1、4.2K時(shí)間分辨激發(fā)發(fā)射熒光光譜數(shù)據(jù)的四維建模檢測(cè)土壤中多環(huán)芳烴Hector C.Goicoechea a, ShenjiangYu b, AnthonyF.T.Moore c, AndresD.Campiglia 摘要：本文報(bào)道一種篩選15種環(huán)境保護(hù)機(jī)構(gòu)所列多環(huán)芳烴的新方法。這種新方法是通過(guò)激光激發(fā) 時(shí)間分辨的Shpol skii光譜收集4.2K熒光時(shí)間分辨激發(fā)發(fā)射數(shù)據(jù)庫(kù)（TREECs）。4.2K熒光時(shí) 間分辨激發(fā)發(fā)射數(shù)據(jù)庫(kù)（TREECs）來(lái)源于自激光激發(fā)脈沖的不同時(shí)間窗記錄的熒光時(shí)間分辨激發(fā)發(fā) 射矩陣的疊加。通過(guò)用平行因子算法或展開(kāi)的偏最小二乘法/三線性殘差法（U-PLS/RTL）處理四維

2、 4.2K熒光時(shí)間分辨激發(fā)發(fā)射（TREEC）數(shù)據(jù)陣，以此解決來(lái)自未知的樣品伴行物的干擾。這兩種辦 法很靈敏，可以無(wú)需樣品預(yù)濃縮而在ngg 1到pgg _!濃度級(jí)別檢測(cè)PAHs。它具有的選擇性允許實(shí) 驗(yàn)過(guò)程中省去樣品清潔和色譜分離兩步。這些特征可降低PAH的損失，縮短分析時(shí)間和降低成 本。對(duì)每個(gè)樣本檢測(cè)15種EPA-PAHs的整個(gè)過(guò)程僅用250RL的有機(jī)溶液，所以此方法對(duì)環(huán)境無(wú) 害。引言在多環(huán)芳烴的痕量濃度檢測(cè)分析技術(shù)方面人們做了大量工作1-10。這樣做的最主要原因之 一是PAHs具有毒性且能致癌。在這種背景下，美國(guó)環(huán)境保護(hù)協(xié)會(huì)特別關(guān)注了 16種PAHs并把它 們列入污染。他們建議監(jiān)測(cè)空氣水土壤

3、中的PHAs成分含量，以防止人們接觸PHA污染物。監(jiān)測(cè)環(huán)境中的EPA-PAHs通常的模式是：清潔樣品，預(yù)濃縮和色譜分析。樣品準(zhǔn)備是為了簡(jiǎn) 化矩陣成分，而PAHs的預(yù)濃縮可使其濃度達(dá)到色譜分析法能檢測(cè)到的濃度值。結(jié)合吸收光譜和 （或）熒光光譜和氣相色譜-質(zhì)譜儀聯(lián)用（GC-MS）的高精度液相色譜分析法（HPLC），是當(dāng)下 EPA分析方法的基礎(chǔ)。當(dāng)用HPLC檢測(cè)不熟悉的樣本時(shí)，常常還需運(yùn)用別的技術(shù)比如GC-MS來(lái)測(cè) 定樣本結(jié)構(gòu)11-14。大量樣本需要常規(guī)檢測(cè)，而傳統(tǒng)檢測(cè)方法耗時(shí)長(zhǎng)，這使得更多人關(guān)注發(fā)展新的篩選技術(shù)。統(tǒng) 方法對(duì)未被污染樣本也需進(jìn)行仔細(xì)檢測(cè)，而新的篩選技術(shù)可以對(duì)PAH污染物直接測(cè)定給出y

4、es或 no的答案，對(duì)無(wú)PAH污染樣本無(wú)需檢測(cè)，從而降低成本，加快做決定和補(bǔ)救的周轉(zhuǎn)時(shí)間。最近 不用色譜分離而直接測(cè)定未知成分矩陣中的目標(biāo)有機(jī)物的新的發(fā)展趨勢(shì)是，用二次多元校正法 second-order multivariate calibration method）處理多維光譜數(shù)據(jù)15-24。文獻(xiàn)25研 究了城市污水樣本中的菲和苯并k熒蒽，26研究了地下水、自來(lái)水和礦泉水中的苯并a芘和 二苯并a,h蒽，27研究了河水和污泥中的草屈、苯并b熒蒽、苯并k熒蒽、苯并a蒽、苯并a芘、二苯并a,h蒽，以上的研究都是基于室溫?zé)晒饧ぐl(fā)發(fā)射矩陣（EEMs），并同時(shí)聯(lián)用PARAFAC或者聯(lián)U-PLS/RBL

5、 （用展開(kāi)的偏最小二乘/雙線性殘差分解法）。本文研究了土壤中15種EPA-PAHs的直接檢測(cè)。土壤是PAHs最重要的儲(chǔ)藏地之一，PHAs以 氣態(tài)存在，或者和空氣分子相結(jié)合在一起，即使地點(diǎn)遠(yuǎn)離原油工業(yè)區(qū)。因?yàn)镻HAs在水中的溶解 度很低，內(nèi)在化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定且不易生物降解，一旦進(jìn)入土壤，PHAs就會(huì)長(zhǎng)壽命存在而危害污染 環(huán)境健康。我們的方法被命名為激光誘導(dǎo)的時(shí)間分辨Shpol skii光譜（LETRSS），在多維格式中 把光譜和壽命信息結(jié)合起來(lái)，即波長(zhǎng)時(shí)間矩陣（WTM）32和時(shí)間分辨的激發(fā)發(fā)射矩陣 （TREEMs）33，利用熒光光譜的所有維度。一個(gè)波長(zhǎng)時(shí)間矩陣WTM包括在一個(gè)激發(fā)波長(zhǎng)下記錄的一系列發(fā)

