王 鵬，王 濤，陳植華，段 焱，張 亮，黃 荷

(中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)環(huán)境學(xué)院,湖北 武漢 430074)

地下水示蹤實(shí)驗(yàn)是指在地下水系統(tǒng)的某個部位注入能夠隨地下水一起運(yùn)動且不易被吸附的某一濃度的物質(zhì)，然后在預(yù)期能夠到達(dá)的部位對其進(jìn)行接收檢測的一種實(shí)驗(yàn)方法。在國外對于地下水示蹤實(shí)驗(yàn)的研究較早，1869年人類首次使用化學(xué)示蹤劑來尋找?guī)r溶區(qū)落水洞與泉之間的水力聯(lián)系[1]，國際上示蹤實(shí)驗(yàn)技術(shù)已成為巖溶地區(qū)水文地質(zhì)勘察的常用手段，其應(yīng)用范圍廣泛。在國內(nèi)，示蹤實(shí)驗(yàn)主要應(yīng)用于以下五個方面：利用示蹤技術(shù)研究水庫、堤壩滲漏、涌水來源等工程問題[2-5]；利用示蹤技術(shù)識別地下水系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，包括地下水徑流管道、地下水分水嶺的確定等[6-8]；利用示蹤技術(shù)研究地下水溶質(zhì)運(yùn)移的規(guī)律[9]；利用示蹤技術(shù)探討地下水水文地質(zhì)參數(shù)獲取的方法[10-11]；以微生物、溫度等作為示蹤劑來研究地下水的來源、地下水與地表水之間的相互作用等[12-13]。

示蹤劑主要分為人工合成示蹤劑、微粒示蹤劑、自然示蹤劑、脈沖示蹤劑四大類[14]。目前，較為常用的示蹤劑有熒光素鈉、羅丹明、熒光增白劑等熒光示蹤劑，由于這類示蹤劑在水中的背景值一般較低，且能夠快速溶解于水中，因此得到廣泛使用。隨著示蹤劑種類的日益增多，示蹤劑監(jiān)測技術(shù)也得到了較大的發(fā)展。目前多采用便攜式野外熒光示蹤儀對示蹤劑濃度進(jìn)行在線自動監(jiān)測，不僅可以記錄示蹤劑濃度變化的過程，還大大降低了時間成本。但在采用便攜式野外熒光示蹤儀進(jìn)行室內(nèi)實(shí)驗(yàn)濃度校準(zhǔn)過程中發(fā)現(xiàn)，在對一種示蹤劑A進(jìn)行校準(zhǔn)時，測試結(jié)果中能檢測到其他示蹤劑，并且其他示蹤劑的濃度會隨著示蹤劑A濃度的增加呈線性增加。為了分析產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因，本文采用野外熒光示蹤儀在室內(nèi)實(shí)驗(yàn)條件下對國內(nèi)市場上常用的3種熒光示蹤劑，即熒光素鈉、熒光增白劑和羅丹明之間的相互干擾進(jìn)行了定量研究，分析相互干擾條件下帶來的示蹤劑濃度測試誤差，為今后野外地下水示蹤實(shí)驗(yàn)提供參考，具有較強(qiáng)的實(shí)用價值。

1 野外熒光示蹤儀簡介

本次室內(nèi)實(shí)驗(yàn)采用瑞士紐夏特大學(xué)水文地質(zhì)研究所生產(chǎn)的GGUN-FL30型野外熒光示蹤儀，見圖1。該示蹤儀能同時測定水中熒光素鈉、熒光增白劑、羅丹明3種熒光示蹤劑的濃度和濁度。當(dāng)示蹤儀被安置在水流中時，可自動分析和記錄流經(jīng)光電池的水中3種示蹤劑的信號，而用于測量示蹤劑濃度的光學(xué)元件安裝在兩個不同平面的正交軸上，每個測量部分包括兩部分：①一個激發(fā)分支，包括一個準(zhǔn)單色光源(LED)，一個濾波器和一個聚光透鏡；②一個檢測分支，垂直于激勵光束，帶有一個透鏡，一個濾波器和一個光電探測器。根據(jù)示蹤劑的吸收及發(fā)射光譜特性，設(shè)計了針對不同示蹤劑的激發(fā)光源和過濾器。激發(fā)光源產(chǎn)生某種示蹤劑對應(yīng)的最佳激發(fā)波長下的激發(fā)光，該激發(fā)光被待測溶液吸收后發(fā)射出不同波長、強(qiáng)度的熒光，儀器通過過濾器接收某種特定示蹤劑對應(yīng)的最佳發(fā)射波長下的發(fā)射光，然后根據(jù)其熒光強(qiáng)度與示蹤劑實(shí)際濃度的關(guān)系，換算成示蹤劑的濃度。

