熒光示蹤劑的干擾實驗研究

發布時間：2020-03-24所屬分類：科技論文瀏覽：1次

摘 要： 摘要：通過在室內無光照條件下開展干擾實驗，探究了熒光素鈉、羅丹明和熒光增白劑三種示蹤劑之間的干擾規律，并應用于野外地下水二元示蹤試驗實例，說明了校正熒光示蹤儀檢測濃度(C)的方法。結果表明：(1)在實驗室條件下，熒光素鈉的抗干擾性最強，羅丹明次

　　摘要：通過在室內無光照條件下開展干擾實驗，探究了熒光素鈉、羅丹明和熒光增白劑三種示蹤劑之間的干擾規律，并應用于野外地下水二元示蹤試驗實例，說明了校正熒光示蹤儀檢測濃度(ΔC)的方法。結果表明：(1)在實驗室條件下，熒光素鈉的抗干擾性最強，羅丹明次之，熒光增白劑易受到干擾產生檢測濃度增大的假象，這種假象服從線性變化規律;(2)當使用羅丹明作為示蹤劑時，ΔC鈉=0.052C羅、ΔC白=0.012C羅;當使用熒光素鈉時，ΔC羅=0.507C鈉、ΔC白=0.323C鈉。在野外開展二元示蹤試驗時，建議盡量選用相互之間干擾較小的羅丹明和熒光增白劑進行組合投放，或利用本實驗得到的不同示蹤劑之間的干擾規律對熒光示蹤儀的檢測濃度進行校正。

　　關鍵詞：熒光示蹤劑;干擾實驗;檢測濃度;濃度校正;多元示蹤試驗

　　0引言

　　地下水示蹤試驗是巖溶水文地質調查的一種重要方法，其發展經歷了從定性到定量、從單元到多元的發展階段，最初的示蹤試驗是在某一可能的補給區將木屑、谷殼、塑料制品等顆粒漂浮物作為示蹤劑[1-2]，投放到落水洞或伏流中，然后在下游用肉眼監測，確定巖溶地下水是否連通，故早期這種地下水示蹤試驗也稱之為“連通試驗”，這種方法主要是用于定性確定地下水的連通關系，獲取的水動力參數精度較低。自20世紀80年代以來隨著化學分析測試技術的發展，一些易溶于水的化學試劑逐漸應用于地下水示蹤試驗中，例如氯化鈉[3-4]、鉬酸銨[5-6]等，大大提高了地下水示蹤技術的發展，但因有些試劑在地下水中背景值較高、現場檢測技術方法和成本等的限制，地下水示蹤技術在水文地質勘察和研究中的應用尚不夠普及。21世紀以來隨著野外便攜式熒光示蹤儀的研制成功[7]，應用熒光素染料[主要為熒光素鈉(Uranine)[8-10]、羅丹明(Rhodamine)[11-13]、熒光增白劑(Tinopal)[14-16]等]進行示蹤試驗具有用量少、分辨率高、監測方便的特點，已成為巖溶水文地質勘察和地下水污染研究的重要技術方法[17-22]，在查明巖溶地下水水力聯系、劃分巖溶地下水系統、分析巖溶含水介質特征、確定地下水流速、水動力彌散系數等水文地質條件及參數研究中發揮著重要作用[23-27]。

　　相關期刊推薦：《中國巖溶》主要刊登巖溶地質基礎理論、巖溶地貌與洞穴、巖溶水文地質工程地質、巖溶環境地質、巖溶生態地質、巖溶礦產地質、巖溶旅游地質、巖溶勘探測試技術等方面的研究論文，國內外典型巖溶景觀介紹、巖溶學術動態報道、新書評介等方面的短文也可發表。歡迎廣大巖溶地質工作者踴躍投稿。

