紫外—可见光谱分析方法在环境监测中的应用
紫外—可见光谱分析水质监测技术是现代环境监测的一个重要发展方向, 与传统的化学分析、电化学分析和色谱分析等分析方法相比, 光谱分析技术更具有操作简便、消耗试剂量小、重复性好、测量精度高和检测快速的优点, 非常适合对环境水样的快速在线监测。目前该技术主要有原子吸收光谱法、分子吸收光谱法以及高光谱遥感法, 其中高光谱遥感法由于测量精度不高多数用于定性分析, 而原子吸收光谱法精度虽高, 但由于首先要把样品汽化, 因而耗能较高, 系统体积大, 不适合广泛使用, 比较而言, 分子吸收光谱法是目前应用较为广泛的水质分析技术, 其中紫外—可见光谱分析法可直接或间接地测定水中大多数金属离子、非金属离子和有机污染物的含量, 具有灵敏、快速、准确、简单等优点, 并可实现对多种水质参数的检测, 在对饮用水、地表水、工业废水等水体的在线监测中具有显著的技术优势, 是国内外科研机构与主要分析仪表厂商竞相研发的现代水质监测技术。
1、UV-VIS分光光度计的发展情况
紫外可见分光光度计的发展从历史上看,分光光度计按其光路可分为两类。第一类是单光束仪器,这类仪器的优点是光效率高,结构简单和价格便宜,缺点是稳定性差,漂移较大。第二类是双光束仪器,这类仪器具有稳定性高、漂移小的优点,但结构复杂、价格较贵、效率较低。后来开发的一种分光束系统吸取了单光束仪器光效率高的优点,它使初始光束的小部分直接导向光强检测器,大部分经过样品,从而可使仪器信噪比高、反应快。
随着计算机技术在分析仪器领域的广泛应用 ,单光束、双光束UV-VIS分光光度计均得到了极大的发展。如利用计算机技术在单光束型分光光度计上可实现波长自动扫描的功能。在微机控制下,这种仪器(如国内的721型)还可实现光门开闭、调零、透过率与吸光度测定的自动化及部分校正仪器漂移的功能。在实验室常规分析、在线分析及流动注射分析中均有应用。双光束型仪器在计算机控制下,可以任意选择单光束、双光束或双、单光束模式进行扫描。如有些仪器可进行固定波长分析、全波长扫描和时间动力学测定等,在固定波长方式下,最多可同时测定12个波长,同时读取相应波 长下的吸光度或透过率,并可同时乘以相应的计算因子在波长扫描方式下,可以在全波长范围内任意选择所需要的扫描波段,并可计算拾取的峰、谷、点 、一至多阶导数、对数光密度、散射光校正、光谱的相加、减、相乘和净吸收值,可完成多次重复的扫描并将光谱图显示在同一屏幕上,根据需要对图形进行电子图形放大、自动标尺处理、峰形平滑处理，时间动力学测定方式适用于测定不同反应时间样品光密度或透过率的动态变化。双光束型仪器可
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以在每次开机时自动校正。有些仪器还允许同时测量两个样品,并且波长范围扩展到190—1100nm,可用来进行定性、定量分析。由于这种仪器在测定时所有信息均显示在计算机屏幕上,利用窗口技术和鼠标或键盘可直接在屏幕上操作，测 定结果可贮存在硬盘或软盘中,也可利用打印机将数据或图形直接打印出来,给分析工作带来极大的便利。
2、国内外UV-VIS分光光度计现状
UV-VIS分光光度计发展到90年代,其性能大大增强 ,制作愈来愈精巧、美观。目前国内生产的此种仪器 ,单光束型如UV-7595型,双光束型如TU1221型、760CRT型，760MC型。这些仪器采用高分辨、低杂散光的单色器,可进行全波段扫描、分波段扫描和动力学时间扫描,具有浓度直读、线性回归、光谱贮存、微分光谱、差分光谱、积分光谱、二波长、三波长法测定等功能,可实现人机对话、吸光度刁透过率T谱图直接转换等操作,能很好地满足环境监测工作的需要。
目前国外生产的UV-VIS分光光度计,波长范围有些达190-1100 nm,如H A C H公司生产的DR /4000型仪器,可进行多波长测定以实现多组分分析,准确度较 高,波长扫描速度可设置到0.1n m,可进行样品空白自动校正和仪器系统、电压自动测试,比色皿分别有1英寸、1cm、5cm、10cm等不同规格,显示数据或谱图的屏幕可随测试者的需要自行调节,由于系统内装有先进的数据处理软件,利用这种仪器可进行复杂组分的分析 。岛津公司生产的U V-2501 PC型仪器,采用双闪耀衍射光栅 、双单色器(DDM),既达到了超低杂散光(杂散光为0.0003%,220nm,Nal)又可获得高的光通量,高浓度的样品可不需稀释直接进行测试,波长扩展到近红外（1100nm），吸光度最高可达9Abs。