材料视界 | 使用二维、三维同步荧光光谱法在环境监测、石油勘探中油品鉴别应用

2025-06-05 18:30:15 39阅读次数

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同步荧光光谱是一种非常实用的工具，能够为诸如原油及其馏分等荧光化合物的复杂混合物生成一个简化的“指纹”。这项技术为淡水或海水中的环境样品分析工作提供了一种快捷的方法，能够帮助识别样品中的油品种类，确定或排除疑似污染源。这项技术也可用在钻井液碳氢化合物的勘探工作中，对钻井液中的油品特征进行分辨。

同步荧光光谱法

同步荧光光谱法需要同时使用两个单色器对样品进行扫描，且两个单色器之间的差值保持恒定。这一差值可以是波长—恒定波长差同步发光*（CWSL），也可以是能量（频率—cm^-1）—恒定能量差同步发光*（CESL）。后者的优势在于能够“抹除”与荧光恒定能量差的假象（例如拉曼光谱带），从而给出一个“更干净的”二维光谱。

三维同步光谱

可以生成一个同步光谱的三维矩阵，用X轴表示激发光单色器的波长，Y轴表示荧光强度，Z轴则根据采用的同步模式，表示波长（nm）或频率（cm^-1）的增量（δ）值。

对于原油及其蒸馏物而言，这项技术比常规的三维荧光光谱要强大得多。在三维荧光光谱中，发射光谱（或激发光谱）通过增加固定波长（构成Z轴的部分）被整合进三维矩阵中。

对于油类而言，其激发波长均在280 nm左右，因此很难利用三维荧光光谱图进行精确识别。

三维荧光光谱的另一个特征是“波脊”，在波脊处，两个单色器色仪处于相同波长（或波长的倍数）。

样品制备

油品易溶于己烷、环己烷这类溶剂，一般采用这类溶剂溶解样品，并使用石英荧光比色皿（四边透明）进行测定。出于对波长范围和耐溶剂性的考虑，一次性比色皿在这里并不适用。

对于含水样品，可通过溶剂将样品萃取到环己烷中。

对于纯品，应考虑使用环己烷将样品稀释30000倍。

应使用高纯度溶剂，因为其它等级的溶剂往往含有芳烃类杂质，这些杂质也会发出荧光。为了使读数落在仪器的量程内，可能需要对溶液的浓度进行调整。

测量

三维同步光谱可使用FL 6500（脉冲氙灯）和FL 8500（150 W连续氙灯）两种型号测定。

FL 8500的灵敏度较高，扫描速度快。

FL 6500的最高扫描速度为24,000 nm/min，FL 8500为60,000 nm/min。本实验中使用的是FL 6500。

扫描的光谱介于220 nm和450 nm 之间（按照激发光单色器确定的值），波长差从5 nm开始，步进为2 nm。激发光和发射光所用的狭缝宽度均为5 nm。

结果和讨论

共有三个样品以恒定波长差同步发光三维光谱方式测定——航空燃油（煤油）、燃油、科威特原油，其结果如下所示。二维同步谱已针对最高峰位的波长差进行优化，并在各个数据组的最右下角予以显示。

图1.航空燃油（煤油）环己烷溶液的二维、三维恒定波长差同步发光光谱。（点击查看大图）

图2.燃油环己烷溶液的二维、三维恒定波长差同步发光光谱。（点击查看大图）

图3.原油环己烷溶液的二维、三维恒定波长差同步发光光谱。请注意三维特征位置相较于成品油发生的偏移。（点击查看大图）

结论

二维、三维同步荧光图为石油泄漏情况下石油样品特征的测定提供了简便、快捷的方法。这项技术也可用在石油勘探领域中对钻井液进行分析，也可对其它含有复杂混合物类的样品（包括多环芳香族碳氢化合物）和药材进行测定。FL 6500和FL 8500仪器都是此类分析的理想之选。FL 8500的扫描速度较快，因此特别适合用于高通量样品的实验室。