一文讀懂《HJ1407-2024》環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)中的水質(zhì)熒光指紋溯源
導(dǎo)讀
為貫徹《中華人民共和國(guó)環(huán)境保護(hù)法》 《中華人民共和國(guó)水污染防治法》 《中華人民共和國(guó)海洋環(huán)境保護(hù)法》，中華人民共和國(guó)環(huán)境部制定并于2024年12月28日發(fā)布了《HJ1407-2024 入河入海排污口監(jiān)督管理技術(shù)指南 水質(zhì)熒光指紋溯源方法》（以下簡(jiǎn)稱HJ1407-2024），此標(biāo)準(zhǔn)于2025年2月1日開始正式實(shí)施。
那么水質(zhì)熒光指紋究竟為何物，熒光指紋中又包含了水樣哪些重要的”身份信息”，我們應(yīng)該如何利用它來(lái)進(jìn)行污染物溯源？本文將帶您讀懂這篇標(biāo)準(zhǔn)中的水質(zhì)熒光指紋溯源方法。
標(biāo)準(zhǔn)解讀——排污口監(jiān)管關(guān)鍵是溯源
HJ1407-2024采用水質(zhì)熒光指紋溯源的方法，對(duì)待溯源入河入海排污口進(jìn)行水質(zhì)熒光指紋采集，測(cè)試污染流動(dòng)路徑上采集到水樣的水質(zhì)熒光指紋和常規(guī)監(jiān)測(cè)指標(biāo)或特征污染物，逐一與入河入海排污口水質(zhì)熒光指紋、常規(guī)監(jiān)測(cè)指標(biāo)或特征污染物進(jìn)行比對(duì)，查找入河入海排污口污水來(lái)源，明確工業(yè)、農(nóng)業(yè)等污水類型，確定責(zé)任主體的過(guò)程。
水質(zhì)熒光指紋溯源——水樣的身份證
標(biāo)準(zhǔn)中所使用到的關(guān)鍵技術(shù)為水質(zhì)熒光指紋溯源技術(shù)。水質(zhì)熒光指紋指的是表征水樣污染物組成、具有特異性的三維熒光光譜（EEMs，Excitation-Emission Matrices），即以激發(fā)波長(zhǎng)、發(fā)射波長(zhǎng)分別為橫軸和縱軸，并以熒光強(qiáng)度等高線進(jìn)行呈現(xiàn)的光譜圖。
從圖1某工廠水樣的三維熒光光譜圖中可以看到等高線圖中每一個(gè)中心都可認(rèn)為是一個(gè)熒光指紋，我們一般采用縱坐標(biāo)（激發(fā)波長(zhǎng)Ex）和橫坐標(biāo)（發(fā)射波長(zhǎng)Em）的坐標(biāo)來(lái)定位這個(gè)指紋峰。例如下圖中的Ex/Em=340/420，代表激發(fā)波長(zhǎng)為340nm時(shí)，發(fā)光中心波長(zhǎng)在420nm的一個(gè)熒光峰。
圖1.某工廠水樣三維熒光光譜中的污染物熒光指紋
（數(shù)據(jù)源自卓立漢光SmartFluo-Pro三維熒光光譜儀）
如同人類的指紋一般，水質(zhì)熒光指紋賦予了水樣獨(dú)特的身份信息，其中包括熒光峰位置、數(shù)量、形狀、強(qiáng)度等特點(diǎn)。通過(guò)比對(duì)未知排放源水樣與疑似排放源水質(zhì)熒光指紋的接近程度，即可進(jìn)行特征污染物的溯源。檢驗(yàn)人員可以通過(guò)檢測(cè)已知污染源的熒光指紋，構(gòu)建起熒光指紋數(shù)據(jù)庫(kù)，通過(guò)識(shí)別擬溯源水體的熒光指紋，形成分析目標(biāo)。圖2為常見(jiàn)污染類型的典型水質(zhì)熒光指紋圖（引自HJ1407-2024附錄B），可以看到不同排放源的水樣在三維熒光譜圖上具有不同的熒光指紋峰。需要注意的是，標(biāo)準(zhǔn)中所出現(xiàn)的水質(zhì)熒光指紋圖中均包含了來(lái)自激發(fā)光的倍頻峰信號(hào)（即位于圖2三維熒光圖右下角的黑色帶狀斜條紋），這些信號(hào)對(duì)熒光峰的分析會(huì)造成一定的干擾，在進(jìn)行熒光指紋溯源時(shí)需要進(jìn)行消除倍頻峰的數(shù)據(jù)處理。如能在測(cè)試時(shí)候選擇可自動(dòng)消除倍頻峰的三維熒光光譜儀，即可避免這個(gè)麻煩并得到更加準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。
圖2. 常見(jiàn)污染類型的典型水質(zhì)熒光指紋圖（引自HJ 1407-2024附錄B）
標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)對(duì)——SmartFluo-Pro三維熒光光譜儀
