基于荧光相关切谱分离腐殖酸定量分析多环芳烃的方法

专利名称：基于荧光相关切谱分离腐殖酸定量分析多环芳烃的方法

专利类型：发明专利

专利申请号：CN202210436494.2

专利申请（专利权）人：天津农学院
权利人地址：天津市西青区津静公路

专利发明（设计）人：董桂梅,崔梦祥,张汉,雷涛,黄明月,杨仁杰

专利摘要：本发明公开了一种基于荧光相关切谱分离腐殖酸定量分析多环芳烃的方法，包括：制备实验用单组分多环芳烃及不同浓度腐殖酸和多环芳烃混合水溶液样品；扫描各实验用样品不同激发波长下的荧光谱，得到各样品的一维动态荧光谱；根据单组分多环芳烃水溶液的荧光谱，确定其特征荧光波带A；将得到的混合样品一维动态荧光谱以激发波长为外扰进行异步二维相关计算；对得到的异步二维荧光相关谱在波带A处相切，得到各混合样品的异步二维相关切谱a；从切谱a中确认腐殖酸的特征波带B，并在此波带下对异步二维荧光相关谱再次相切，得到异步二维相关切谱b；从切谱b中提取波带A处的相关强度矩阵M，将其与多环芳烃浓度矩阵C结合建立标准曲线，从而实现未知样品溶液中多环芳烃浓度的定量分析。该方法可实现水中腐殖酸与多环芳烃重叠荧光的有效分离，减小了腐殖酸荧光对多环芳烃荧光检测的影响，提高了多环芳烃定量分析的精度。