圖1 GGUN-FL30型野外熒光示蹤儀[15]Fig.1 GGUN-FL30 field fluorometer[15]

野外熒光示蹤儀這種幾何結(jié)構(gòu)允許安裝多達(dá)4個測量軸，其中一個軸用來測量水的渾濁度，它使用的光源是所有示蹤劑的激發(fā)光譜以外的光源，因此只能測量被懸浮粒子散射的光[15]；其他的軸用來測量示蹤劑的濃度，使用光譜波長最大值分別為520 nm、580 nm和438 nm，依次對應(yīng)的示蹤劑分別為熒光素鈉、羅丹明和熒光增白劑。

2 室內(nèi)實(shí)驗(yàn)材料與方法

2.1 實(shí)驗(yàn)儀器與試劑

GGUN-FL30型野外熒光示蹤儀1臺，其檢測限為0.02 ppb；市場上常見的熒光示蹤劑[熒光素鈉(分析純)、羅丹明(工業(yè)純)、熒光增白劑(工業(yè)純)]。

不同規(guī)格的容量瓶(1 000 mL、250 mL、100 mL)、250 mL的燒杯、不同規(guī)格的量筒(250 mL、100 mL)、玻璃棒、分析天平、移液槍等。

2.2 實(shí)驗(yàn)環(huán)境

研究表明，光照會使示蹤劑分解，從而導(dǎo)致熒光強(qiáng)度降低，而隨著溫度的升高，示蹤劑的溶解性降低，熒光強(qiáng)度也降低[16]。為了減小由此帶來的誤差，配置好的溶液均采用黑色塑料袋避光保存，而在測試樣品時用蓋子遮住示蹤儀的上端口，空調(diào)調(diào)至20℃，從而排除光照、溫度的變化對實(shí)驗(yàn)的干擾。為了保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的真實(shí)性和可靠性，盡量減少測試誤差。在實(shí)驗(yàn)前、實(shí)驗(yàn)中、實(shí)驗(yàn)后都采用去離子水對示蹤儀和實(shí)驗(yàn)器皿進(jìn)行反復(fù)清洗。

2.3 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)前先用3種示蹤劑粉末依次配置成濃度為500 ppb的示蹤劑溶液，然后將上述溶液稀釋，分別配制成濃度為2 ppb、5 ppb、6 ppb、10 ppb、15 ppb、20 ppb、30 ppb、50 ppb、60 ppb、100 ppb、150 ppb、200 ppb、250 ppb的示蹤劑溶液，配置過程中嚴(yán)格按照《化學(xué)實(shí)驗(yàn)室操作規(guī)范》的要求進(jìn)行操作。

2.3.1 兩種示蹤劑混合濃度干擾試驗(yàn)