6、射光譜和激光激發(fā)脈沖后不同 的時(shí)間延遲。一個(gè)時(shí)間分辨的激發(fā)發(fā)射矩陣TREEM是在整個(gè)樣品熒光延遲階段的一個(gè)特定時(shí)間窗 口的激發(fā)發(fā)射矩陣。在樣品熒光或磷光延遲階段記錄WTMs可提供PAHs分辨的另一個(gè)參數(shù)。光譜 和壽命信息使明確的PAH分辨成為可能。熒光或磷光壽命也報(bào)告峰譜純度，這是不用色譜分離而 準(zhǔn)確量化PAHs所必須的34,35。為T(mén)REEMs收集而選擇準(zhǔn)確的時(shí)間窗口可提高目標(biāo)混合物的熒 光性能，而忽略樣品污染物的熒光干擾36。在液氮溫度下（4.2K），利用一根低溫光纖探針（FOP）進(jìn)行LETRSS（laser-excited time- resolved Shpol skii spectr

7、oscopy）測(cè)量；在幾秒鐘內(nèi)準(zhǔn)備冷凍樣品32-36。降低樣品溫度 的主要原因是使光譜更細(xì)，以便在沒(méi)有色譜分離的情況下分辨大量EPA-PAHs。我們利用帶一個(gè)小 程序的低溫光纖探針（FOP）對(duì)土壤樣品進(jìn)行LETRSS分析37。用FOP容器中微升正辛烷對(duì)樣品進(jìn) 行聲波降解后，多環(huán)芳烴分進(jìn)入到有機(jī)溶劑以便WTM收集。因?yàn)闃悠诽幚硪蠓Q重毫克的土壤裝 進(jìn)FOP瓶，污染風(fēng)險(xiǎn)或PAH損失被限制在最低范圍內(nèi)。FOP的小樣品池（750rL）和小體積的萃取 溶劑使同步提取的眾多樣本變得更容易。每個(gè)樣品的整個(gè)實(shí)驗(yàn)程序用時(shí)不到40分鐘，包括30分鐘 的超聲波降解。每個(gè)樣品的15種EPA-PAHs篩選僅用250rL

8、有機(jī)溶劑，因此此方法對(duì)環(huán)境無(wú)害。為了通過(guò)4.2K WTM準(zhǔn)確分辨EPA-PAHs，分析者檢查壽命分析中存在的潛在的干擾。對(duì)于成 分未知的樣品分析時(shí)這一點(diǎn)尤其重要。A single exponential decay with a lifetime equivalent to the lifetime of the pure standard provides a strong argument to claim accurate PAH determination .相當(dāng)于純標(biāo)準(zhǔn)壽命的壽命單一指數(shù)衰減可以為PAH準(zhǔn)確鑒定提 供強(qiáng)有力的論據(jù)34,35,37。當(dāng)我們?cè)?.2K熒光時(shí)間分辨激發(fā)發(fā)射數(shù)

9、據(jù)庫(kù)（TREECs）基礎(chǔ)上進(jìn)行 PAH分辨時(shí)，我們陳述的方法完全不同的。來(lái)自激光激發(fā)脈沖的不同時(shí)間窗口記錄的熒光TREEMs重疊可導(dǎo)出4.2K熒光TREECso用平行因子算法和U-PLS/RTL處理四維4.2K熒光TREEC數(shù)據(jù)陣列，由此來(lái)處理來(lái)自未知的樣品伴行物的潛在干擾。在我們研究的文獻(xiàn)范圍內(nèi)，這是第一篇關(guān)于通過(guò)4.2K熒光TREEC結(jié)合二階多元校正法分析 土壤樣品的報(bào)道。關(guān)于PARAFAC或U-PLS/RBL和4.2 K熒光TREEC數(shù)據(jù)結(jié)合也未見(jiàn)報(bào)道。僅 有一篇關(guān)于用二階校正法處理高分辨率數(shù)據(jù)的文章，文中把平行因子算法和4.2K激發(fā)被調(diào)制磷 光的WTMs(EMWTMs)結(jié)合起來(lái)。在五個(gè)

10、激發(fā)波長(zhǎng)下記錄的五個(gè)4.2K熒光WTMs重疊生成EMWTMs。 記錄每個(gè)WTM使用同樣的時(shí)間延遲50rs和開(kāi)門(mén)時(shí)間1100ms。EMWTMs/PARAFAC方法成功應(yīng)用于固 相水提取物中的 2,3,7,8-tetrachloro-dibenzo-para-dioxin 的分38。被用來(lái)測(cè)定15種EPA-PAHs的四維4.2K熒光TREEC數(shù)據(jù)陣是在納秒域的熒光衰減中記錄的。 TREECs產(chǎn)生于4.2K熒光TREEMs，而4.2K熒光TREEMs是在15種EPA-PAHs共有的一個(gè)激發(fā)波長(zhǎng)范圍記 錄的。TREEC/四維模型的靈敏度使得無(wú)需樣品預(yù)處理就使得PAHs檢測(cè)達(dá)到的ngg-1到睥-1水 平

