卓立SmartFluo-Pro三维荧光光谱仪在荧光指纹技术中的性能表现

导读

为贯彻《中华人民共和国环境保护法》 《中华人民共和国水污染防治法》 《中华人民共和国海洋环境保护法》，中华人民共和国环境部制定并于2024年12月28日发布了《HJ1407-2024 入河入海排污口监督管理技术指南 水质荧光指纹溯源方法》（以下简称HJ1407-2024），此标准于2025年2月1日开始正式实施。

那么水质荧光指纹究竟为何物，荧光指纹中又包含了水样哪些重要的”身份信息”，我们应该如何利用它来进行污染物溯源？本文将带您读懂这篇标准中的水质荧光指纹溯源方法。

标准解读——排污口监管关键是溯源

HJ1407-2024采用水质荧光指纹溯源的方法，对待溯源入河入海排污口进行水质荧光指纹采集，测试污染流动路径上采集到水样的水质荧光指纹和常规监测指标或特征污染物，逐一与入河入海排污口水质荧光指纹、常规监测指标或特征污染物进行比对，查找入河入海排污口污水来源，明确工业、农业等污水类型，确定责任主体的过程。

水质荧光指纹溯源——水样的身份证

标准中所使用到的关键技术为水质荧光指纹溯源技术。水质荧光指纹指的是表征水样污染物组成、具有特异性的三维荧光光谱（EEMs，Excitation-Emission Matrices），即以激发波长、发射波长分别为横轴和纵轴，并以荧光强度等高线进行呈现的光谱图。

从图1某工厂水样的三维荧光光谱图中可以看到等高线图中每一个中心都可认为是一个荧光指纹，我们一般采用纵坐标（激发波长Ex）和横坐标（发射波长Em）的坐标来定位这个指纹峰。例如下图中的Ex/Em=340/420，代表激发波长为340nm时，发光中心波长在420nm的一个荧光峰。

图1.某工厂水样三维荧光光谱中的污染物荧光指纹

（数据源自卓立汉光SmartFluo-Pro三维荧光光谱仪）

如同人类的指纹一般，水质荧光指纹赋予了水样独特的身份信息，其中包括荧光峰位置、数量、形状、强度等特点。通过比对未知排放源水样与疑似排放源水质荧光指纹的接近程度，即可进行特征污染物的溯源。检验人员可以通过检测已知污染源的荧光指纹，构建起荧光指纹数据库，通过识别拟溯源水体的荧光指纹，形成分析目标。图2为常见污染类型的典型水质荧光指纹图（引自HJ1407-2024附录B），可以看到不同排放源的水样在三维荧光谱图上具有不同的荧光指纹峰。需要注意的是，标准中所出现的水质荧光指纹图中均包含了来自激发光的倍频峰信号（即位于图2三维荧光图右下角的黑色带状斜条纹），这些信号对荧光峰的分析会造成一定的干扰，在进行荧光指纹溯源时需要进行消除倍频峰的数据处理。如能在测试时候选择可自动消除倍频峰的三维荧光光谱仪，即可避免这个麻烦并得到更加准确的数据。

图2. 常见污染类型的典型水质荧光指纹图（引自HJ 1407-2024附录B）

标准应对——SmartFluo-Pro三维荧光光谱仪

北京卓立汉光仪器有限公司的SmartFluo-Pro三维荧光光谱仪，可快速检测水中的溶解性有机质(Dissolved organic matter，DOM)，每个样品仅需数十秒或者几分钟，即可识别水样中的有机物成分。SmartFluo-Pro可完全满足HJ1407-2024中对三维荧光溯源设备的要求，且仪器标配滤光片，自动去除二级瑞利散射峰，无需额外数据处理，直接可以得到不受散射峰影响的三维荧光光谱图。    

图3. SmartFluo-Pro三维荧光光谱仪

参照HJ1407-2024附录A配制L-色氨酸溶液、水杨酸钠溶液及其二者的混合液，使用SmartFluo-Pro进行水质荧光指纹的识别，分别测量0.3 mg/L L-色氨酸溶液、0.3 mg/L 水杨酸钠溶液、L-色氨酸溶液（0.06 mg/L）和水杨酸钠溶液（0.01 mg/L）的混合液（体积比5：1）、水杨酸钠溶液（0.06 mg/L）和L-色氨酸溶液（0.01mg/L）的混合液（体积比5：1）。由于SmartFluo-Pro所配置的阵列检测器能实现快速光谱获取，因此，每个样品三维荧光光谱的测试时间仅为3-5分钟。

图4.标准样品水质荧光指纹

测试结果如图4所示，四种水样中所测得的水质荧光指纹峰数量、相应峰的激发和发射波长、强度和形状等特点均与标准附录B中记录的一致，图中括号内的数字对，代表相应荧光指纹峰的激发波长和发射波长对。值得一提的是，由于SmartFluo-Pro内置滤光片，可自动消除来自激发光瑞利散射的倍频峰信号，因此在进行后续相似度判定时，无需再手动消除散射峰。

为了确认标准中所提及标准溶液线性相关度，我们制备了0.00 mg/L、0.06 mg/L、0.12 mg/L、0.18 mg/L、0.24 mg/L、0.30 mg/L 的L-色氨酸溶液，在激发波长/发射波长(Ex/Em)为275/350 nm处进行标准曲线绘制。图5为使用SmartFluo-Pro绘制的荧光标准曲线，可以看到曲线的拟合系数R2达到了0.9988，具有优异的线性相关度，满足HJ1407-2024关于标准曲线拟合相关系数应满足R2≥0.99的要求。

图5. L-色氨酸溶液荧光峰强度-浓度的关系曲线（Ex/Em=275/350nm）

此外，HJ1407-2024附录D中定义了区域百分比相似度计算公式，用于计算两个水质荧光指纹样品之间的相似程度，主要用于对不同水质荧光指纹样品的定量化比较。因此，我们也对SmartFluo-Pro测试结果进行区域相似度判定， 可以得到四个样品各自相对应的相似度均大于99%，满足标准中算法检验相似度需大于90%的要求。

图6. 水质荧光指纹溯源方法技术流程图（参考HJ 1407-2024）

图6为HJ1407-2024中规定的利用水质荧光指纹溯源方法进行入河入海排污口溯源的技术流程图，从中可以看到水质荧光指纹溯源方法在污染物溯源中的重要性。通过对有效布点并采集的水样进行三维荧光EEMs测试，利用水质荧光指纹信息对污染物进行溯源并进行相应的责任归属，可为水环境保护提供更全面水体污染评估，为水质管理提供更科学有效的支持。卓立汉光也会持续关注并更新相应的解决方案，关注我们赖以生存的环境，关注人类和地球的健康。