首先以某一濃度的示蹤劑A標(biāo)準(zhǔn)溶液作為本底溶液，與不同濃度梯度的示蹤劑B標(biāo)準(zhǔn)溶液等體積分別混合，每種示蹤劑均有8個不同濃度，測試其混合溶液中示蹤劑A、B的濃度。以熒光素鈉和熒光增白劑為例，首先用30 mL濃度為2 ppb的熒光素鈉標(biāo)準(zhǔn)溶液作為本底溶液，分別與30 mL濃度依次為2 ppb、6 ppb、10 ppb、15 ppb、20 ppb、30 ppb、60 ppb、100 ppb的熒光增白劑標(biāo)準(zhǔn)溶液等體積均勻混合(示蹤儀探頭裝滿溶液約20 mL，每次測試前需用待測溶液潤洗2次，共需待測溶液60 mL)，對混合液進(jìn)行測試，每組試驗(yàn)測試3～4 min，儀器測試間隔時間為10 s，且每組試驗(yàn)完成后均按照規(guī)范要求對探頭等試驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行清洗；然后將30 mL濃度為2 ppb的熒光素鈉本底溶液換成30 mL濃度為6 ppb、10 ppb、15 ppb、20 ppb、30 ppb、60 ppb、100 ppb的熒光增白劑標(biāo)準(zhǔn)溶液作為本底溶液，分別與30 mL濃度為2 ppb、6 ppb、10 ppb、15 ppb、20 ppb、30 ppb、60 ppb、100 ppb的熒光素鈉標(biāo)準(zhǔn)溶液依次混合，并重復(fù)上述步驟。

2.3.2 單一示蹤劑濃度梯度試驗(yàn)

分別將5 ppb、10 ppb、20 ppb、50 ppb、100 ppb、150 ppb、200 ppb、250 ppb的熒光素鈉依次放入示蹤儀探頭中，對溶液中的熒光素鈉和熒光增白劑的濃度進(jìn)行測試，每測試一次均對探頭進(jìn)行清洗；將熒光素鈉換成各種濃度的熒光增白劑，并對溶液中的熒光素鈉和熒光增白劑的濃度進(jìn)行測試。

3 結(jié)果與分析

3.1 單一示蹤劑濃度梯度試驗(yàn)分析

為了對野外熒光示蹤儀的可靠性進(jìn)行判定，在單試劑的條件下對各示蹤劑進(jìn)行了濃度梯度試驗(yàn)，其試驗(yàn)結(jié)果見圖2。

圖2 示蹤劑平均測試濃度與標(biāo)準(zhǔn)溶液濃度的關(guān)系曲線Fig.2 Relationship curves between tracer test concentration and real concentration

由圖2可見，單試劑的條件下各示蹤劑的平均測試濃度與各示蹤劑配置的標(biāo)準(zhǔn)溶液濃度均呈線性關(guān)系，說明該示蹤儀的測試結(jié)果可靠。

3.2 熒光增白劑與熒光素鈉混合干擾試驗(yàn)分析

以某一濃度的熒光增白劑標(biāo)準(zhǔn)溶液作為本底溶液，分別與不同濃度梯度的熒光素鈉標(biāo)準(zhǔn)溶液等體積均勻混合后，可得到熒光增白劑測試濃度并繪制其測試濃度隨熒光素鈉濃度梯度的變化曲線，見圖3。

圖3 某濃度的熒光增白劑測試濃度隨熒光素鈉濃度梯度的變化曲線Fig.3 Change curves of the test concentration of a certain concentration of fluorescent brightener CBS-X with the concentration gradient of sodium fluorescein

由圖3可見，熒光增白劑的測試濃度會隨著熒光素鈉濃度的增加而增加，且其相關(guān)系數(shù)和斜率均較大，說明熒光素鈉會對熒光增白劑濃度的測定產(chǎn)生較大的干擾。

以某一濃度的熒光素鈉標(biāo)準(zhǔn)溶液作為本底溶液，分別與不同濃度梯度的熒光增白劑標(biāo)準(zhǔn)溶液等體積均勻混合后，可得到熒光素鈉測試濃度并繪制其測試濃度隨熒光增白劑濃度梯度的變化曲線，見圖4。

圖4 某濃度的熒光素鈉測試濃度隨熒光增白劑濃度梯度的變化曲線Fig.4 Change curves of the test concentration of sodium fluorescein of a certain concentration with the concentration gradient of fluorescent brightener CBS-X

由圖4可見，熒光素鈉的測試濃度基本不會隨著熒光增白劑濃度的變化而變化，且其相關(guān)系數(shù)和斜率均很小，說明熒光增白劑不會對熒光素鈉濃度的測定產(chǎn)生干擾。

3.3 熒光增白劑與羅丹明混合干擾試驗(yàn)分析

以某一濃度的羅丹明標(biāo)準(zhǔn)溶液作為本底溶液，分別與不同濃度梯度的熒光增白劑標(biāo)準(zhǔn)溶液等體積均勻混合后，可得到羅丹明測試濃度并繪制其測試濃度隨熒光增白劑濃度梯度的變化曲線，見圖5。