11、。此法得到的回收率與傳統(tǒng)辦法下獲得的回收率相等，進(jìn)而證明了此方法的靈敏度。實(shí)驗(yàn)部分2.1化學(xué)藥品所有的溶劑是HPLC級(jí)別的且從漁民那里購(gòu)買(mǎi)。若無(wú)特別說(shuō)明，實(shí)驗(yàn)中都使用Nanopure水一來(lái) 自Barnstead Nanopure Water system.所有的化學(xué)藥品包括提取PAH使用的是試劑級(jí)別的，未做 進(jìn)一步提純處理。一個(gè)知道成分的土壤樣品-自然基體參考材料CRM 104-100 ；來(lái)自Elizabeth River南部支流的PAH污染土壤/沉淀物-從資源技術(shù)公司收購(gòu)。來(lái)自美國(guó)色譜科公司的甲醇PAH混 合液methyl chloride (1:1 v/v)甲基氯，用作HPLC分析時(shí)的參考

12、標(biāo)準(zhǔn)。用于LETRSS分析的多 環(huán)芳烴標(biāo)準(zhǔn)樣從奧爾德里奇購(gòu)買(mǎi)且為最高可用純度。羅丹明6G(Rhodamine 6G)由受激發(fā)的電子 獲得，并根據(jù)規(guī)范與可調(diào)諧染料激光器一起用。注意：由于PAHs有劇毒，使用時(shí)要尤其小心。2.2通過(guò)經(jīng)典方法對(duì)土壤樣品分析用皂化和聲波降解法從土壤樣品中提取PAH的程序和之前報(bào)道的方法一樣39。土壤提取物 的HPLC分析也是這樣37。皂化和聲波降解法程序完整的描述，高效液相色譜(High Performance Liquid Chromatography)分析儀器和、EPA-PAHs色譜分離實(shí)驗(yàn)條件可參考本文的 補(bǔ)充信息部分。通過(guò) 4.2K LETRSS 篩選 PAH

13、在本文的補(bǔ)充部分由關(guān)于LETRSS分析儀器的完整描述。低溫FOP在此部分也有論述。在FOP的 試管中將已知重量(0.05g)土壤樣本與250 L的正辛烷混合。室溫下在布蘭森聲波降解法浴器 (3210型)中對(duì)此混合物進(jìn)行30分鐘聲波降解。沉淀5分鐘后，通過(guò)LETRSS分析樣品提取物。通過(guò) FOP的樣品瓶與光纖裝置的銅管耦合實(shí)現(xiàn)4.2K測(cè)量。光纖裝置的尖端保持在液體表面0.5厘米以 上。樣品冷凍是通過(guò)降低銅管進(jìn)入液態(tài)氦里，液氮被存儲(chǔ)在60L的杜瓦瓶?jī)?nèi)。每天處理15-20樣本 的情況下，液氮一般可使用3周。每個(gè)樣品的制冷時(shí)間不超過(guò)90s。更換冷凍樣品包括從致冷劑容 器中取出樣品瓶和用熱風(fēng)槍融化冰凍樣

14、本。因?yàn)闇y(cè)量過(guò)程中光纖束的尖端和樣品沒(méi)有接觸，測(cè)量 期間探針沒(méi)有必要清理。整個(gè)凍結(jié)、解凍，和樣品的更換周期不超過(guò)5分鐘。多環(huán)芳烴濃度根據(jù)多 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)添加法確定。TREEC數(shù)據(jù)陣收集用于分辨PAH的四維4.2K熒光TREEC數(shù)據(jù)陣來(lái)源于四個(gè)TREECs疊加，而四個(gè)TREECs從含有不同 濃度多環(huán)芳烴的土壤提取物中記錄的。多環(huán)芳烴濃度通過(guò)多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)添加程序來(lái)調(diào)整。第一 TREEC 反映了土壤樣本原始的多環(huán)芳烴組成，即沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)添加。其他的3個(gè)TREEC是通過(guò)向樣品瓶中的250 毫升土壤提取物中添加5、10和15毫升的標(biāo)準(zhǔn)的多環(huán)芳烴混合液而得到的，每一次標(biāo)準(zhǔn)添加得到 一個(gè)TREEC。所有標(biāo)準(zhǔn)添加在室溫下進(jìn)

15、行。用于生成四個(gè)TREECs的4.2 K熒光TREEMs使用激勵(lì)范圍(280 - 295 nm)記錄，激勵(lì)范圍對(duì)15 種多環(huán)芳烴相同?？烧{(diào)諧染料激光器的步長(zhǎng)是0.5nm,產(chǎn)生共22個(gè)激發(fā)波長(zhǎng)。在300-500nm范圍內(nèi) 通過(guò)使用下列延遲時(shí)間(D)記錄熒光：10, 30, 60, 90, 120 and 150 ns.第一個(gè)TREEM的開(kāi)門(mén)寬 度(D=10 ns )是20ns。其他的TREEMs的開(kāi)門(mén)寬度是30ns。這些參數(shù)可為T(mén)REEM收集提供下列時(shí)間窗 口 (D - D+G) : TREEM1=10 - 30ns, TREEM2=30 - 60 ns, TREEM3=60 - 90 ns,