主权利要求：
1.一种基于荧光相关切谱分离腐殖酸定量分析多环芳烃的方法，其特征在于，包括以下步骤：（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；
（2）在不同激发波长下，分别扫描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；
（3）根据步骤（2）得到的实验用单组分多环芳烃水溶液的一维动态荧光光谱，确定其特征荧光波带A；
（4）根据Noda理论，将步骤（2）得到的多个混合溶液的一维动态荧光光谱以激发波长为外扰进行异步二维相关计算，得到实验用混合溶液样品的异步二维荧光相关谱；
（5）对步骤（4）中得到的异步二维荧光相关谱，在步骤（3）确定的特征荧光波带A处相切，得到实验用混合溶液样品的异步二维相关切谱a；
（6）根据步骤（5）中得到的异步二维相关切谱a，确定水中腐殖酸的特征荧光波带B；
（7）对步骤（4）中得到的异步二维荧光相关谱，在步骤（6）确定的特征波带B处相切，得到实验用混合溶液样品的异步二维相关切谱b；
（8）对步骤（7）得到的异步二维相关切谱b，提取其在波带A处的相关强度，得到用于定量分析混合溶液中多环芳烃浓度的相关强度矩阵M；
（9）将步骤（8）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多环芳烃的浓度矩阵C进行线性拟合，得到定量分析水中多环芳烃浓度的标准曲线；
（10）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；根据Noda理论，以激发波长为外扰，计算出未知样品水溶液的异步二维荧光相关谱；对未知样品水溶液的异步二维荧光相关谱在波带B处相切，得到未知样品水溶液的二维相关切谱，提取切谱在波带A处的相关强度，并将其代入步骤（9）得到的标准曲线中，得到未知样品水溶液中多环芳烃的浓度。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述多环芳烃为菲、芘、荧蒽、苯并（a）芘或苯并[g,h,i]苝。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述多环芳烃为苯并[g,h,i]苝。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤（1）中，苯并[g,h,i]苝水溶液中苯并[g,h,i]苝浓度为0.12mg/L。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤（1）中，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。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤（3）确定的特征荧光波带A为478nm。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤（6）确定的特征波带B为444nm。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，步骤（9）得到的标准曲线为F=‑709769C+
2600.1。 说明书 : 基于荧光相关切谱分离腐殖酸定量分析多环芳烃的方法技术领域[0001] 本发明属于多环芳烃检测领域，特别涉及一种基于荧光相关切谱分离腐殖酸定量分析多环芳烃的检测方法。背景技术[0002] 多环芳烃是具有两个或更多稠合苯环结构特征的有机污染物，产生于工业生产、有机物热解或不完全燃烧，其中多种被证明具有致癌毒性。近年来，水环境中多环芳烃污染日益严重，如何有效快速测定水中多环芳烃是环境治理和修复亟待解决的问题。[0003] 荧光技术由于其高灵敏度、高选择性和操作简便等优势成为快速、原位动态检测环境中多环芳烃的首选方法，但水体中机质复杂、干扰严重，特别是广泛存在的腐殖酸，即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由芳香族及多种官能团构成的高分子有机酸，也具有荧光特性，对多环芳烃荧光的精准定量分析产生了不可忽视的影响。[0004] 腐殖酸是自然界中复杂的大分子有机混合物，含有多种不同从属性质的荧光基团，与多环芳烃荧光光谱在一定范围波段内相互重叠，严重干扰多环芳烃的检测精度。常规的一维荧光光谱很难对环境中的腐殖酸进行分离，无法有效提取出多环芳烃的特征荧光信息并实现精准定量分析。发明内容[0005] 本发明的目的在于提供一种基于二维荧光相关切谱分离水中重叠的腐殖酸荧光信息，提取出多环芳烃的有效荧光特征信息，实现对多环芳烃快速精准定量分析的检测方法。[0006] 本发明是通过以下技术方案实现的：[0007] 一种基于荧光相关切谱分离腐殖酸定量分析多环芳烃的方法，包括以下步骤：[0008] (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的分别混合得到的多个腐殖酸和多环芳烃的混合水溶液；[0009] (2)在不同激发波长下，分别扫描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；[0010] (3)根据步骤(2)得到的实验用单组分多环芳烃水溶液的一维动态荧光光谱，确定其特征荧光波带A；[0011] (4)根据Noda理论，将步骤(2)得到的多个混合溶液的一维动态荧光光谱以激发波长为外扰进行异步二维相关计算，得到实验用混合溶液样品的异步二维荧光相关谱；[0012] (5)对步骤(4)中得到的异步二维荧光相关谱，在步骤(3)确定的特征荧光波带A处相切，得到实验用混合溶液样品的异步二维相关切谱a；[0013] (6)根据步骤(5)中得到的异步二维相关切谱a，确定水中腐殖酸的特征荧光波带B；[0014] (7)对步骤(4)中得到的异步二维荧光相关谱，在步骤(6)确定的特征波带B处相切，得到实验用混合溶液样品的异步二维相关切谱b；[0015] (8)对步骤(7)得到的异步二维相关切谱b，提取其在波带A处的相关强度，得到用于定量分析混合溶液中多环芳烃浓度的相关强度矩阵M；[0016] (9)将步骤(8)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多环芳烃的浓度矩阵C进行线性拟合，得到定量分析水中多环芳烃浓度的标准曲线；[0017] (10)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；根据Noda理论，以激发波长为外扰，计算出未知样品水溶液的异步二维荧光相关谱；对未知样品水溶液的异步二维荧光相关谱在波带B处相切，得到未知样品水溶液的二维相关切谱，提取切谱在波带A处的相关强度，并将其代入步骤(9)得到的标准曲线中，得到未知样品水溶液中多环芳烃的浓度。[0018] 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。[0019] 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。在该实施例中，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F＝‑709769C+2600.1。