骤获得最小二乘解。分解方程如下：

i＝1，2...，I；j＝1，2，...，J；k＝1，2，...，K

其三维参数恰好对应于三维荧光光谱的三维数据，式中F表示测量体系的总因子数(实际对荧光有贡献的组分数以及背景干扰因子数之总和)；x_ijk是三维数据阵中的元素(i，j，k)，它表示样本k在荧光激发光谱通道为i、发射光谱通道为j时的荧光强度；a_if是相对激发光谱阵A(I×F)中的元素(i，f)；b_if是相对发射光谱阵B(J×F)中的元素(j，f)；c_if是相对浓度阵C(K×N)中的元素(k，f)；ε_ijk是残差阵E(I×J×K)中的元素(i，j，k)。

平行因子分析方法能够对荧光基团进行解析，将重叠的荧光峰进行分离，得到荧光成分的激发光谱矩阵和发射光谱矩阵，并通过其得分矩阵对其浓度进行相对定量，从而解决DOM荧光峰的叠加问题。

本发明所使用的三维荧光淬灭结合平行因子分析的方法具有适用性广、灵敏度高、快速简便、准确全面等优点，可以同时提供DOM中各个独立组分与金属离子结合强度、结合容量等信息，为理论研究提供强大工具的同时，在仪器的开发集成上具有广阔的应用前景。

本发明的技术方案如下：

A.水样的预处理

将采集的水样过0.45μm的滤膜，滤液中的有机物为溶解性有机物，按滤液总有机碳含量进行稀释；

B.荧光滴定

将稀释后滤液放入棕色的反应器中，加入金属离子标准溶液，置于恒温振荡培养箱内反应；

C.三维荧光光谱测定(3D-EEM)

将反应后溶液在三维荧光光谱仪上测试其荧光特征，得到样品的原始荧光数据；

D.荧光数据的标准化处理

采用软件ActivePerl对原始荧光数据进行标准化处理；

E.标准化荧光数据的平行因子分析(PARAFAC)