　　在巖溶發育的地區經常會遇到復雜的地下暗河系統，多表現為存在著多個落水洞或伏流入口等地下水補給源，此時僅靠一種示蹤劑則難以查明復雜的水文地質條件，并且耗時也極長，因此需要在不同來源同時投放多種示蹤劑開展多元示蹤試驗[28-37]。以往國內外廣泛使用野外熒光示蹤儀來進行在線監測[10]，但是由于熒光示蹤儀是通過間接的方法計算得到某種示蹤劑的濃度，在多種示蹤劑并存的條件下，示蹤劑之間有可能發生干擾，造成示蹤劑檢測濃度的誤差[38]，如果不對其進行校正，甚至可能會對水文地質條件產生誤判，計算得到錯誤的水文地質參數。另外，隨著現在環境保護意識的增強，一般不宜大劑量投放示蹤劑，否則容易造成河流變色引起恐慌[39]，因此在開展多元低濃度示蹤試驗時，如何選擇示蹤劑、如何消除示蹤劑之間的干擾是提升地下水示蹤試驗應用效果、正確認識水文地質條件和準確獲取地下水信息與參數的重要研究內容。目前有學者對比了熒光素鈉和羅丹明兩種示蹤劑在同一野外環境條件下進行示蹤試驗時示蹤劑濃度的歷時曲線[40]，也有學者提出利用聯立線性方程組求解的方法分離出不同的示蹤劑[38]，但國內外鮮有研究熒光示蹤劑之間的干擾規律。本文以熒光素鈉、羅丹明、熒光增白劑三種常用的示蹤劑作為研究對象，通過室內干擾實驗，探究不同示蹤劑之間的干擾規律，并應用于野外地下水二元示蹤試驗實例，說明校正熒光示蹤儀的檢測濃度的方法，以期為消除示蹤劑之間的干擾，獲得準確的地下水信息提供參考。

　　1示蹤儀工作原理及示蹤劑干擾原因

　　某些物質受到紫外線的照射激發時，能夠發射出不同波長、強度的可見光，而當紫外線停止照射時，物質所發射的光線也隨之消失，這種光線稱之為熒光，發光的原理與電子的能級躍遷有關[41]。熒光物質由于分子結構的特殊性，其對光的吸收具有選擇性，即不同波長的激發光便會產生不同波長、強度的發射光，因此根據熒光物質激發光譜和發射光譜的特性，可以分別確定不同熒光示蹤劑的最佳激發與發射波長，進而建立示蹤劑的檢測條件[42]。

　　熒光示蹤儀正是利用以上特性，設計針對不同示蹤劑的光學激發器和接收器，激發器形成某種示蹤劑對應的最佳激發波長下的激發光，該激發光被待測溶液吸收后發射出不同波長、強度的熒光，儀器選擇性接收某種示蹤劑對應的最佳發射波長下的發射光，然后根據其熒光強度與示蹤劑實際濃度的關系，通過標準函數計算出示蹤劑的檢測濃度。熒光示蹤儀一般具有多路激發光和接收光系統，可同時檢測三種示蹤劑(如熒光增白劑、熒光素鈉、羅丹明等)的濃度(圖1)。

　　熒光增白劑、熒光素鈉和羅丹明是三種常用的示蹤劑，它們在受到激發時會發射出不同波長、強度的發射光，其分布如圖2所示，最佳發射波長下的熒光強度最大，向兩端逐漸減小，呈高斯曲線形狀，其中熒光素鈉的最佳發射波長(520nm)介于熒光增白劑的最佳發射波長(438nm)和羅丹明的最佳發射波長(580nm)之間[43-47]。

　　根據示蹤儀的檢測原理以及示蹤劑的發射光分布圖可知，在利用示蹤儀同時檢測上述三種示蹤劑時，示蹤劑之間會產生干擾，原因及過程如下：

　　(1)當激發熒光素鈉時，會發射出不同波長、強度的熒光(包含520nm、438nm、580nm)，其中438nm和580nm的熒光被熒光增白劑和羅丹明接收器錯誤地識別，從而產生熒光增白劑和羅丹明檢測濃度變化的假象;

　　(2)當激發羅丹明時，會發射出小于最佳發射波長(<580nm)的其他熒光，其中有少量520nm的熒光被熒光素鈉接收器錯誤地識別，產生熒光素鈉檢測濃度變化的假象，由于熒光增白劑的最佳發射波長(438nm)和羅丹明的最佳發射波長(580nm)相隔很遠，羅丹明發射出的438nm熒光微乎其微，幾乎不會造成熒光增白劑檢測濃度的誤差;