16、TREEM4=90 - 120 ns,TREEM5=120 - 150 ns, and TREEM6=150 - 180 ns.化學(xué)計(jì)量學(xué)算法和軟件所有計(jì)算使用MATLAB 7.640-44，借助MVC3圖形工具箱和互聯(lián)網(wǎng)MATLAB圖形界面45。結(jié)果和討論3.1用經(jīng)典方法分析土壤樣品從土壤樣品中提取多環(huán)芳烴有幾種方法(39,46-49)。我們選擇甲醇皂化萃取多環(huán)芳烴是由于甲 醇皂化萃取效率比較高39。在甲醇條件下皂化可分解有機(jī)物的多環(huán)結(jié)構(gòu)并增加溶劑對(duì)多環(huán)芳烴萃 取的可達(dá)性，這些有機(jī)物經(jīng)常出現(xiàn)在土壤樣品中，化學(xué)性質(zhì)接近多環(huán)芳烴。選用的聲波降解法方法 由于其萃取時(shí)間相對(duì)較短且容易實(shí)現(xiàn)39,46。

17、聲波降解法使用的溶劑一己烷:丙酮：甲苯(10:5:1 v / V / v）一已被報(bào)道比其他聲波降解法溶劑具有更高的提取效率39,46。然而應(yīng)該注意到，即使 仔細(xì)優(yōu)化提取參數(shù)如溶劑組成和提取時(shí)間聲波降解法對(duì)多環(huán)芳烴的回收率仍比其他萃取技術(shù)的低。根據(jù)之前報(bào)道的高效液相色譜法HPLC分析土壤提取物37。圖s - 1描述了一個(gè)典型的土壤 樣本的色譜。峰的分布完全是基于純標(biāo)準(zhǔn)品的保留時(shí)間。分離條件下苊烯顯示沒(méi)有熒光。表s - 2總結(jié)了高效液相色譜方法的保留時(shí)間和檢測(cè)限（LOD），以及皂化高效液相色譜法和聲波降解法高 效液相色譜法的PAH的回收率。高效液相色譜的檢測(cè)限根據(jù)公式計(jì)算LOD = 3SB/m。S

18、b是由五 分之一的峰間噪聲（Np-p/5）估算的平均空白信號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)偏差的；m是校準(zhǔn)曲線的斜坡50。The Np-p was measured at the base peak of each PAH elution over a suf ciently wide region of the chromatogram.Np-p是在色譜圖足夠?qū)挼膮^(qū)域PAH洗脫的基峰處測(cè)量。校正曲線用 純標(biāo)準(zhǔn)樣的合成混合建立，每種多環(huán)芳烴使用至少五個(gè)線性濃度，使用最小二乘法從線性動(dòng)態(tài)范 圍計(jì)算校正曲線的斜率51。土壤提取物中確定所有的多環(huán)芳烴在（微克/毫升）級(jí)別。平均皂化值從0.55微克/毫升（芴）到 18.5微克

19、/毫升（熒蒽）。聲波降解法濃度為0.27微克/毫升（芴）至5.46微克/毫升（芘）。所有的 LODs在（ng/ mL）級(jí)別，因此，遠(yuǎn)低于土壤提取物中多環(huán)芳烴濃度。正如所預(yù)期的，甲醇皂化PAH的 回收率大大高于聲波降解法得到的回收率。皂化法平均回收率的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差（RSD）從2.4% （熒 蒽）到8.9%（芴）。聲波降解法方法獲得的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差值從1.5%（屈）到12.5%（萘）。這些事實(shí)可以 歸因于幾個(gè)因素，包括通過(guò)皂化和聲波降解法萃取多環(huán)芳烴時(shí)不受控制的損失39,46。3.2 4.2K LETRSS analysis of EPA-PAHs對(duì)于EPA-PAHs的特定情況，溶劑匹配準(zhǔn)則會(huì)導(dǎo)致下

20、列5種正構(gòu)烷烴之一：正戊烷（萘、苊、 苊烯），正己烷（菲、芘）、正庚烷（芴、熒蒽、苯并g,h,i 二嵌苯，苯并b熒蒽、蒽），正辛烷 （苯并a芘，二苯并a,h蒽，屈 苯并a蒽）和n壬烷（茚1、2、3 cd芘、苯并k熒 蒽）52。對(duì)于每種PAH用最好的匹配溶劑將提供可能的最好的光譜分辨率?？紤]每個(gè)樣品使 用五種有機(jī)溶劑對(duì)篩選沒(méi)有太大意義，我們用正辛烷分析15種EPA-PAHs。我們之所以這樣選擇 是因?yàn)槌醪窖芯勘砻?，與其他四個(gè)溶劑相比，正辛烷能更好的實(shí)現(xiàn)聲波降解法萃取。在冰凍的辛烷中苊烯是唯一的化合物沒(méi)有發(fā)射熒光的成分。其缺乏熒光現(xiàn)象也出現(xiàn)在樣品 完全氧化或分析物凍結(jié)在正戊烷,正己烷、正庚烷和n壬

