EEM和PARAPAC对地表水中DOM分析新进展

王琪 贺依凡 唐倩倩 杨苗苗 王军锋

摘   要：本文介绍了三维荧光光谱技术的机理和平行因子分析法原理。详细评述了灵敏度高、选择性好、获取信息量大且对样品无损的三维荧光光谱技术和具有强大数据处理功能的平行因子分析法对水中溶解性有机物成分解析研究的新进展。阐述该领域的最新研究热点，并对今后的发展趋势和研究方向进行前瞻性预测。

关键词：三维荧光光谱   平行因子分析法  地表水质分析  溶解性有机物

中图分类号：P641                                   文献标识码：A                       文章编号：1674-098X（2020）02（b）-0251-02

溶解性有機物包括腐殖酸、亲水性有机酸、氨基酸、碳水化合物等一系列有机物，一般指水体中能通过0.45um孔径滤膜的有机质，含量一般为0～50mg/L。腐殖质是溶解性有机物的主要组成成分，根据水溶条件可分为水溶酸、富里酸和胡敏酸。溶解性有机物会影响环境行为特征，例如水体的pH值，水中污染物的毒性，生物降解性以及迁移和转化规律。同时，研究表明，溶解有机络合物可以强烈地络合重金属离子，这对它们在水环境中的迁移有一定影响。溶解性有机物的环境影响和环境行为已被学术界广泛认可，并逐渐成为研究热点。由于溶解性有机物组成复杂对其组成的表征和分析成为相关研究的关键所在。

目前，仪器技术的快速发展，科研人员从光谱学领域入手，逐渐促进了光谱学对溶解性有机物的实验分析。三维荧光光谱（Three-dimensional Fluorescence Spectroscopy）具有灵敏度高、选择性好、对样品无损伤的优点，近年来，它已广泛用于水和土壤中溶解性有机物的表征和去除。在三维荧光光谱的应用中，数据评估方法起着至关重要的作用，三维荧光光谱结合有效的数据分析方法可用来定性定量表征溶解性有机物中的组分变化。

1  三维荧光光谱及平行因子分析法

三维荧光光谱以三维投影图的形式显示了不同激发波长和发射波长下的荧光强度。 它的三个维度分别是激发波长，发射波长和荧光强度（I*J*F），因此荧光物质可以显示具有直观准确图形的等高线图。在溶解性有机物的研究中，通常，激发光波长为200～450nm，发射波长为280～550nm。

平行因子分析方法基于三线性分解理论，使用交替算法是基于三线性分解理论并使用交替最小二乘原理的迭代型三位数矩阵分解算法。 将三维阵列X分解成三个负载矩阵，然后分解溶解的有机物的三维荧光光谱。 平行因子模型分析将在Matlab 12.0软件中与处理后的数据一起执行。 同时，采用二分法和残差分析法检验平行因素分析模型的有效性，确定最佳溶解有机物数量[3]。

2  三维荧光光谱及平行因子分析法的应用

付川等使用三维荧光光谱研究了长江不同水样和取样点的水样中溶解性有机物的荧光特征，结果表明，不同采样点的荧光峰强度存在明显差异，该方法可有效鉴别库区水质污染[4];吴静等基于三维荧光光谱技术对北京市城市水体进行了分析，研究表明，三维荧光光谱图可以显示污染程度和污染源[5]。蔡文良等利用三维荧光光谱，并结合平行因子分析及主成分分析，研究表明，平行因子分析模型识别出长江重庆段溶解性有机物由2类6个荧光组分组成，不仅可以表征光谱特征，还可以示踪有机污染程度[6]。蔡广强等研究了中国典型的南方水源，结果表明：水溶性有机物主要由芳香蛋白物质组成，可溶性微生物代谢产物，富里酸和腐殖质的含量逐渐增加[7]。

