三维荧光光谱技术在多个领域的应用现状

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　　摘 要：由于光谱仪器的迅速发展，光谱技术也被广泛的应用。三维荧光光谱分析技术作为一种高效鉴别检测手段，以其鉴定速度快的优势在诸多应用领域受到了普遍重视。本文分析总结了三维荧光光谱分析技术在多个领域的应用，并进行展望。
　　关键词：三维荧光光谱;多个领域应用
　　随着时代科技的迅速发展，环境问题也随之而来，污染物种类越来越多，严重危害着人类的健康。如何快速准确地确认污染物质种类是各行各业分析者追求的目标。三维荧光光谱（three-dimensional fluorescence spectroscopy）技术具有简便、快速、灵敏和选择性好等优点，可用于鉴定和测定有机物、无机物、药物、生物物质等，目前广泛应用于环保、生物、医学、工业、化学等领域。
　　 1、三维荧光技术应用领域
　　 1.1水质检测
　　 当前环境问题越来越严峻，其中水质安全涉及人类日常生活的方方面面，因此水质检测成为相关研究人员关注的重点。三维荧光分析可用于检测水中各类有机物质，根据水质用途主要应用与生活饮用水、生活污水以及地表水水质检测方面。
　　 （1）生活饮用水
　　 目前，三维荧光光谱被广泛应用于饮用水处理和测试领域。陈方等[1]提出利用三维荧光光谱技术结合AVM分类模型和PARAFAC特征提取方法，通过设计实验测定区分自来水样品和有机物自来水溶液。实验结果表明，该方法可以有效检测饮用水中有机污染物的特征，具有实际应用价值。
　　 （2）生活污水
　　 随着国民经济和城市人口的迅速增长，大量城市污水进入的城市污水处理厂的监测和处理水平已成为人们关注的焦点，出水的质量和检测的效率会直接影响到一个污水处理厂的污水处理能力[2]。传统分析手段需要工作人员人工采集水样在实验室完成，耗时耗力，且无法实时监测水质变化情况。目前有总有机碳（TOC）、总磷（TP）、总氮（TN）等的在线监测设备，但该类设备一般體积庞大、成本昂贵，且只能监测一种指标，难以被广泛应用于污水处理厂[3]。三维荧光光谱分析法可以有效应对这些问题，完成多种水质指标的同时在线分析，很好地反映污水处理过程中污染物的种类、性质和数量等信息。
　　 帅磊等[4]将三维荧光光谱法与平行因子法和荧光区域积分法相结合，对城市生活污水厂各构筑物出水进行快速表征和分析，从而能够解析污水中的荧光物质，获得各荧光物质的三维荧光光谱图及相应的得分和积分值。施俊[2]利用三维荧光光谱技术研究了各组分突光强度与常规有机物污染指标间的相关性，以期为建立基于三维荧光光谱的水质快速监测方法提供理论基础。
　　 （3）地表水
　　 对于地表水中的污染物，卢松等[5]应用三维荧光光谱技术（3D-EEM），研究了长寿湖和大洪海两大湖水水体中溶解性有机质（DOM）的荧光光谱特征，讨论沿岸生态系统差异对两个湖泊中DOM性质及来源的影响。结果表明，人为干扰是导致两个水体DOM地球化学特征存在明显差异的重要原因。李晓洁等[6]利用三维荧光光谱与平行因子结合分析，对沈阳市5条黑臭水体进行分析，探究黑臭水体污染情况以及污染来源。结果表明DOM主要由类蛋白荧光组分、类富里酸荧光组分和类腐殖酸荧光成分组成。陆源有机质组分对黑臭水体DOM的贡献率高达61.2%，微生物内源组分对黑臭水体DOM的贡献率为25.5%。
　　 1.2石油检测
　　 近年来，在地质、化工、冶金、化学等方面，三维荧光光谱技术也逐渐广泛应用，尤其在石油领域也发挥愈发重要的作用，其主要应用于炼油废水和检测与识别两个方面。