21、烷的情況中。表S-2總結(jié)了正辛烷中殘 留的多環(huán)芳烴4.2 K熒光數(shù)據(jù)特征。激發(fā)和發(fā)射的范圍包括所有的峰，對(duì)其分析對(duì)每種PAH都 有意義，也就是說(shuō),一個(gè)信噪比等于或高于3（S 3）。在正辛烷中所有的多環(huán)芳烴顯示良好單 指數(shù)熒光衰減。被報(bào)告的每種PAH的壽命(t )是在最大發(fā)射(力泅)波長(zhǎng)下測(cè)定。樣品激發(fā)是在 283.2nm,即對(duì)15種多環(huán)芳烴一個(gè)激發(fā)波長(zhǎng)提供他們?cè)诤哿繚舛人?ng / mL)的檢測(cè)。LODs根 據(jù)公式計(jì)算LOD = 3SB/m , Sb是空白標(biāo)準(zhǔn)偏差(N=16)和m是校準(zhǔn)曲線斜率53。校準(zhǔn)曲線是 由純標(biāo)準(zhǔn)建立，對(duì)每種多環(huán)芳烴至少使用五個(gè)線性濃度。校準(zhǔn)曲線的斜率使用最小二乘法統(tǒng)計(jì)

22、 擬合，從線性動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)計(jì)算得出(數(shù)據(jù)未顯示)。圖2給出了15多環(huán)芳烴熒光衰減的歸一化擬合。根據(jù)他們的時(shí)間延遲曲線，多環(huán)芳烴屬于以下 三組：短壽命(t 11.9 ns),中間壽命(40.7 ns t 123.8 ns)存在的多 環(huán)芳烴。固定時(shí)間延遲的時(shí)間分辨測(cè)量，檢測(cè)短壽命和中間壽命存在的多環(huán)芳烴應(yīng)該是可能的， 時(shí)間延遲分別是30和170 ns。這些延遲值是根據(jù)殘余和忽略的熒光(當(dāng)延時(shí)時(shí)間 &后觀察到 的熒光可忽略)確定的54。因?yàn)殚L(zhǎng)壽多環(huán)芳烴的時(shí)間分辨是不可能的，他們對(duì)短暫和中間壽命 存在多環(huán)芳烴分辨的潛在干擾，這是一個(gè)值得關(guān)心的問(wèn)題。對(duì)短壽命多環(huán)芳烴的測(cè)定和潛在的來(lái) 自中間壽命多環(huán)芳烴干擾

23、，也存在相同的問(wèn)題。3.3 TREEC 分析一種繞過(guò)這個(gè)限制的可能是基于在4.2 k Shpolskii條件下多環(huán)芳烴的光譜變窄這個(gè)基礎(chǔ)之 上.因?yàn)椴ㄩL(zhǎng)時(shí)間矩陣WTMs提供給分析人員眾多的峰，總有可能發(fā)現(xiàn)一組激發(fā)和熒光波長(zhǎng)不受矩陣 干擾。在分析未知成分的樣品時(shí)，分析人員應(yīng)該始終通過(guò)壽命分析檢查潛在的干擾。壽命的單一 指數(shù)衰減相當(dāng)于標(biāo)準(zhǔn)壽命，構(gòu)成了一個(gè)對(duì)目標(biāo)PAH精確確定的強(qiáng)有力論點(diǎn)37。我們?yōu)槭占疶REEM而適當(dāng)?shù)倪x擇多環(huán)芳烴測(cè)定的時(shí)間窗建立PAH檢測(cè)，因而我們的方法是根本 不同的。通過(guò)縮短ICCD的門(mén)寬，可以減少中長(zhǎng)壽的多環(huán)芳烴光譜貢獻(xiàn)，仍然收集大部分短壽命的 多環(huán)芳烴熒光。通過(guò)將時(shí)間窗口放

24、在樣本總的熒光衰變的中間時(shí)間間隔，可以提高中間壽命多環(huán) 芳烴的熒光光譜特性，提高短壽命的多環(huán)芳烴時(shí)間分辨率和減少長(zhǎng)壽命多環(huán)芳烴的影響。圖1描繪 了 TREEM1(D-D+G=10 30 ns),TREEM3(D-D+G=60 - 90 ns)和TREEM6(D-D+G=150 - 180 ns)，這 些是從沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)添加的土壤提取物中記錄的。對(duì)在TREEM發(fā)射范圍內(nèi)(375 - 425 nm)的多環(huán)芳烴 的光譜曲線的進(jìn)行視覺(jué)對(duì)比，得出以下多環(huán)芳烴是提取物總熒光的主要貢獻(xiàn)者：苯并a,蒽蒽, 二 a,hM、苯并b熒蒽、苯并a芘、苯并k熒蒽和熒蒽。每個(gè)多環(huán)芳烴對(duì)樣品總熒光的相對(duì) 貢獻(xiàn)隨TREEM時(shí)間窗