圖5 某濃度的羅丹明測試濃度隨熒光增白劑濃度梯度的變化曲線Fig.5 Change curves of the test concentration of rhodamine of a certain concentration with the concentration gradient of fluorescent brightener CBS-X

由圖5可見，羅丹明的測試濃度基本不會隨著熒光增白劑濃度的變化而變化，且其相關(guān)系數(shù)和斜率均很小，說明熒光增白劑不會對羅丹明濃度的測定產(chǎn)生干擾。

以某一濃度的熒光增白劑標(biāo)準(zhǔn)溶液作為本底溶液，分別與不同濃度梯度的羅丹明標(biāo)準(zhǔn)溶液等體積均勻混合后，可得到熒光增白劑測試濃度并繪制其測試濃度隨羅丹明濃度梯度的變化曲線，見圖6。

圖6 某濃度的熒光增白劑測試濃度隨羅丹明濃度梯度的變化曲線Fig.6 Change curves of the test concentration of a certain concentration of fluorescent brightener CBS-X with the concentration gradient of rhodamine

由圖6可見，羅丹明不會對熒光增白劑濃度的測定產(chǎn)生干擾。

3.4 熒光素鈉與羅丹明混合干擾試驗(yàn)分析

以某一濃度的羅丹明標(biāo)準(zhǔn)溶液作為本底溶液，分別與不同濃度梯度的熒光素鈉標(biāo)準(zhǔn)溶液等體積均勻混合后，可得到羅丹明測試濃度并繪制其測試濃度隨熒光素鈉濃度梯度的變化曲線，見圖7。

圖7 某濃度的羅丹明測試濃度隨熒光素鈉濃度梯度的變化曲線Fig.7 Change curves of thetest concentration of rhodamine of a certain concentration with the concentration gradient of sodium fluorescein

由圖7可見，羅丹明的測試濃度會隨著熒光素鈉濃度的增加而增加，且其相關(guān)系數(shù)和斜率均較大，說明熒光素鈉會對羅丹明濃度的測定產(chǎn)生較大的干擾。

以某一濃度的熒光素鈉標(biāo)準(zhǔn)溶液作為本底溶液，分別與不同濃度梯度的羅丹明標(biāo)準(zhǔn)溶液等體積均勻混合后，可得到熒光素鈉測試濃度并繪制其測試濃度隨羅丹明濃度梯度的變化曲線，見圖8。

圖8 某濃度的熒光素鈉測試濃度隨羅丹明濃度梯度的變化曲線Fig.8 Change curves of thetest concentration of sodium fluorescein of a certain concentration with the concentration gradient of rhodamine

由圖8可見，熒光素鈉的測試濃度會隨著羅丹明濃度的增加而增加，且其相關(guān)系數(shù)和斜率均較大，說明羅丹明會對熒光素鈉濃度的測定產(chǎn)生較大的干擾。

為了分析產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因，本次進(jìn)行了單一示蹤劑濃度梯度試驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：原本只加入熒光素鈉的溶液中檢測到了羅丹明和熒光增白劑，且羅丹明、熒光增白劑的測試濃度也是隨著熒光素鈉濃度的增加而增加，兩者之間的線性關(guān)系明顯(見圖9)；原本只加入羅丹明的溶液中檢測到了熒光素鈉，且熒光素鈉的測試濃度也隨著羅丹明濃度的增加而呈直線增加，而熒光增白劑的測試濃度不受羅丹明的干擾(見圖10)。這與兩者混合干擾試驗(yàn)的結(jié)果一致，說明熒光素鈉會對熒光增白劑濃度的測定產(chǎn)生干擾，且熒光素鈉與羅丹明之間也會產(chǎn)生相互干擾。

圖9 熒光素鈉對熒光增白劑和羅丹明測試濃度的干擾Fig.9 Effect of sodium fluorescein on the test concentration of fluorescent brightener CBS-X and rhodamine