新近岛津公司生产的紫外可见二极管阵列分 光光度计( Multi Spec-1500)，采用二级管列阵（以二极管作为测光元件,若干个并列放置制作而成)接受从光栅来的不同波长的光,这种新型仪器的特点是:(l)光学系统简单,机械转动部分少,从而故障率大大降低; (2)操作简便,其放式的样品室可直接进行样品更换和加试剂等: (3)测定速度快,Multi Spec-1500使用512个二极管,远比传统的分光光度计测光元件多 ,因此测定速度非常快,并可满足多波长同时监控的要求;如利用这种仪器测定2,6-二氯靛酚和抗坏血酸在水溶液中的还原反应过程,仪器在400一800 n m内,以0.1秒为间隔,可测定反应在0.4 -1.2秒 间的变化情况,谱图上抗坏血酸还原反应的峰从显现后逐渐由长波长向短波长方 向转变直至最后消失,这种测定是传统分光光度计无法进行的;(4) 信号和数据传输速度快,由于Multi Spec-1500采用了专用的DSp(数字信号处理机)和SCSI接口，可在40us左右完成采集数据、数据信号校正、测量数据平均以及元件的波长变换,并可进行快速的数据传送;(5) Multi Spec-1500采用高性能的软件,具有丰富的
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光谱处理功能,不仅能进行吸光度和透过率的转换、归一化、基线校正、微分平滑化、面积计算、K-M转换等,还具有三维数据处理功能如进行时间扫描时仪器可记录吸光度-波长-时间三维数据。这些都是传统分光光度计不能进行的。 3、工作原理
紫外-可见分子吸收光谱分析是根据物质的吸收光谱来分析物质的成分、结构和浓度的方法, 其基本原理是是朗伯 -比尔吸收定律( 图 1) , 即在一定的吸收光程下, 物质的浓度与吸光度成正比, 见式( 1)。
式中: A 为吸光度; I 0 为入射光强度; I 为透射光强度; k 为摩尔吸光系数, 单位为 L/mol / cm; b为液层厚度(吸收光程) , 单位为 cm; c为吸光物质的浓度, 单位为 mol/ L。
在多组分共存的情况下, 如各吸光组分的浓度均比较稀, 可忽略相互之间的作用, 这时体系的总吸光度等于各组分的吸光度之和如式( 2) 所示
式中 A 为溶液总的吸光度, Ai 式第i 个组分的吸光度, 依据吸光度的加和性, 可以进行多组分分析和多参数测量。不同化学物质各自不同的特征吸收光谱是对水质进行定性、定量分析的基础。通过紫外/ 可见光谱仪, 采集环境水样在紫外 区或可见光区的全波段连续光谱, 可以获得待测物质的特征吸收光谱, 然后利用智能算法分析光谱和各待测水质参数的关系, 建立相关预测模型, 可以实现对多种水质参数的测量并预测其变化趋势。 4、UV-VIS在环境方面的主要研究现状与进展
目前, 光谱水质监测技术主要有在线( on - line) 水质监测和原位( in - situ)水
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质监测两类。在线( o n - line) 光谱水质监测具有采样环节, 主要是在监测区域通过泵、阀、导管等流路控制器件把经过沉淀和过滤的水样送入流通池( 样品光学 检测室) , 然后通过吸收光谱对水样中的某种物质的成分及其含量进行定量分析, 其中对待检水样一般要经过在线前处理, 如显色、富集和消解等。而原位( in - situ)光谱水质监测( 即投入式) 则无需样品采样, 直接把光学水质探头固定在监测水域, 这样水样可以自动流经光学检测室, 然后通过光谱分析实现对水样的原位监测。就目前国内外技术发展来看, 顺序注射光谱分析法是比较典型和普遍应用的在线光谱水质监测技术。顺序注射光谱分析法原理如图 2 所示, 主要是以光谱仪为核心, 借助顺序注射平台, 实现对水样品的在线前处理、顺序进样和顺序检 测。顺序注射光谱分析技术具有试剂消耗量少( u L 级消耗) 、进样精确( u L 级)、测量准确(检出限能够达到u g/L, 甚至更高的量级)和分析高效快速的优点。
Abdalla等报道了在线监测饮用水中氰化物含量的相关技术, 采用光纤光谱分析仪与美国 FIAlab 仪器公司的 FI -lab - 3500 顺序注射分析仪, 在 600 nm 波长处可测得饮用水中氰化物浓度与吸光度的线性范围为 2 .00~ 7 .0 mg /L之间, 检出限达到 0.6 mg / L,每小时可以监测45个样品, 具有很高的样品采样率, 足以反映饮用水中氰化物含量变化的高频信息。Vanloot 等报道了饮用水中 Fe3+ 和 Al3+的在线监测技术, 应用顺序注射光谱分析技术在水厂在线监测饮用水中的 Fe3+和 Al3+的含量, Fe3+和Al3+的检出限分别达到 5 .6 和 4. 9ug/ L。2008