　　 在炼油废水方面，杨海涯等[7]利用三维荧光光谱技术快速测定冶金和石油行业排放污水中的矿物油含量。田广军等[8]提取多种矿物油样品的荧光光谱分解和计算奇异值，并将所得数据进行组合，实现三维光谱反演重构，对污染油模式的识别和矿物油荧光信息文库的建设有着重要意义。王玉田[9]通过绘制包络线和模式识别神经网络，利用三维荧光光谱技术提高了矿物油的鉴别效率。以上工作都为三维荧光光谱技术在炼油废水分析方向奠定了基础。
　　 在石油的检测和鉴别中，丁志群等[10]建立不同类型食用油的三维等高荧光光谱，降维处理后，发现不同类型食用油的三维荧光等高线谱具有典型的指纹特征，可用于鉴别食用油的品种。周艳蕾等[11]通过平行因子分析法和聚类分析法测定六种原油和三种燃料油的三维荧光光谱，以确定实验油荧光组分的最佳数量并提取各类实验油品的荧光特征，建立荧光标准光谱库，为快速鉴别溢油污染物提供技术支持。尹晓楠[12]通过油品模拟风化实验分析了风化过程对油种鉴别结果的影响，建立了不同油品的三维荧光光谱标准特征谱，并成功应用其进行了油种识别研究。张菡洁[13]将三维荧光光谱技术与平行因子分析法相结合对水中矿物油的荧光光谱数据进行分析和处理，实现了其混合溶液中主要矿物油成分的确定和各主要成分的浓度预测。
　　 1.3农产品检测
　　 （1）茶叶
　　 茶叶是我国重要的经济作物，在泡茶和饮茶的之余，人们更希望可以明确其主要成分及含量的具体指标，以发挥茶叶的最大功效。三维荧光光谱技术与国内常使用的比色法相比具有较高的灵敏性和良好的选择性，还能同时进行多组分检测，可以被更好的应用于食品药品及成分检测等研究。研究学者张琪瑞[14]应用三维荧光光谱技术结合荧光体积积分技术（Fluorescence regional integration， FRI），对黄山毛峰和铁观音两种茶叶进行浸出液EEM的特性、浸出液中主要成分的定量分析、温度对茶多酚浸出速率的影响三方面的分析研究，为快速检测茶叶品质成分分析和种类区分提供新方法，为开发茶叶主要成分浸出动态实时在线检测装置提供实验基础。 　　 （2）农药
　　 农药不仅可以保障农作物的健康生长，还可以促进农产品的增收，为人们带来经济利益，而正是由于农药在农业生产中的重要地位，导致农药大量使用，造成农药残留增加，环境严重污染，给人们身体的健康带来威胁，所以提高农药残留检测的精确度和检测速度具有非常重要的意义[15]。
　　 目前用于农药残留检测的方法主要包括：高效液相色谱法、气相色谱法、液相色谱-质谱法、气相色谱-质谱法、活体检测法、薄层色谱法、免疫分析法、生物传感器法等[15]。以上方法在应用于农药残留检测的时候都会存在某种程度的不足[15]，国家对农药残留的标准要求的也越来越严格，相比之下，三维荧光光谱技术更加完好，能够准确度高效检测农药残留。陈超[16]用FLS920P多功能光谱仪，测量了三种常见有机磷对硫磷、甲基对硫磷和水胺硫磷的甲醇溶液和乙醇溶液的吸收光谱和三维荧光光谱，并分析了它们的吸收光谱和荧光光谱的特性。以上研究为三维荧光光谱技术应用于农药残留检测方面的可行性奠定了基础。
　　 1.4食品检测
　　 （1）牛奶
　　 在国内，对于经过牛奶厂商加工过的各种商品牛奶品质的检测方面的研究还比较少，所以，目前研究、探索出一种能快速测定成品奶的方法是很重要。牛奶品质检测中常用的方法有化学分析法、紫外分光光度分析法、超声波分析法、红外光谱分析法。光谱分析法和传统化学分析法相比，具有采样方式灵活、测试效率高、分析速度较快等优点，适合实时在线测定，普遍受到人们青睐[17]。
　　 国内研究学者顾春峰[17]利用光谱技术研究了市售的不同厂商、不同类型各种牛奶水溶液的荧光光谱，分析归纳得出牛奶水溶液的荧光光谱和激发波长、牛奶品种、牛奶浓度之间的关系及变化规律，过期牛奶与未过期牛奶荧光光谱的差别，高钙低脂奶、高钙奶和纯牛奶的荧光光谱差别等。并通过查阅资料，对各谱峰产生的物理机理作了初步分析，对所得的实验规律做出试探性的合理解释，以期为利用荧光光谱技术检测牛奶质量提供一种快速可靠的新方法。