25、而變。苯并a芘的熒光出現(xiàn)在401.2 nm處TREEM1和TREEM3中，幾乎在 TREEM6消失。苯并a芘是中等壽命，t= 42.87土 1.6ns 1.6ns。422.5納米處凸顯的熒光不屬于這種情況。其在TREEM6存在的主要原因是這是長(zhǎng)壽命PAH(t = 123.8土 2.5ns)苯并g,h,i 二嵌苯發(fā)出的熒光。TREEM1-6疊加導(dǎo)致TREEC有540672個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)。TREEM1-6疊加對(duì)應(yīng)于土壤提取物的TREEC。3.4. PARAFAC and U-PLS/RTL modelingPARAFAC和U-PLS/ RTL理論在文獻(xiàn)中有完整記錄40 43。簡(jiǎn)單地說(shuō)，用PARAFAC法

26、分解四維 TREEC數(shù)據(jù)數(shù)組允許分析人員提取PAH的發(fā)射，激發(fā)和時(shí)間曲線以及他們的相對(duì)濃度。然后每種PAH 的得分用來(lái)預(yù)測(cè)他們?cè)谖粗獦悠分械臐舛?。U-PLS/RTL的工作原理從根本上是不同的，通過(guò)連接 （展開(kāi)）原來(lái)的三維信息，將原始多維數(shù)據(jù)集數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成一維數(shù)組（向量）。從未知的樣本中沒(méi)得到 任何數(shù)據(jù)時(shí)首先使用濃度信息。通常U-PLS/RTL模型用校正濃度所包括的數(shù)據(jù)和矢量來(lái)校準(zhǔn)。如 果在測(cè)試樣品中沒(méi)有未知的干擾，每種多環(huán)芳烴的濃度可以使用與校準(zhǔn)步長(zhǎng)相同的參數(shù)來(lái)估計(jì)。 當(dāng)未定標(biāo)的成分出現(xiàn)在測(cè)試樣品中時(shí)樣品的得分就不適用于PAH預(yù)測(cè)。在這種情況下,U-PLS/RTL 預(yù)測(cè)步長(zhǎng)的殘差相比通過(guò)復(fù)制測(cè)量

27、評(píng)估的典型的儀器噪聲都異常的大。基于Tucker3分解基礎(chǔ)之 上的三線性殘差程序，就可能模擬干擾效果和準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)PAH在未知樣品濃度。土壤提取物多環(huán)芳烴含量通過(guò)多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)添加程序獲得。這種校準(zhǔn)方法占可能解釋由于波器和協(xié) 同效應(yīng)而可能存在矩陣干擾。表1總結(jié)了 PAH標(biāo)準(zhǔn)樣的濃度一一為第一，第二和第三標(biāo)準(zhǔn)添加而在 合成混合物中使用的PAH標(biāo)準(zhǔn)樣的濃度。執(zhí)行PARAFAC和U-PLS/RTL建模生成四個(gè)TREECs,即土壤樣 品的TREEC （零標(biāo)準(zhǔn)添加）和表1中每標(biāo)準(zhǔn)添加得到的TREEC。發(fā)射和激發(fā)波長(zhǎng)范圍、時(shí)間窗、PARAFAC因子的數(shù)量（響應(yīng)組件）和U-PLS/RTL建模潛變量的數(shù) 量（U-PL

28、S/ RTL因子）都列在表2。通過(guò)交叉驗(yàn)證法估計(jì)U-PLS/ RTL因子的數(shù)量55。從第一，第二 和第三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)添加后記錄的TREEC中減去樣品（零標(biāo)準(zhǔn)添加）的TREEC，從而建立每個(gè)PLS模型。 PARAFAC因子數(shù)量的估計(jì)遵從內(nèi)部參數(shù)程序，也被稱為核心一致性過(guò)程，最初由Bro提出56。圖 2顯示了用表3中設(shè)置預(yù)測(cè)的苯并A芘的 發(fā)射（A）、激勵(lì)（B）和時(shí)間延遲（C）模式的加載矩陣。標(biāo) 注1、2和3按在樣本四維的陣列數(shù)據(jù)陣中的模型指定的順序。這個(gè)順序反映他們對(duì)總體方差的相 對(duì)貢獻(xiàn)。在四維數(shù)組數(shù)據(jù)中苯并a芘（1）是主要的熒光貢獻(xiàn)者。干擾2和3的熒光貢獻(xiàn)是微不足道 的。苯并a芘的預(yù)測(cè)光譜曲線和實(shí)驗(yàn)得

29、到的光譜有很明顯的相似性-灰色短線指示-這一點(diǎn)可通 過(guò)相關(guān)系數(shù)的值得到證實(shí)，即r2 = 0.889 （圖2a）和r2 = 0.846 （圖2b）。這同樣適用于苯并a芘的 預(yù)測(cè)延遲曲線（圖2c）。苯并a芘用D獲得熒光壽命的預(yù)測(cè)價(jià)值（34.2 ns）接近實(shí)驗(yàn)的熒光壽命 （38.6土 0.3 ns,N=3）。事實(shí)上，延遲曲線很好的遵循單一指數(shù)衰減證實(shí)了 2和3對(duì)總熒光的貢獻(xiàn)可 以忽略不計(jì)。類似的結(jié)果，其他的EPA-PAHs也得到相似的結(jié)果。3.5時(shí)間分辨激發(fā)發(fā)射數(shù)據(jù)聯(lián)用化學(xué)計(jì)量學(xué)模型與聲波降解法聯(lián)用高分辨率液譜分析法數(shù)據(jù)比較表3總結(jié)了通過(guò)TREEC/化學(xué)計(jì)量學(xué)和高效液相色譜法得到的PAH回收率。在所