吕清等研制出的污染预警溯源仪能够根据水纹峰型及峰强度的变化进行对比实现溯源，并用pH、苯胺类、TOC和TN等水质指标的变化来检验诊断结果[8]。张华等利用三维荧光光谱技术研究合肥市某污水处理厂中溶解性有机物变化过程，研究表明，溶解性有机物中的低激发波长色氨酸、高激发波长色氨酸和可见光区类腐殖质经厌氧处理后，荧光强度都明显降低[9]。祝鹏等建立了平行因子分析法对湖泊水样的三维荧光光谱数据进行了荧光物质组分分解，通过平行因子分析法确定样品中荧光材料的合理数量，并实现荧光材料的合理降解[10]。王书航等研究了蠡湖水体中有色可溶性有机物的分布特征，研究表明，利用平行因子分析法模型识别出了2个荧光组分，类色氨酸荧光组分含量远高于类腐殖质荧光组分，且荧光强度均呈现出自东向西依次减弱的趋势[11]。杜尔登等基于三维荧光光谱组合平行因子分析，解析出3个有效的平行因子分析荧光组分，用UV/H2O2来去除荧光组分。

3  热点分析

三维荧光光谱分析技术可有效表征水体中溶解性有机物，数据处理方法包括峰值法和荧光区积分法，再到平行因子分析法，再到HPLC / HPSEC和平行因子分析法来研究溶解性性有机物。这种化学分离与化学计量学分离相结合的分析方法已成为三维荧光光谱分析的方向[13]。为了能在解决实际问题这一方面更多的运用三维荧光光谱技术，以下几个方面将是也一定会是研究的重点：

（1）建立不同水体类型的溶解性有机物三维荧光指纹数据库;

（2）发明更加方便灵敏的污染溯源仪;

（3）开发平行因子分析的更多功能，推动三维荧光光谱技术与平行因子分析技术的联合应用。

4  前景与展望

溶解性有机物是包括腐殖质、蛋白质和其它芳族或脂族有机化合物的复杂混合体，其对水环境及生态系统等都产生重要影响，控制溶解性有机物的生产和防治溶解性有机物是改善生态环境、改善人类生存条件及保证人类健康发展的基础。溶解性有机物，特别是其成分和含量非常重要，必将在以后的研究中获得更多关注，并在以下几个内容取得巨大成果：

（1）溶解性有機物 中尚有未知的组分来源及特征;

（2）平行因子分析法还需要有进一步的验证与探索的必要;

（3）还没有统一的溶解性有机物组分荧光特性指标的标准。

参考文献

[1] Sanchez N P， Skeriotis A T，Miller C M. A PARAFAC-based long-term assessment of DOM in a multi-coagulant drinking water treatment scheme[J]. Environmental Science & Technology，2014，48（3）：1582-1591.

[2] Osburn C L， Handsel L T， Mikan M P， et al.Fluorescence tracking of dissolved and particulate organic matter quality in a river-dominated estuary[J].Environmental Science & Tech- nology，2012，46（16）：8628-8636.

[3] Stedmon C A， Bro R. Characterizing dissolved organic matter fluorescence with parallel factor analysis： a tutorial [J].Limnology and Oceanography：Methods，2008，6：572-579.

[4] 付川，郭劲松，祁俊生，等.长江（万州段）水体溶解性有机物的荧光光谱分析[J].长江流域资源与环境，2009（18）：70-73.

[5] 吴静，崔硕，苏伟，等.北京城市水体的三维荧光特征[J].光谱学与光谱分析，2011（31）：124-128.

[6] 蔡文良，许晓毅，罗固源，等.长江重庆段溶解性有机物的荧光特性分析[J].环境化学，2012，31（7）：1003-1008.

[7] 蔡广强，刘丽君，卢小艳，等.典型南方水源溶解性有机物荧光特性变化与去除[J].环境工程学报，2015，9（11）：5288-5294.

[8] 吕清，徐诗琴，顾俊强，等.基于水纹识别的水体污染溯源案例研究[J].光谱学与光谱分析，2016，36（8）：2590-2595.

[9] 张华，田纪宇，黄健，等.三维荧光光谱技术对污水处理中溶解性有机物转化过程的分析[J].环境污染与防治，2017，39（4）：375-378，383.

[10]祝鹏，刘成林，祝飞.平行因子法分解成分分析在三维荧光光谱数据中的实现[J].光谱学与光谱分析，2015，35（6）：1611-1617.

[11]王书航，王雯雯，姜霞，等.基于三维荧光光谱—平行因子分析技术的蠡湖CDOM分布特征[J].中国环境科学，2016，36（2）：517-524.

[12]陈诗雨，李燕，李爱民.溶解性有机物研究中三维荧光光谱分析的应用[J].环境科学与技术，2015，38（5）：64-68，73.