一种基于紫外荧光和吸收光谱的多环芳烃检测方法及装置

本发明属于环境监测，尤其涉及一种基于紫外荧光和吸收光谱的多环芳烃监测方法及装置。

背景技术：

1、水是人类生存不可缺少的资源，随着人类对环境的开发利用，包括陆表水体污染、地下水体污染、海洋水体污染在内的自然水体污染问题日趋严重。其中环芳烃是一种具有高毒性，致突变性和致癌性的有机污染物，且能够在自然水体中长期稳定存在不易降解，可以通过直接摄入和食品链接传递而危害人类健康，是重点优先控制的污染物。

2、多环芳烃化学结构上是含有两个或以上苯环或杂环的碳氢化合物，是煤、石油等有机高分子化合物在不完全燃烧时产生的，大气沉降、溢油事故、工厂废气排放以及生产生活污水排放等均会向自然水体输入大量多环芳烃，由于多环芳烃在自然水体中的广泛存在和对人类的高危害性，建立原位、快速、高精度的多环芳烃检测方法对水域环境治理至关重要。

3、目前，针对多环芳烃的检测方法主要包括气相色谱法、高效液相色谱法、气相色谱-质谱法、红外光谱法、荧光光谱法、表面增强拉曼光谱法，其中气相色谱法、高效液相色谱法、气相色谱-质谱法、红外光谱法虽然具有高精度、高选择性的优点，但是需要对样品进行繁琐的预处理，无法直接应用于自然水样，因此耗时久，成本高昂且难以原位应用；表面增强拉曼光谱法的技术手段尚不够成熟，因此市面上已有的多环芳烃传感器均是采用荧光光谱法对多环芳烃进行快速检测，且均采用了单激发\发射波长对检测，此外自然水体中有色可溶性有机物(cdom)也存在荧光特性，且波段与多环芳烃大范围重叠，受其干扰，荧光法测定多环芳烃的精确度较低。

4、专利文献cn104865237a公开了一种用于现场检测水样中多环芳烃的装置和方法，该方法通过印迹材料将多环芳烃分子吸附，通过配置的清洗液，洗脱液，再生液以及增强液对吸附的多环芳烃分子进行处理，最终通过比对水样的拉曼光谱和指纹图谱，从而判断水样中是否存在多环芳烃。该方法采用自制的试剂液对水样进行清洗，从而排除杂质的影响，但是后续的光谱比对过程中依旧存在有色可溶性有机物的干扰。

5、专利文献cn109060748a公开了一种快速测定冰相中蒽和芘含量的方法，该方法包括选取乙腈作为助溶剂，将分别含有蒽和芘的样品冻结成冰；其次，利用同步荧光法，分别考察在△λ＝0-180nm波长范围内每隔10nm样品的同步荧光光谱，用不同的波长差值进行恒波长同步扫描，确定优化同步荧光法测定蒽和芘的检测条件；最后，利用优化同步荧光法测定蒽和芘的检测条件，建立测定蒽和芘的同步荧光法标准曲线。该方法通过结冰的方式降低其他杂质对多环芳烃检测的干扰，但是该方法需要对水样进行冻结操作，并不适合实际原位检测。

技术实现思路

1、为了解决上述问题，本发明提供了一种基于紫外荧光和吸收光谱的多环芳烃检测方法，该方法操作简单、可以直接对原水样进行检测，从而获得更加准确的多环芳烃检测结果。

2、一种基于紫外荧光和吸收光谱的多环芳烃检测方法，包括：

3、步骤1、获取水样的紫外吸收光谱以及水样在紫外光激发下的荧光发射光谱；

4、步骤2、利用步骤1获得的紫外吸收光谱，分析获得对应的cdom荧光光谱；

5、步骤3、将步骤1获得的荧光发射光谱减去步骤2获得的cdom荧光光谱，获得包含多种多环芳烃的混合荧光光谱；

6、步骤4、根据步骤3获得的混合荧光光谱，对多种多环芳烃进行多元拟合，获得水样中各环芳烃的种类和浓度。

7、本发明通过原水样的紫外吸收光谱生成对应的cdom荧光光谱，对原水样的荧光发射光谱进行处理，从而消除原水样中有机杂质对检测的影响，获得准确的多环芳烃浓度。

8、具体的，在步骤2中，利用构建的多波长吸收度拟合模型对紫外吸收光谱进行分析，输出对应的cdom浓度；

9、利用三维荧光光谱扫描仪获取cdom浓度的三维荧光光谱，并根据获得的cdom浓度和对应三维荧光光谱构建线性关系，拟合获得对应的cdom荧光光谱。

10、具体的，所述多波长吸收度拟合模型根据配置自然水体典型浓度梯度的cdom样品，采用紫外分光光度计测定所述cdom样品的吸光度进行构建。

11、具体的，在步骤4中，所述多环芳烃基于混合荧光光谱的激发与发射波长，与预构建的标准光谱数据库进行比对，并根据环数进行分类，所述标准光谱数据库包括多种多环芳烃样品不同浓度下的三维荧光光谱。