　　(3)當激發熒光增白劑時，雖會發射出大于最佳發射波長(>438nm)的其他熒光，但其最大波長小于520nm，即無法被熒光素鈉和羅丹明的接收器識別，不會產生熒光素鈉和羅丹明檢測濃度變化的假象。

　　本研究將通過室內干擾實驗驗證上述理論分析，并進一步確定檢測濃度的誤差大小和變化規律。

　　2實驗與方法

　　2.1示蹤劑及檢測儀器

　　實驗選擇熒光素鈉、羅丹明以及熒光增白劑三種示蹤劑，其中熒光素鈉(C20H10Na2O5)溶于水后成綠色，羅丹明(C28H31O3N2Cl)溶于水后呈紅色，熒光增白劑(C28H20S2O6Na2)溶于水后呈白色。

　　示蹤劑檢測儀器采用瑞士Neuchatel大學生產的野外熒光示蹤儀(flow-throughfieldflourometer)GGUN-FL30，該示蹤儀通過數據采集器CR850(美國CampbellScientific公司生產)與計算機連接，可同時在線檢測上述三種熒光示蹤劑的濃度(精度為0.01μg∙L-1)，實驗檢測時間步長為5s。

　　本次實驗使用的示蹤儀為新儀器，在出廠前進行了三種熒光示蹤劑標準溶液下的校正，校正程序已寫入了CR850數據采集器中，可直接用于示蹤劑檢測。

　　2.2實驗裝置

　　在室內設計了一套由供水箱、離心泵和明渠組成的水流自循環裝置(圖3)。示蹤劑先在供水水箱中充分溶解混合，然后由離心泵抽入明渠，在明渠中放置野外熒光示蹤儀對流經水流中的示蹤劑濃度進行檢測，檢測后的水流再回流至供水水箱，不斷往復。為了防止光照對示蹤劑濃度的影響，實驗過程中用遮光布將裝置覆蓋。

　　2.3實驗方法

　　為提高實驗的精度，保證實驗結果的可靠性，本實驗是在室內白天遮光條件下進行，為了排除濁度對示蹤劑的干擾，實驗采用純凈水(2NTU)來溶解各種熒光素，在實驗過程保持水體的濁度基本不變。

　　室內干擾實驗是在上述水流裝置中只投放某一種示蹤劑，在該示蹤劑不同濃度的情況下，用示蹤儀同時檢測水中三種示蹤劑的濃度變化，以獲得當水中只有某一種示蹤劑時，示蹤儀檢測得到的其他兩種并不存在的示蹤劑，其濃度隨實際存在的某一種示蹤劑濃度變化而變化的規律，并探究兩者之間是否存在干擾現象以及這種干擾現象是否具有相關關系和相關方程的具體表達式(表1)。實驗步驟如下：

　　步驟1，首先在不加入任何示蹤劑的純水情況下，啟動自循環系統，讀取示蹤儀中熒光素鈉、熒光增白劑、羅丹明三種示蹤劑的檢測濃度，作為純水的背景值;

　　步驟2，將一定質量的某一種示蹤劑加入供水箱中，充分溶解后讀取示蹤儀中三種示蹤劑的檢測濃度;

　　步驟3，在供水箱中繼續加入一定質量的上述示蹤劑，充分溶解后再讀取示蹤儀中三種示蹤劑的檢測濃度;不斷重復步驟3，獲得水流中不存在的另兩種示蹤劑檢測濃度與實際存在的某一種示蹤劑濃度的變化關系;

　　步驟4，用純水清洗自循環裝置，投放的示蹤劑更換為第2種示蹤劑，重復步驟1~3;