圖10 羅丹明對熒光素鈉和熒光增白劑測試濃度的干擾Fig.10 Effect of rhodamine on the test concentration of sodium fluorescein and fluorescent brightener CBS-X

3.5 討論

根據(jù)示蹤儀的檢測原理，各種示蹤劑的濃度都是通過過濾器檢測各種示蹤劑最佳發(fā)射波長的強(qiáng)度最終轉(zhuǎn)化而來，而熒光素鈉、羅丹明和熒光增白劑3種示蹤劑在受到激發(fā)后會產(chǎn)生不同波長、強(qiáng)度的發(fā)射光，這三種熒光示蹤劑的發(fā)射光譜分布情況見圖11。

圖11 熒光示蹤劑發(fā)射光分布圖Fig.11 Emission spectrum of fluorescent tracer

由圖11可見，熒光素鈉、羅丹明、熒光增白劑的最佳發(fā)射波長分別為520 nm、580 nm、438 nm，但是在受到激發(fā)時，還會產(chǎn)生其他波長的波，如：當(dāng)熒光素鈉受激發(fā)時，會發(fā)射包含438 nm和580 nm的發(fā)射光，這兩種發(fā)射光會被示蹤儀接受并作為熒光增白劑和羅丹明進(jìn)行濃度計算；同樣，當(dāng)羅丹明受激發(fā)時，會發(fā)射包含520 nm的發(fā)射光而被示蹤儀接受并作為熒光素鈉進(jìn)行濃度計算；而熒光增白劑受到激發(fā)時，只會產(chǎn)生波長小于500 nm的發(fā)射光，不會對熒光素鈉和羅丹明濃度的測定產(chǎn)生干擾。

為了消除由于示蹤儀錯誤識別產(chǎn)生的影響，需要將混合試驗(yàn)的熒光增白劑測試濃度減去利用單一示蹤劑濃度梯度試驗(yàn)公式計算得到的各種濃度干擾值，并將其測試濃度通過單一示蹤劑濃度梯度試驗(yàn)公式轉(zhuǎn)換為換算濃度進(jìn)行對比。

以熒光增白劑與熒光素鈉的混合干擾試驗(yàn)為例，修正后熒光增白劑的換算濃度為熒光增白劑的測試濃度減去由于熒光素鈉帶來的干擾Δc=0.378x+0.022 2(其中x為熒光素鈉的換算濃度)。圖12為修正后熒光增白劑的換算濃度。

圖12 修正后熒光增白劑的換算濃度Fig.12 Effect of sodium fluorescein on the test concentration of fluorescent brightener CBS-X after treatment

由圖12可見，經(jīng)過修正后，熒光增白劑的換算濃度接近真實(shí)濃度。但當(dāng)溶液中同時含有熒光素鈉和羅丹明時，兩種示蹤劑都會產(chǎn)生另一種示蹤劑最佳發(fā)射波長的發(fā)射光，因而修正較為困難。

4 結(jié) 論

本文采用國內(nèi)市場上常見的熒光素鈉、羅丹明、熒光增白劑在室內(nèi)實(shí)驗(yàn)的條件下采用野外熒光示蹤儀進(jìn)行濃度測定的混合干擾試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：熒光素鈉會對熒光增白劑濃度的測定產(chǎn)生干擾，熒光素鈉與羅丹明之間也會相互干擾，其原因?yàn)槠浒l(fā)射光譜之間存在重疊，使得示蹤儀誤認(rèn)為接收到了其他示蹤劑；而熒光增白劑與羅丹明之間發(fā)射波長相差較遠(yuǎn)，因而兩者之間不會產(chǎn)生相互干擾，為進(jìn)行多元示蹤實(shí)驗(yàn)的首選示蹤劑；同時可采用熒光增白劑與熒光素鈉進(jìn)行組合投放，并利用上述公式進(jìn)行修正(但可能不同廠家生產(chǎn)的試劑的修正關(guān)系不同)，可得到修正后較為準(zhǔn)確的各示蹤劑的濃度，而熒光素鈉與羅丹明之間會產(chǎn)生相互干擾，其修正較為困難，不建議同時使用這兩種示蹤劑進(jìn)行示蹤實(shí)驗(yàn)。