12、具体的，在步骤4中，所述多环芳烃的浓度基于混合荧光光谱的荧光强度和吸光度计算获得，具体公式如下：

13、

14、式中，cpah为多环芳烃的浓度，ftotal为多环芳烃特征波长处的荧光强度，atotal为cdom特征波长处的吸光度，b1和k1为表示吸光度和cdom浓度之间线性关系的常数，b2和k2为表示三维荧光光谱中cdom荧光贡献与cdom浓度之间线性关系的常数，b3和k3为表示多环芳烃在特征波长处荧光强度与浓度之间线性关系的常数。

15、本发明还提供了一种多环芳烃检测装置，通过上述基于紫外荧光和吸收光谱的多环芳烃检测方法实现检测，装置结构简单且方便操作，包括：

16、用于扫描获取吸收光谱和荧光光谱的微型光纤光谱仪，控制微型光纤光谱仪扫描模式的控制器，激发选波器以及激发光源，所述激发选波器包括转盘，固定在转盘上的滤色片，所述滤色片位于激发光源的输出光路上。

17、具体的，所述激发光源采用脉冲氙灯以保证低电压低功耗条件下的高光强，氙灯输出端连接光纤，光纤出口集成准直镜，以保证激发光为平行光。

18、具体的，所述滤色片包括三个不同中心波长的滤光片，所述中心波长包括220nm、250nm以及270nm。

19、具体的，所述微型光纤光谱仪的吸收光谱扫描范围为200～400nm。

20、与现有技术相比，本发明的有益效果：

21、(1)本发明通过联用吸收光谱的方式来消除cdom带来的干扰因子，从而提高检测的准确度。

22、(2)本发明提供的装置采用多波段测量的方式替代传统的单波段测量，同时通过光纤和光路切换实现荧光光谱和吸收光谱两种光谱的扫描，从而实现原位检测的目的。

技术特征：

1.一种基于紫外荧光和吸收光谱的多环芳烃检测方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的基于紫外荧光和吸收光谱的多环芳烃检测方法，其特征在于，在步骤2中，利用预构建的多波长吸收度拟合模型对紫外吸收光谱进行分析，输出对应的cdom浓度；

3.根据权利要求1所述的基于紫外荧光和吸收光谱的多环芳烃检测方法，其特征在于，在步骤4中，所述多环芳烃基于混合荧光光谱的激发与发射波长，与预构建的标准光谱数据库进行比对，并根据环数进行分类，所述标准光谱数据库包括多种多环芳烃样品不同浓度下的三维荧光光谱。

4.根据权利要求1所述的基于紫外荧光和吸收光谱的多环芳烃检测方法，其特征在于，在步骤4中，所述多环芳烃的浓度基于混合荧光光谱的荧光强度和吸光度计算获得，具体公式如下：

5.一种多环芳烃检测装置，通过如权利要求1～4任一项所述的基于紫外荧光和吸收光谱的多环芳烃检测方法实现检测，其特征在于，包括用于扫描获取吸收光谱和荧光光谱的微型光纤光谱仪，控制微型光纤光谱仪扫描模式的控制器，激发选波器以及激发光源，所述激发选波器包括转盘，固定在转盘上的滤色片，所述滤色片位于激发光源的输出光路上。

6.根据权利要求5所述的多环芳烃检测装置，其特征在于，所述滤色片包括三个不同中心波长的滤光片，所述中心波长包括220nm、250nm以及270nm。

7.根据权利要求5所述的多环芳烃检测装置，其特征在于，所述激发光源采用脉冲氙灯。

8.根据权利要求5所述的多环芳烃检测装置，其特征在于，所述微型光纤光谱仪的荧光光谱扫描范围为300～400nm。

9.根据权利要求5所述的多环芳烃检测装置，其特征在于，所述微型光纤光谱仪的吸收光谱扫描范围为200～400nm。

技术总结
本发明公开了一种基于紫外荧光和吸收光谱的多环芳烃检测方法，包括：步骤1、获取水样的紫外吸收光谱以及水样在紫外光激发下的荧光发射光谱；步骤2、利用步骤1获得的紫外吸收光谱，分析获得对应的CDOM荧光光谱；步骤3、将步骤1获得的荧光发射光谱减去步骤2获得的CDOM荧光光谱，获得包含多种多环芳烃的混合荧光光谱；步骤4、根据步骤3获得的混合荧光光谱，对多种多环芳烃进行多元拟合，获得水样中各环芳烃的种类和浓度。本发明还提供了一种多环芳烃检测装置。本发明提供的方法操作简单、可以直接对原水样进行检测，从而获得更加准确的多环芳烃检测结果。

技术研发人员：王晓萍,李学勤,伍卓慧,黄冰佳
受保护的技术使用者：浙江大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13