北京卓立漢光儀器有限公司的SmartFluo-Pro三維熒光光譜儀，可快速檢測(cè)水中的溶解性有機(jī)質(zhì)(Dissolved organic matter，DOM)，每個(gè)樣品僅需數(shù)十秒或者幾分鐘，即可識(shí)別水樣中的有機(jī)物成分。SmartFluo-Pro可完全滿足HJ1407-2024中對(duì)三維熒光溯源設(shè)備的要求，且儀器標(biāo)配濾光片，自動(dòng)去除二級(jí)瑞利散射峰，無(wú)需額外數(shù)據(jù)處理，直接可以得到不受散射峰影響的三維熒光光譜圖。
圖3. SmartFluo-Pro三維熒光光譜儀
參照HJ1407-2024附錄A配制L-色氨酸溶液、水楊酸鈉溶液及其二者的混合液，使用SmartFluo-Pro進(jìn)行水質(zhì)熒光指紋的識(shí)別，分別測(cè)量0.3 mg/L L-色氨酸溶液、0.3 mg/L 水楊酸鈉溶液、L-色氨酸溶液（0.06 mg/L）和水楊酸鈉溶液（0.01 mg/L）的混合液（體積比5：1）、水楊酸鈉溶液（0.06 mg/L）和L-色氨酸溶液（0.01mg/L）的混合液（體積比5：1）。由于SmartFluo-Pro所配置的陣列檢測(cè)器能實(shí)現(xiàn)快速光譜獲取，因此，每個(gè)樣品三維熒光光譜的測(cè)試時(shí)間僅為3-5分鐘。
圖4.標(biāo)準(zhǔn)樣品水質(zhì)熒光指紋
測(cè)試結(jié)果如圖4所示，四種水樣中所測(cè)得的水質(zhì)熒光指紋峰數(shù)量、相應(yīng)峰的激發(fā)和發(fā)射波長(zhǎng)、強(qiáng)度和形狀等特點(diǎn)均與標(biāo)準(zhǔn)附錄B中記錄的一致，圖中括號(hào)內(nèi)的數(shù)字對(duì)，代表相應(yīng)熒光指紋峰的激發(fā)波長(zhǎng)和發(fā)射波長(zhǎng)對(duì)。值得一提的是，由于SmartFluo-Pro內(nèi)置濾光片，可自動(dòng)消除來(lái)自激發(fā)光瑞利散射的倍頻峰信號(hào)，因此在進(jìn)行后續(xù)相似度判定時(shí)，無(wú)需再手動(dòng)消除散射峰。
為了確認(rèn)標(biāo)準(zhǔn)中所提及標(biāo)準(zhǔn)溶液線性相關(guān)度，我們制備了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，在激發(fā)波長(zhǎng)/發(fā)射波長(zhǎng)(Ex/Em)為275/350 nm處進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)曲線繪制。圖5為使用SmartFluo-Pro繪制的熒光標(biāo)準(zhǔn)曲線，可以看到曲線的擬合系數(shù)R2達(dá)到了0.9988，具有優(yōu)異的線性相關(guān)度，滿足HJ1407-2024關(guān)于標(biāo)準(zhǔn)曲線擬合相關(guān)系數(shù)應(yīng)滿足R2≥0.99的要求。
圖5. L-色氨酸溶液熒光峰強(qiáng)度-濃度的關(guān)系曲線（Ex/Em=275/350nm）
此外，HJ1407-2024附錄D中定義了區(qū)域百分比相似度計(jì)算公式，用于計(jì)算兩個(gè)水質(zhì)熒光指紋樣品之間的相似程度，主要用于對(duì)不同水質(zhì)熒光指紋樣品的定量化比較。因此，我們也對(duì)SmartFluo-Pro測(cè)試結(jié)果進(jìn)行區(qū)域相似度判定， 可以得到四個(gè)樣品各自相對(duì)應(yīng)的相似度均大于99%，滿足標(biāo)準(zhǔn)中算法檢驗(yàn)相似度需大于90%的要求。
圖6. 水質(zhì)熒光指紋溯源方法技術(shù)流程圖（參考HJ 1407-2024）
圖6為HJ1407-2024中規(guī)定的利用水質(zhì)熒光指紋溯源方法進(jìn)行入河入海排污口溯源的技術(shù)流程圖，從中可以看到水質(zhì)熒光指紋溯源方法在污染物溯源中的重要性。通過(guò)對(duì)有效布點(diǎn)并采集的水樣進(jìn)行三維熒光EEMs測(cè)試，利用水質(zhì)熒光指紋信息對(duì)污染物進(jìn)行溯源并進(jìn)行相應(yīng)的責(zé)任歸屬，可為水環(huán)境保護(hù)提供更全面水體污染評(píng)估，為水質(zhì)管理提供更科學(xué)有效的支持。卓立漢光也會(huì)持續(xù)關(guān)注并更新相應(yīng)的解決方案，關(guān)注我們賴以生存的環(huán)境，關(guān)注人類和地球的健康。
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