熒光檢測(cè)技術(shù)在在水質(zhì)檢測(cè)中的實(shí)踐應(yīng)用研究

摘要：隨著工業(yè)化和城市化進(jìn)程的加速，水體污染問題日益嚴(yán)峻。傳統(tǒng)的水質(zhì)檢測(cè)方法雖然應(yīng)用普遍，但往往耗時(shí)過(guò)長(zhǎng)，并且對(duì)環(huán)境有一定的破壞性。因此，開發(fā)一種既環(huán)保又高效的新型水質(zhì)檢測(cè)方法成為迫切需求。對(duì)此，分析了水質(zhì)檢測(cè)中的熒光檢測(cè)技術(shù)，闡述了常見的熒光檢測(cè)技術(shù)類型及其應(yīng)用方法，并結(jié)合實(shí)驗(yàn)探究了熒光檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用要點(diǎn)與效果。

關(guān)鍵詞：水質(zhì)檢測(cè) 熒光檢測(cè)技術(shù) 化學(xué)需氧量 偏最小二乘回歸

Research on the Practical Application of Fluorescence Detection Technology in Water Quality Testing

FANG Yan

Zibo Anrui Water Quality Testing Co.， Ltd.， Zibo， Shandong Province， 255038 China

Abstract： With the acceleration of industrialization and urbanization， the problem of water pollution is becoming increasingly severe. Although traditional water quality testing methods are widely usedcommon， they are often take too longtime-consuming and have certain degree ofdestructive effects on the environment damage. Therefore， developing a new type of water quality detection method that is both environmentally friendly and efficient has become an urgent need. In this regard， it is necessary to analyze the fluorescence detection technology in water quality testing， explain the common types and application methods of fluorescence detection technology， and explore the application points and effects of fluorescence detection technology combined with through experiments for reference.

Key Wwords： Water quality testing; Fluorescence detection technology; Chemical oxygen demand；Partial least squares regression

水資源的質(zhì)量直接影響著生態(tài)系統(tǒng)的健康和人類社會(huì)的持續(xù)發(fā)展。隨著環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)的提升和人們對(duì)更高生活質(zhì)量的追求，迫切需要開發(fā)出更為高效和環(huán)境友好的水質(zhì)檢測(cè)方法。目前，對(duì)水質(zhì)的快速檢測(cè)技術(shù)受到特別重視，其能夠提供及時(shí)的數(shù)據(jù)以應(yīng)對(duì)環(huán)境污染事件。在此背景下，熒光檢測(cè)技術(shù)由于其非侵入性和快速響應(yīng)的特點(diǎn)成為水質(zhì)檢測(cè)領(lǐng)域的革新方向。熒光技術(shù)在許多科學(xué)領(lǐng)域中已展現(xiàn)出其巨大的應(yīng)用潛力，在檢測(cè)水中有機(jī)和無(wú)機(jī)污染物的過(guò)程中，其能夠提高檢測(cè)的效率，減少對(duì)環(huán)境的干預(yù)。因此，對(duì)熒光檢測(cè)技術(shù)在水質(zhì)檢測(cè)中的應(yīng)用進(jìn)行詳細(xì)探究意義重大。

1熒光檢測(cè)技術(shù)類型

1.1 ATP生物熒光檢測(cè)技術(shù)

三磷酸腺苷（Adenosine Triphosphate， ATP）生物熒光檢測(cè)技術(shù)是一種以ATP作為所有生物體細(xì)胞活動(dòng)的共同能量來(lái)源的原理開發(fā)的方法。這種技術(shù)主要用于快速評(píng)估樣品中的微生物活性。在此技術(shù)中，將特定的酶（如螢光素酶）與樣品中的ATP進(jìn)行反應(yīng)，此反應(yīng)會(huì)產(chǎn)生熒光。由于熒光的強(qiáng)度與ATP的濃度成正比關(guān)系，因此，可以通過(guò)測(cè)量熒光強(qiáng)度來(lái)定量分析樣品中的微生物活性。此技術(shù)被廣泛應(yīng)用于食品安全、醫(yī)療衛(wèi)生、生物制藥等領(lǐng)域，用于檢測(cè)環(huán)境與產(chǎn)品的微生物污染水平。

1.2流式細(xì)胞術(shù)