[0020] 本发明基于二维相关分析技术，以激发波长为外扰，计算实验用腐殖酸和多环芳烃混合溶液的异步二维荧光相关谱；通过切谱技术对腐殖酸与多环芳烃特征波带进行指认，从而达到腐殖酸和多环芳烃重叠荧光峰的分离和提取，并通过提取的多环芳烃相关强度与其对应的浓度矩阵建立定量分析水中多环芳烃的标准曲线。其优点及有益效果如下：[0021] 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的腐殖酸和多环芳烃相互重叠的荧光特征信息；[0022] 2、本发明通过切谱技术实现了水体中腐殖酸荧光与多环芳烃荧光的有效分离，减小了腐殖酸荧光对多环芳烃荧光的干扰，提高了多环芳烃定量分析的精度；[0023] 3、本发明为水体中荧光信息相互重叠的腐殖酸和多环芳烃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多环芳烃的分离检测。附图说明[0024] 图1为单组分苯并[g,h,i]苝水溶液的荧光谱；[0025] 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；[0026] 图3为腐殖酸和苯并[g,h,i]苝混合溶液异步二维荧光相关切谱a；[0027] 图4为腐殖酸和苯并[g,h,i]苝混合溶液异步二维荧光相关切谱b；[0028] 图5为定量分析水体中苯并[g,h,i]苝浓度的标准曲线；[0029] 图6为未知样品水体中苯并[g,h,i]苝浓度的预测结果与实际浓度的线性拟合。具体实施方式[0030] 下面结合具体实施例对本发明的基于荧光相关切谱分离腐殖酸定量分析多环芳烃的方法进行详细说明。[0031] 实施例一[0032] 一种基于荧光相关切谱分离腐殖酸定量分析多环芳烃的方法，包括以下步骤：[0033] 步骤(1)：准备实验用单组分浓度为0.12mg/L的苯并[g,h,i]苝水溶液，以及20个不同浓度腐殖酸(10‑100mg/L)和苯并[g,h,i]苝(0.012‑0.05mg/L)的混合水溶液。本实施例中使用的腐殖酸和苯并[g,h,i]苝(分析纯)均为Sigma‑Aldrich公司生产。具体配制过程如下：[0034] 取一定量的苯并[g,h,i]苝粉末进行称重，首先用少量的优级乙醇将苯并[g,h,i]苝溶解，再以蒸馏水为溶剂配制成0.5mg/L的苯并[g,h,i]苝母液。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。[0035] 利用上述苯并[g,h,i]苝母液配制浓度为0.12mg/L的单组分苯并[g,h,i]苝溶液。[0036] 利用上述苯并[g,h,i]苝母液配制浓度为0.012mg/L‑0.05mg/L的多个苯并[g,h,i]苝溶液，梯度为0.002mg/L。[0037] 利用上述腐殖酸母液配制浓度为5mg/L‑100mg/L的多个腐殖酸溶液，梯度为5mg/L。[0038] 将0.012mg/L‑0.05mg/L的苯并[g,h,i]苝溶液分别与100mg/L‑5mg/L的腐殖酸溶液一一对应混合，得到20组混合溶液。[0039] 步骤(2)：在不同激发波长(240‑460nm，间隔10nm)下，在400‑600nm范围分别扫描实验用单组分苯并[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一维动态荧光光谱；[0040] 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。[0041] 图1为单组分苯并[g,h,i]苝在最佳激发波长304nm激发下的荧光光谱，可以看出苯并[g,h,i]苝在478nm处存在强的特征荧光峰。[0042] 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；[0043] 步骤(4)：将步骤(2)得到的实验用混合溶液随激发波长变化的一维动态光谱，根据Noda理论，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一维动态荧光谱进行异步二维相关计算，得到实验用混合溶液样品的异步二维荧光相关谱。图2为腐殖酸浓度为10mg/L、BGP浓度为0.12mg/L的混合溶液样品的异步二维荧光相关谱。[0044] 步骤(5)：对步骤(4)中得到的异步二维荧光相关谱，在苯并[g,h,i]苝强特征峰478nm处相切，得到实验用混合溶液样品的异步二维相关切谱a。图3为用于确定水中腐殖酸特征波带的切谱。[0045] 步骤(6)：根据步骤(5)中得到的异步二维相关切谱a，确定水中腐殖酸的特征荧光波带B。[0046] 从图3中的切谱可以看出，在444nm处存在明显的特征峰，且随着腐殖酸浓度的递增，相关强度呈现一个下降的梯度，因此确定444nm为腐殖酸的强特征荧光波带B。[0047] 步骤(7)：对步骤(4)中得到的异步二维荧光相关谱，在步骤(6)确定的腐殖酸强特征峰带444nm处相切，得到实验用混合溶液样品的异步二维相关切谱b。图4为用于建立定量分析多环芳烃标准曲线的10个混合溶液样品的切谱。[0048] 步骤(8)：对步骤(7)得到的异步二维相关切谱b，提取其在波带A处的相关强度，得到用于定量分析混合溶液中多环芳烃浓度的相关强度矩阵M；[0049] 提取图4中10个混合溶液样品切谱在478nm处的相关强度，如表1所示。[0050] 表1切谱478nm处的相关强度及其对应的苯并[g,h,i]苝浓度[0051][0052] 步骤(9)：将步骤(8)得到的相关强度矩阵M与混合溶液中多环芳烃的浓度矩阵C进行线性拟合，得到定量分析水中多环芳烃浓度的标准曲线；[0053] 将表1中混合溶液样品在切谱478nm处相关强度与对应的多环芳烃浓度进行线性2拟合，如图5所示，其中相关系数R＝0.9139，拟合方程为F＝‑709769C+2600.1。[0054] 步骤(10)：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一维动态荧光光谱数据；根据Noda理论，以激发波长为外扰，计算出未知样品水溶液的异步二维荧光相关谱；在波带B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A处的相关强度，并将其代入步骤(9)得到的标准曲线中，得到未知样品水溶液中多环芳烃的浓度。[0055] 为验证模型的准确性，选用预测集的样品按上述步骤进行二维相关计算，在切谱478nm处得到不同苯并[g,h,i]苝浓度对应的相关强度数值如表2所示。[0056] 表2预测集样品切谱478nm处的相关强度及其对应的苯并[g,h,i]苝浓度[0057][0058] 各个浓度样品切谱在478nm处得到的相关强度，通过代入步骤(9)得到的标准曲线预测其对应多环芳烃的浓度得到如表3所示。[0059] 表3混合样品苯并[g,h,i]苝浓度的预测值和实际值[0060][0061] 从图6苯并[g,h,i]苝浓度预测值和实际值的拟合曲线中可以得到：苯并[g,h,i]2苝浓度预测值与实际值的RMSE＝0.00075，R ＝0.9953，由以上数据可知，此方法达到较好的预测精度。

专利地区：天津

专利申请日期：2022-04-22

专利公开日期：2024-06-18

专利公告号：CN114720446B