30、有的情況下，多 環(huán)芳烴萃取是通過(guò)聲波降解篩查方法。用Bonferroni調(diào)整試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)比較在不同濃度水平PAH的回 收率57。為0.05和 15的PAH比較(k=15)計(jì)算alpha值a、= 1-G-a)k。因?yàn)橛?jì)算值(a、= 3.5x 10-3)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于臨界七值(t偵)=13.9)，三個(gè)方法得出15種EPA-PAHs的實(shí)驗(yàn)回收率統(tǒng)計(jì)上是等效的，即TREEC / PARAFAC,TREEC /U-PLS-RTL和HPLC。對(duì)表3和表s-1高效液相色譜法數(shù)據(jù)檢驗(yàn)提供了篩選提取方法和經(jīng)典的聲波降解法方法的直接 對(duì)比。主要的區(qū)別是篩選方法不能檢測(cè)存在的蒽和茚并1、2、3 cd芘。觀察到的差異可以歸因

31、于用于篩選方法的土壤質(zhì)量更小。取土壤0.05甘，與之相反的卻是20克的樣品，可能會(huì)導(dǎo)致提取 濃度低于高效液相色譜法的LODs。這兩個(gè)TREEC /化學(xué)計(jì)量學(xué)建模方法同樣是不正確的。4.2 kLETRSS分析的LODs(見(jiàn)表S-2)使在0.05克土壤提取物中同時(shí)檢測(cè)蒽和茚并1、2、3 cd芘成為可 能。通過(guò)他們的結(jié)果和在表3中高效液相色譜數(shù)據(jù)作比較，測(cè)試在兩TREEC測(cè)試方法中存在的恒定 的和成比例的偏差。借助二元最小二乘(BLS)回歸法和橢圓聯(lián)合置信區(qū)域(EJCR)測(cè)試進(jìn)行統(tǒng)計(jì)比 較58,59。TREEC / PARAFAC和TREEC / U-PLS/ RTL數(shù)據(jù)對(duì)聲波降解法高效液相色譜數(shù)據(jù)

32、的平面 圖提供以斜率 / 截距結(jié)果：0.944 土 0.20/5.4 土 7.7(TREEC / PARAFAC)和 0.941 土 0.08/2.9 土 3.2(TREEC /U-PLS/RTL)。U-PLS/RTL更好的精度與其優(yōu)越的預(yù)測(cè)能力一致，這 可能源于其潛變量屬性56。斜率和截距的EJRCs顯示在圖3中。由得到的TREEC / PARAFAC和 TREEC / U-PLS/RTL橢圓域包括斜率(1)和攔截(0)理論上的預(yù)測(cè)價(jià)值。這實(shí)際上排除了在兩種方 法中存在恒定的和比例偏差的可能。結(jié)論我們首次證明了監(jiān)控土壤樣品中15種EPA多環(huán)芳烴的可能性，并用三階多元校正法處理高 分辨率熒光數(shù)

33、據(jù)。其試驗(yàn)依賴于之前報(bào)道的程序，這一程序?qū)ΤＲ?guī)篩選眾多土壤樣本具有讓人滿 意的特征37。多環(huán)芳烴測(cè)定是基于收集在遠(yuǎn)離激光激發(fā)脈沖的六個(gè)時(shí)間窗記錄的4.2 K熒光 TREEMs。通過(guò)用PARAFAC和U-PLS/RTL處理四4.2 K熒光TREEC數(shù)據(jù)數(shù)組，來(lái)自未知樣品伴行物 的潛在干擾被成功處理。分析得到的15種多環(huán)芳烴的回收率與通過(guò)經(jīng)典聲波降解法-高效液相 色譜方法結(jié)果吻合良好。當(dāng)處理成分未知內(nèi)在性質(zhì)復(fù)雜的樣本時(shí)，用單變量校準(zhǔn)方法處理WTM數(shù) 據(jù)，迫使分析人員通過(guò)壽命分析檢查潛在的干擾。根據(jù)樣品的復(fù)雜性，可能出現(xiàn)這樣的情況，尋找一組適當(dāng)?shù)募ぐl(fā)和熒光波長(zhǎng)是不可能的。這里介紹的TREEC / P

34、ARAFAC和TREEC /U-PLS/ RTL方 法為這一普遍存在的光譜干擾問(wèn)題提供了一個(gè)通用的解決方案。(ElosBUooAeM uoiAs 一 ELUExcitation wavelength (nm)Fig. 1. 4.2 K TREEM recorded from soil exuact with the following time windows: 10-30 ns (EEM % 60-90 ns (EEM3) and 150-180 ns (EEMb) Excitation wavelength was stepped at 05 nm increments. Each emi

35、ssion spectrum corresponds to the accumulation of 100 lasei- pulses.0.2-o,o-400.50400.75401.00401.25Emission wavelength (nm)Fig. 2. PARAFAC modeling profiles obtained from soil extract. (A) Emission spectral profile, (B) excitation spectral profile and (C) fluorescence decay profile of benz

36、oapyrene. Numbers 1, 2 and 3 indicate the factor order. The short dash doted ( ) green line in (A) corresponds to the normalized emission spectrum of benzoapyrene. (For interpretation of references to color in this figure legend, the reader is referred to the web version of this article.)Slopebig. 3