流式細(xì)胞術(shù)是一種先進(jìn)的細(xì)胞分析技術(shù)，通過(guò)測(cè)量細(xì)胞通過(guò)激光束時(shí)散射的光和發(fā)出的熒光來(lái)檢測(cè)和測(cè)量細(xì)胞的多種物理和化學(xué)特性。在流式細(xì)胞術(shù)中，細(xì)胞被單獨(dú)懸浮在流體中，并引導(dǎo)通過(guò)一條狹窄的流道，激光光束在此照射細(xì)胞。細(xì)胞可以被標(biāo)記為熒光標(biāo)記的抗體或其他熒光探針。當(dāng)這些探針與細(xì)胞的特定組分結(jié)合后，可以通過(guò)檢測(cè)散射光和熒光信號(hào)來(lái)對(duì)細(xì)胞進(jìn)行快速分類和鑒定。流式細(xì)胞術(shù)的快速、高通量特點(diǎn)使其在免疫學(xué)、腫瘤學(xué)、細(xì)胞生物學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用。

1.3熒光共振能量轉(zhuǎn)移術(shù)

熒光共振能量轉(zhuǎn)移（Fluorescence Resonance Energy Transfer，F(xiàn)RET）是一種分子間距離測(cè)定技術(shù)，用于研究生物分子間的相互作用和動(dòng)態(tài)變化。當(dāng)兩個(gè)熒光標(biāo)記分子——供體和受體——的距離足夠近（一般在1～10 nm之間）時(shí)，供體在被激發(fā)后可以將能量通過(guò)非輻射形式直接轉(zhuǎn)移到受體上，導(dǎo)致受體發(fā)光。通過(guò)檢測(cè)受體的熒光增強(qiáng)和/或供體的熒光減弱，可以定量分析分子間的相互作用，如蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)、蛋白質(zhì)-DNA、蛋白質(zhì)-RNA等復(fù)合物的結(jié)合。FRET技術(shù)在生物化學(xué)、細(xì)胞生物學(xué)、藥物開發(fā)等領(lǐng)域提供了一種強(qiáng)有力的工具，用于研究細(xì)胞內(nèi)的信號(hào)傳導(dǎo)路徑與分子機(jī)制^[1]。

1.4激光掃描共聚焦顯微鏡技術(shù)

激光掃描共聚焦顯微鏡（Laser Scanning Confocal Microscopy，LSCM）技術(shù)是一種高分辨率的光學(xué)成像技術(shù)，它使用激光作為光源，對(duì)樣品進(jìn)行逐點(diǎn)掃描，同時(shí)利用一個(gè)空間限制的檢測(cè)孔徑來(lái)僅檢測(cè)來(lái)自焦平面的光，從而消除焦平面以上和以下的光，提高圖像的對(duì)比度和清晰度。這項(xiàng)技術(shù)能夠生成高質(zhì)量的三維圖像，適用于復(fù)雜生物樣本的深層成像。通過(guò)使用不同的熒光探針，可以同時(shí)觀察樣品中的多種細(xì)胞成分和生物分子，這對(duì)研究細(xì)胞結(jié)構(gòu)、細(xì)胞間的相互作用與細(xì)胞內(nèi)部復(fù)雜的生物過(guò)程具有極大的價(jià)值。LSCM技術(shù)在神經(jīng)生物學(xué)、癌癥研究、材料科學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域中都有著重要的應(yīng)用。

2實(shí)驗(yàn)材料與儀器

在此項(xiàng)研究中，對(duì)水質(zhì)中化學(xué)需氧量（Chemical Oxygen Demand，COD）進(jìn)行測(cè)定。為了進(jìn)行這一檢測(cè)，實(shí)驗(yàn)小組從特定地點(diǎn)的地表水體中隨機(jī)選取了63個(gè)水樣。在樣本采集后，置于室溫環(huán)境中靜置30 min，使樣本中的沉積物充分沉淀，隨后，從中提取上清液以供實(shí)驗(yàn)使用。為了校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，制備標(biāo)準(zhǔn)COD溶液，溶液共計(jì)20份，質(zhì)量濃度范圍從2.5～100 mg/L，按固定濃度梯度逐步配置，準(zhǔn)備待測(cè)。實(shí)驗(yàn)設(shè)備包括一個(gè)精密設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)裝置（如圖1所示）。該裝置核心由一臺(tái)半導(dǎo)體激光器構(gòu)成，激光器產(chǎn)生的激光信號(hào)通過(guò)光纖系統(tǒng)傳輸，并最終照射到裝有水樣的比色皿中。這一過(guò)程中產(chǎn)生的熒光信號(hào)經(jīng)光纖傳送至光纖光譜儀，由光譜儀進(jìn)行信號(hào)捕獲與分析。隨后，處理后的數(shù)據(jù)被送往計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行進(jìn)一步的數(shù)據(jù)分析和圖像顯示。實(shí)驗(yàn)中，采用垂直于激光照射方向的90°角度來(lái)收集熒光信號(hào)，此措施有利于優(yōu)化數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度和實(shí)驗(yàn)的可靠性^[2]。