　　步驟5，用純水清洗自循環裝置，投放的示蹤劑更換為第3種示蹤劑，重復步驟1~3。

　　3結果分析與討論

　　根據上述實驗的數據分別繪制了單獨投放熒光增白劑、羅丹明和熒光素鈉的情況下，各示蹤劑檢測濃度的關系圖(圖4、圖5、圖6)、示蹤劑檢測濃度相關方程(表2)。

　　實驗結果表明：

　　(1)由圖4可知，在單獨投放不同濃度熒光增白劑時，儀器檢測的羅丹明和熒光素鈉濃度基本在背景值附近隨機波動，說明熒光增白劑不會對羅丹明和熒光素鈉檢測濃度產生干擾。

　　(2)由圖5可知，在單獨投放不同濃度羅丹明時，隨著羅丹明濃度的增大，熒光增白劑和熒光素鈉的檢測濃度也有一定程度的增高，且兩者呈正相關關系，說明投放羅丹明會產生熒光增白劑和熒光素鈉檢測濃度增大的假象，熒光增白劑檢測濃度(ΔC白)與羅丹明實際濃度(C羅)的關系是：ΔC白=0.012C羅。熒光素鈉檢測濃度(ΔC鈉)與羅丹明實際濃度的關系是：ΔC鈉=0.052C羅。這個增量分別為1.2%和5.2%，說明羅丹明對熒光增白劑和熒光素鈉的影響不大，在低濃度投放羅丹明時基本可以忽略其影響，在高濃度投放時可用上述方程對儀器的檢測濃度進行校正。

　　(3)由圖6可知，在單獨投放不同濃度熒光素鈉時，隨著熒光素鈉濃度的增大，羅丹明和熒光增白劑檢測濃度會出現顯著的增高，且兩者也呈正相關關系，說明熒光素鈉會對羅丹明和熒光增白劑的檢測濃度產生顯著的干擾，這種干擾也服從線性正相關關系，即：羅丹明檢測濃度(ΔC羅)與熒光素鈉實際濃度(C鈉)的關系是：ΔC羅=0.507C鈉。熒光增白劑檢測濃度(ΔC白)與熒光素鈉實際濃度的關系是：ΔC白=0.323C鈉。這個增量分別為50.7%和32.3%，也就是說當采用熒光素鈉作為示蹤劑時，易產生羅丹明和熒光增白劑儀器檢測濃度變化的假象，這種假象可用上述方程進行校正。

　　上述實驗熒光素鈉、羅丹明和熒光增白劑之間會產生相互干擾，并且這種干擾現象及規律與前文示蹤劑發射光分布圖所示的干擾原因相符合。在實驗室條件下，熒光素鈉的抗干擾性最強，羅丹明次之，熒光增白劑容易受到熒光素鈉和羅丹明的干擾而產生儀器檢測濃度變化的假象。在野外條件下，由于日常生活中常使用含有熒光增白劑的相關物質[48]，自然水體中的熒光增白劑濃度容易受到環境的影響;而羅丹明吸附性較強[49]，天然巖溶管道系統中的泥沙對羅丹明有一定的吸附，因此在開展地下水示蹤試驗時，首選熒光素鈉作為示蹤劑[50]。但是在開展多元示蹤試驗時，建議盡量選用羅丹明和熒光增白劑進行組合投放，若采用熒光素鈉與其他示蹤劑組合投放時，可用上述相關方程對儀器的檢測濃度進行校正，得到各示蹤劑的實際濃度歷時曲線，并據此分析巖溶地下水系統的發育特征和計算相關的水文參數。4應用實例當采用多種熒光示蹤劑在野外開展地下水多元示蹤試驗時，獲取真實的示蹤劑濃度歷時曲線變化過程，是準確確定地下水來源、地下水文信息和參數的關鍵，以下將利用在野外開展的地下水示蹤試驗，分析如何利用上述實驗結果對野外試驗數據再處理。4.1二元示蹤試驗設計研究對象位于湖北省恩施州咸豐縣后家河流域，在該流域的滴水巖巖溶水系統中開展了多元示蹤試驗，試驗部署如表3和圖7所示。在滴水巖地下暗河出口處用GGUN-FL30野外熒光示蹤儀自動檢測熒光增白劑和熒光素鈉2種示蹤劑的濃度變化，每5min記錄一次數據。4.2監測曲線特征及校正本次示蹤試驗在Ⅰ號、Ⅱ號入口分別投放熒光增白劑和熒光素鈉，在滴水巖暗河出口示蹤儀檢測到的示蹤劑濃度歷時曲線如圖8所示。