37、. Elliptic joint confidence region obtained with the bivariate least-squares regression method from the plot of the TREEM/PARAFAC and rREEC/U-PLS data in T眼3.Table IConcentrations a used for multiple standard additions and chemometric modeling.PAH*Firs 產(chǎn)SecondTliirdLNapthalene1.03.0ZOAcenapthene2.01

38、310fluoreneIDZDL0Phenantln ene2.0&040Antlii acenekDZO10fluoranthene106.09.0Pyrene9.03.06.0Benzoaanthracene6.0ZD40Chiysene406.0ZOBenzob fluoranthene406.02.0Benzofcfluoranthene2.03.01.0Benzo alpyiene2.0L010lndeno 2,3 -cd pyrene101.020Dibenzoahanthracene102.01.0BenzogJijpeiylene1.02.010a All concentiat

39、ions are inb PAH standards were prepared in n-octane.c 5h 10 and 15 (.iL of standard solution were added to 250 (.iL of soil extractTable 3Comparison of PAH recoveries obtained via TREEC/PARAFAC, TREEC/U-PLS/RTL and HPLC analyses3.PAHHPLC (%)TREEC/PARAFAC (%)TREEC/U-PLS/RTL (%)f-student bNapthalene4

40、4.8 4.042.2 3.845.6 30.22Acenapthene40.9 2.339.6 1.739.2 1.60.520.700.14Fluorene43.0 0.344.3 0.844.1 0.82.732.190.29Phenanthrene40.5 1.442.9 1341.4 1.41.310.520.82Anthracene一45.7 2.845.1 2.8一一0.08Fluoranthene24.3 土 0.827.0 1.026.5 0.93.293.030.06Pyrene30.3 2.331.1 1.831.3 90.06Be

41、nzoaanthracene31.8 1.327.9 1.830.9 1.81.580360.92Chrysene58.5 土 5.655.4 4.357.8 20.13Benzof bjfluoranthene55.4 5.051.9 3.553.8 00.16Benzokfluoranthene39.3 1.143.6 1.441.3 1.42.711.261.17Benzoapyrene49.9 2.140.4 2.148.9 52.11Indeno1.2.3-cdpyrene一46.5 土 3.647.1 3.4一一0.05D

42、ibenzoa,h Janthracene37.5 3.246.7 3.143.1 3.40.950.88034Benzog,h,i| perylene38.6 0.640.5 1.038.4 0.62.750.553.09a HPLC, TREEC/PARAFAC and TREEC/U-PLS/RTL analyses were performed in soil extracts obtained via the sonication screening procedure. Each reported value is the average of three independent

43、extractions of soil samples.b t-student=expert mental values calculated for N=3 and p 0.0035 愆=1 一(1Bonferroni*s adjustment test); comparison between HPLC and TREEC/ PARAFAC： &: comparison between HPLC and TREEC/U-PLS/RTL; G corresponds to comparison between HPLC and TREEC/PARAFAC; t3: comparison be

44、tween both chemometric models. Reported values should be compared to t critical = 13.9.Table 2Parameters for PARAFAC and U-PLS/RTL analysis.PAHExcitation3 (nm)Emission曰(nm)EEMb #Time windows6 (ns)PARAFAC factorsU-PLS/RTL factorsNapthalene280.5-285.5319.9-320.74,590/120, 120/15021Acenapchene283.0-289

45、.5319.3-319.11-310/30. 30/60, 60/9032Fluorene281.5-287.53016-305.11. 210/30. 30/6021Phenanthrene286.0-290.0350.4-35L71. 210/30. 30/6021Anthracene282.5-295.0383.6-3844】510/30, 30/60, 60/90. 90/120. 120/15032Fluoranthene280.0-290.040Z7-403.8】510/30, 30/60, 60/90, 90/120, 120/15032Pyrene2805-290.0370.1

46、 -371.24,590/120, 120/15032Benzoaanthracene281.0-288.53816-382.41-310/30, 30/60, 60/9032Chiysene280.0-286.5362.1-362.81-310/30, 30/60, 60/9032Benzo(bfluoranthene284.5-290.0398.6-3995-410/30, 30/60, 60/90, 90/12032Benzokfluoranthene280.0-289.5401.5-40241,210/30p 30/6032Benzoapyrene283.0-287.5400.5-40

47、1.51,210/30, 30/6032Indenofl 23cdpyrene283.5-290.0401.5-40241-310/30, 30/60, 60/9021Dibenzoa,h Janthracene281.0-295.0390.9-392/11-310/30, 30/60. 60/9032Benzo gTiJlpeiylene283.0-288.54046-405.3】510/30, 30/60, 60/90, 90/120, 120/15032a Wavelength ranges are fractions of recorded EEMs. The complete wav

48、elength ranges of the recorded EEMs were 280-295 nm for excitation and 300-500 nm for e mis si oikb EEM # refers to theTREEM recorded during the following delay (D)/delay+gate (D+C) time windows: 1 = 10/30 ns, 2 = 30/60 ns, 3=60/90 ns, 4=90/120 ns, 5 = 120/ 50 ns, 6=150/180 ns.ReferencesG. Purcaro,

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