3實(shí)驗(yàn)方法

3.1采集和處理熒光光譜

為了深入分析水樣的COD，首先對(duì)熒光光譜進(jìn)行詳細(xì)采集和后續(xù)處理。在實(shí)驗(yàn)的初始階段，設(shè)置光電倍增管的電壓至700 V，以增強(qiáng)對(duì)熒光信號(hào)的檢測(cè)靈敏度。為了確保獲得高質(zhì)量的光譜數(shù)據(jù)，熒光光譜的采樣間隔被設(shè)定為5 nm。采樣過(guò)程精細(xì)，有利于更準(zhǔn)確地捕捉熒光光譜的細(xì)微變化，從而提高分析結(jié)果的可靠性。在采集過(guò)程中，需要對(duì)散射光峰進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚怼Ｈ绻⑸涔夥逦幢煌咨铺幚恚瑒t會(huì)掩蓋或干擾熒光光譜的特征峰，影響整體分析的準(zhǔn)確性。經(jīng)過(guò)初步的分析，發(fā)現(xiàn)在激發(fā)波長(zhǎng)275 nm時(shí)，大部分水樣顯示出顯著的熒光發(fā)射光譜變化，因此，選定此波長(zhǎng)作為主要的觀察窗口，進(jìn)一步從每組水樣中提取三維熒光數(shù)據(jù)^[3]。為保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和重復(fù)性，每個(gè)樣本都進(jìn)行三次獨(dú)立的熒光光譜采集，采集得到的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)平均處理，保證最終分析結(jié)果的穩(wěn)定性和可靠性。

3.2測(cè)量實(shí)際水樣的COD值

在完成對(duì)熒光光譜的采集與分析后，即可直接測(cè)定水樣COD。為此，采用了快速消解分光光度法，這是一種被廣泛認(rèn)可的化學(xué)分析技術(shù)，通過(guò)化學(xué)消解來(lái)測(cè)量水樣中有機(jī)物質(zhì)的氧化需求。在本研究中，所有63份水樣均經(jīng)過(guò)了仔細(xì)的雙樣平行測(cè)量，確保結(jié)果的準(zhǔn)確性和可重復(fù)性。每個(gè)樣本都進(jìn)行雙重測(cè)試，排除任何可能的操作誤差，從而使結(jié)果更為可靠。測(cè)量結(jié)果顯示，水樣中的COD濃度范圍從0.64 mg/L到44.5 mg/L不等，可以揭示樣品水質(zhì)的不同污染水平。

3.3建立COD標(biāo)準(zhǔn)溶液光譜的模型

在完成熒光光譜數(shù)據(jù)的采集與分析后，使用數(shù)據(jù)來(lái)建立預(yù)測(cè)COD可靠模型。采用偏最小二乘回歸（Partial Least Squares Regression，PLSR）技術(shù)，其適用于處理響應(yīng)變量和多個(gè)預(yù)測(cè)變量之間的復(fù)雜關(guān)系。首先，確定PLSR模型中的主成分?jǐn)?shù)。對(duì)20份標(biāo)準(zhǔn)COD溶液的熒光光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)分析，基于模型優(yōu)化過(guò)程中的統(tǒng)計(jì)驗(yàn)證，包括交叉驗(yàn)證和最小化預(yù)測(cè)誤差的原則，選擇5個(gè)主要成分進(jìn)行建模。捕捉COD濃度與熒光強(qiáng)度之間的關(guān)系，并將關(guān)系轉(zhuǎn)化為一個(gè)數(shù)學(xué)公式，從而預(yù)測(cè)任何未知水樣的COD值。驗(yàn)證模型的有效性和精確性是科學(xué)研究中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。在本研究中，模型的驗(yàn)證通過(guò)比較模型預(yù)測(cè)的COD值與實(shí)際測(cè)量的COD值進(jìn)行。預(yù)測(cè)的結(jié)果與實(shí)際數(shù)據(jù)非常接近，表明模型準(zhǔn)確性高。線性擬合的結(jié)果顯示，模型的預(yù)測(cè)值與實(shí)際值之間的相關(guān)系數(shù)（R2）達(dá)到0.999 9，擬合度高，表明PLSR模型在預(yù)測(cè)COD濃度方面的有效性，同時(shí)反映出熒光光譜技術(shù)在水質(zhì)分析中的應(yīng)用潛力。