　　 （2）蜂蜜
　　 随着科学技术发展和蜂蜜产量降低，蜂蜜掺假已越来越普遍化和高端化，尤其是近来市场上出现的一种新的掺假物质大米糖浆。目前国内已有研究人员提出用液相色谱和质谱联用仪检测鉴别掺有大米糖浆的蜂蜜，但该方法费时费力，成本高，难以实现快速检测。
　　 国内研究学者赵杰文等[18]利用三维荧光光谱分析结合化学计量学方法对真假蜂蜜的三维荧光光谱图分析和三维荧光光谱图进行校正，发现此技术可以更加全面直观地呈现蜂蜜中主要成分的荧光特性。同时研究结果也表明，结合BP-ANN方法的三维荧光光谱技术可以迅速、无损、精确地鉴别蜂蜜中大米糖浆掺假，为蜂蜜掺假的快速检测提供实践依据。
　　 2、三维荧光技术的缺陷
　　 尽管三维荧光技术存在检测速度快、准确度高等优点，但同样受到某些因素影响而使三维荧光技术在使用时存在缺陷。第一，该技术并不能检测所有物质，只针对能够在检测过程中产生荧光的物质，机器必须能够捕捉到荧光信息;第二、检测物质所处的环境会对其检测结果产生一定影响，如溶液中的其他离子、溶液pH值、温度等因素均会对荧光强度有一定的影响，因此最终检测结果要通过扣除空白等方式消除外界因素的影响。
　　 3、结论与展望
　　 由上述可知，三维荧光光谱技术广泛应用于诸多领域。根据当前研究进展，对三维荧光光谱技术未来发展进行展望：
　　 （1）多种分析方法联合使用。尽管三维荧光技术测定较为快速准确，但对于一个样品中多种组分物质，仅仅依靠三维荧光是无法做到对多种组分的鉴别，此时需要与其他分析方法联用，例如将三维荧光技术与气相、液相、气-质联用技术等联合使用[19]，可以快速高效测定复杂多组分物质。
　　 （2）结合分析软件使用。单靠三维荧光的图解法是远远无法获得深入信息的，必须结合各类分析软件，如结合Mat-lab软件进行平行因子分析，可得到多种物质中单一物质的纯光谱，获得更为准确的荧光信息。
　　[参考文献]
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　　[2]施俊.基于三维荧光光谱的污水处理厂水质快速分析[D].扬州大学，2011.
　　[3]凌玲.A/O/A-SBR处理生活污水中DOM荧光强度与COD浓度相关性分析[D].安徽建筑大学，2016.
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　　[6]李晓洁，高红杰， 郭冀峰，等.三维荧光与平行因子研究黑臭河流DOM[J].中国环境科学，2018，38（1）：311-319.
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　　[11]周艳蕾，周飞飞，姜聪聪，等.基于三维荧光光谱-平行因子分析的海上溢油识别技术研究[J].光谱学与光谱分析，2018，38（02）：475-480.
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　　[18]赵杰文，韩小燕，陈全胜，等.基于三维荧光光谱技术对掺假蜂蜜无损鉴别研究[J].光谱学与光谱分析，2013，33（06）：1626-1630.
　　[19]陈光勇，陈旭冰，刘光明，等. 浅析中药注射剂的检测现状[J].大理学院学报，2011，10（8）：17-20.
　　基金项目：安徽省大学生创新创业项目：利用三维荧光光谱快速检测污水厂水质指标——以滁州市第二污水厂为例（S201910377074）
　　（作者单位：滁州学院土木與建筑工程学院，安徽 滁州 239000）
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