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年 Poachanee Norfun 等报道了基于顺序注射光谱分析的工业污染水样中 Al3+ 的监测技术, 在 428 nm 处的检测线性范围为0 . 02~ 0 .6 mg/ L,检出限达到 13 ug/ L。2009 年葡萄牙波尔图大学的 Silva等报道了废水中钒的含量监测, 采用顺序注射光谱分析技术, 在 565 nm 波长处, 检出限达到0 .39 mg/ L。Zhang 等报道了顺序注射光谱分析监测海水中的亚硝酸盐含量,采用在线预富集技术, 在543nm 波长处, 采用20 mm 光程的流通池, 能够检测到nmol/ L的亚硝酸盐的含量, 监测精度远远高于传统的分析技术。
近年来, 顺序注射光谱分析技术正朝着高度集成化的方向发展, 主要是以微型光谱 仪为核心, 依托阀上 实验室( LOV , labonvalve) , 即把试样的注入口、反应通道及样品光学检测室以精密加工技术集成在多通道选择阀上, 实现了水质监测系统的集成化与微型化。如美国 FIAlab 仪器公司的集成化顺序注射光谱水质分析系统( 图 3) , 采用海洋公司的微型光谱仪, 不但体积小( 24 cm* 24 cm * 16.5 cm) 、重量轻( 6. 75 kg ) , 而且对硝酸盐、亚硝酸盐、氨氮、磷酸盐和氯化物等多种水质参数具有比较高的检测精度和ug/L级的检出限。
与(on-line)在线水质监测比较而言,目前原位(in-situ)水质监测技术应用更为广泛,更易实现多参数水质监测,比较典型是奥地利Scan公司的G系列在线水质分析仪,专门为地表水,地下水和市政污水的监测而设计。采用紫外-可见光电阵列感光器和差分光谱分析软件,与传统的滤光片单波长紫外分析仪相比有了革命性的进步,可以测量硝氮,COD,BOD,TOC,DOC,浊度或悬浮浓度;可以实现更多参数的在线测量;仪器出厂按全球参数标准预标定,通常无须现场标定。对于复杂
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的工业废水,该公司研发的spectro: : lyserTM系列水质分析监测仪更为先进, 采取浸没式微小型 UV - VIS 分光光度计和双光束检测技术,通过直接扫描水样连续光谱区, 获得水质参数的特征光谱;然后利用算法分析光谱和各水质参数的关系,建立相关预测模型,再根据模型演算未知水样的COD和BOD等参数信息。该仪器可实现从污水到超纯水的COD、BOD、TOC、硝氮、苯、甲苯、二甲苯、苯酚等多参数的测量, 测量过程中不需要样品采样与相关前处理技术, 也不需要泵、阀等样品流路控制器件,仅用12V低电压电源供电即可驱动, 其测量时间短,根 据其所测参数的多少一个测量周期在 20~ 60s之间,也足以反映水质变化的高频信息。但也正是由于缺乏有效的前处理技术,干扰较大,使得测量准确度及系统稳定性与在线(o n-line)测量相比相对较低, 一般在检出限在mg /L的量级。德国 E+H公司的stip-scan 产品以及德国WTW公司的IQSensorNet 等具有类似特点。 5、光谱分析的水质监测技术发展趋势
现代光谱分析技术为水质监测开辟了一个崭新的领域,尽管已有部分产品进入市场, 但是仍然存在一些亟待突破的关键技术需要解决, 主要有如下几个方面。研究低功耗、低成本的微型化水质监测仪器是技术发展的必然, 而光谱仪的微型化与低功耗化是需要解决的核心关键技术, 因此MEMS微型光谱仪(based microspectrometer ,MEMS)、芯片级光谱仪( Chip - sizedopticalspectrometers) 和片上光谱仪( Microspect rometer o n a Chip) 的研究成为当前国际仪器科学、生化分析和环境科学等诸多相关领域的研究热点。如美国监测微系统公司(measurementmicrosysems, MM)开发的片上光谱仪, 其波长分辨率达到0. 5 nm, 较传统的紫外 -可见微型光谱仪提高了近 10 倍, 更适合对水质的光谱分析;美国加州大学应用物理系的 Adams 等采用微细加工技术和新材料技术, 把片上光谱仪和微流控芯片集成于一体, 实现了对水体样本的片上分析。
由于水体中各种待检物质的特征吸收光谱不同, 因此在紫外 -可见波长范围内可以实现对待检水样的多参数测量,这正是基于光谱分析的水质监测技术优势所在, 但随着人们生活水平的提高, 对水资源环境的监测参数越来越多, 其中有很多参数的吸收光谱特征不在紫外 -可见光谱范围内, 因此, 在追求光谱仪的微型化和高性能的同时, 更应该着手开发其他波长范围的系列微型光谱仪的研究, 如德国弗朗夫费可靠性与微集成技术研究所已于近年展开了面向环境监测的近红外和中红外系列集成微型光谱仪的研究, 以满足在线生化分析对分析仪器微小型、高效益、检测快速以及在更宽光谱范围内对多种有机物污染的监测要求。
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