3.4 對(duì)實(shí)際水樣光譜進(jìn)行建模

在實(shí)施預(yù)測(cè)模型前，對(duì)實(shí)際水樣的光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理至關(guān)重要。為了提高模型的精確度和可靠性，采用SG平滑濾波算法對(duì)原始光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑處理，減少高頻噪聲的干擾，同時(shí)保持光譜數(shù)據(jù)的重要特征不受影響。SG平滑濾波算法通過(guò)應(yīng)用多項(xiàng)式回歸在滑動(dòng)窗口中擬合并平滑數(shù)據(jù)，有效保留關(guān)鍵的波峰和波谷信息，為后續(xù)的數(shù)據(jù)分析打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

隨后進(jìn)入建模分析階段，基于預(yù)處理后的數(shù)據(jù)，采用PLSR建立預(yù)測(cè)模型，探索熒光強(qiáng)度與水樣COD濃度之間的相關(guān)性。在模型建立過(guò)程中，采用預(yù)測(cè)殘差平方和統(tǒng)計(jì)方法確定模型中主成分的數(shù)量^[4]，選擇6個(gè)主成分來(lái)構(gòu)建最終的預(yù)測(cè)模型。經(jīng)過(guò)精確調(diào)整后，該模型在預(yù)測(cè)實(shí)際水樣中的COD濃度時(shí)展現(xiàn)出良好的性能。對(duì)模型的驗(yàn)證顯示，預(yù)測(cè)值與實(shí)際測(cè)定值之間的相關(guān)系數(shù)為0.976 4，表明模型具有很高的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性，證明了PLSR方法在處理復(fù)雜的環(huán)境樣本數(shù)據(jù)時(shí)的有效性，并且強(qiáng)調(diào)熒光光譜技術(shù)在水質(zhì)檢測(cè)中的應(yīng)用潛力。

最后進(jìn)入結(jié)果討論環(huán)節(jié)，通過(guò)線性擬合結(jié)果，預(yù)測(cè)點(diǎn)與實(shí)際COD濃度之間呈現(xiàn)高度一致的線性關(guān)系，可為未來(lái)水質(zhì)檢測(cè)提供快速、準(zhǔn)確的分析工具。

4實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

在確立PLSR模型后，為確保模型的實(shí)用性與準(zhǔn)確性，進(jìn)行嚴(yán)格的驗(yàn)證過(guò)程。從實(shí)驗(yàn)中隨機(jī)選擇15個(gè)實(shí)際水樣，建立PLSR模型進(jìn)行預(yù)測(cè)分析。模型的預(yù)測(cè)結(jié)果通過(guò)計(jì)算預(yù)測(cè)均方根誤差和決定系數(shù)來(lái)評(píng)估其性能。預(yù)測(cè)均方根誤差為2.092 2 mg/L，顯示模型在量化水樣COD時(shí)的精確度；模型的決定系數(shù)為0.940 2，表明預(yù)測(cè)值與實(shí)際測(cè)定值之間有高度的相關(guān)性，確認(rèn)模型的有效性和預(yù)測(cè)能力^[5]。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，在本次研究中，對(duì)熒光檢測(cè)技術(shù)在水質(zhì)檢測(cè)中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)進(jìn)行探究。利用熒光檢測(cè)技術(shù)，可對(duì)水質(zhì)進(jìn)行精確快速測(cè)定。PLSR模型的建立和驗(yàn)證過(guò)程表明，其能夠準(zhǔn)確預(yù)測(cè)水中的COD，還能夠應(yīng)對(duì)不同水源的測(cè)試，顯示出良好的穩(wěn)定性和重復(fù)性。此外，該方法的高效性和對(duì)環(huán)境的低影響強(qiáng)調(diào)其作為未來(lái)水質(zhì)檢測(cè)技術(shù)的可行性。總的來(lái)說(shuō)，熒光檢測(cè)技術(shù)為現(xiàn)代環(huán)境檢測(cè)提供一種新的視角，其在環(huán)境科學(xué)和工程領(lǐng)域中的應(yīng)用前景廣闊，有望成為未來(lái)環(huán)境檢測(cè)的重要工具。

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