【正文】 個(gè)光學(xué)圖像就可以被轉(zhuǎn)化成電荷圖像，然后使電荷按一定的順序轉(zhuǎn)移，最后在輸出端輸出，從而使光學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)變成視頻信號(hào)。CCD有兩種形式。一種是線陣CCD，一種是面陣CCD。線陣CCD是由許多像素排列成一行并以一定的形式聯(lián)接起來的一個(gè)器件。而面陣CCD是由許多像素排列成一方陣并以一定的形式聯(lián)接起來的一個(gè)器件。因此，線陣CCD就如同一個(gè)單坐標(biāo)系，獲取的信息少，不能處理復(fù)雜的圖像。但其處理信息的速度快，后續(xù)電路簡(jiǎn)單。而面陣CCD就如同一個(gè)雙坐標(biāo)系，獲取的信息大，能處理復(fù)雜的圖像。但其缺點(diǎn)是處理信息速度慢，而且價(jià)格昂貴。分析物CCD的熒光光譜：多通道的CCD檢測(cè)器，其多色儀沒有出射狹縫，分析物的熒光從入射狹縫進(jìn)入多色儀，經(jīng)光柵分光后，以一連續(xù)譜帶照射到CCD光敏區(qū)，取陣列像素累加后的光致電荷輸入計(jì)算機(jī)處理，即可得到分析物的熒光光譜。因此，CCD檢測(cè)器具有連續(xù)對(duì)熒光光譜多次采集，得到強(qiáng)度波長(zhǎng)時(shí)間三維圖譜的功能。不僅可以將其用于熒光反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的測(cè)定，而且特別適合低光水平的成像，這一點(diǎn)對(duì)于克服生物樣品的光漂白現(xiàn)象是非常重要的。第3章 石油類有機(jī)物三維熒光光譜的實(shí)驗(yàn)研究第3章 石油類有機(jī)物三維熒光光譜的實(shí)驗(yàn)研究本實(shí)驗(yàn)所用的儀器為日立F7000熒光分光光度計(jì)。如圖5所示。圖5 日立F7000熒光分光光度計(jì) Hitachi F7000 fluorescence spectrophotometerF7000具有超高靈敏度、超高掃描速度、獨(dú)特的光柵和水平狹縫光路設(shè)計(jì)，適用于高靈敏度的熒光痕量分析（物質(zhì)中含量在百萬分之一以下的組合的分析方法），應(yīng)用于材料、藥學(xué)和生命科學(xué)等高科技領(lǐng)域和質(zhì)控、教學(xué)等常規(guī)分析領(lǐng)域以及混合有機(jī)化合物的分析，復(fù)雜化合物的指紋譜圖庫(kù)分析比如芳香族化合物、中藥、環(huán)境檢測(cè)等。F7000能快速采集測(cè)量范圍中全部三維熒光光譜信息數(shù)據(jù)并生成樣品的三維熒光光譜圖。它的高信噪比更有利于痕量樣品的測(cè)量，可以測(cè)出低至110mol/L（10mg/L）的熒光素，測(cè)量濃度范圍高達(dá)6個(gè)數(shù)量級(jí)。儀器測(cè)量參數(shù)設(shè)置：激發(fā)波長(zhǎng)范圍為 250~430nm，發(fā)射波長(zhǎng)范圍為310~520nm。激發(fā)狹縫寬度為10nm，發(fā)射狹縫寬度為20nm。掃描速度為12000 nm/min，掃描步長(zhǎng)均為5nm。電壓強(qiáng)度為400V，響應(yīng)時(shí)間調(diào)為自動(dòng)模式。本實(shí)驗(yàn)選取某0柴油，某97汽油，某普通煤油這三種石油類有機(jī)物作為研究樣品。選取CCl4溶液為溶劑。CCl4是分析化學(xué)中常用的有機(jī)溶劑，可用于提取石油類有機(jī)物。CCl4能夠很好地與石油類有機(jī)物相互溶解，并且由于CCl4的拉曼散射波長(zhǎng)與激發(fā)光的波長(zhǎng)極為接近，其拉曼散射光幾乎不干擾石油類有機(jī)物熒光的測(cè)定，因此選用CCl4作為溶劑完全可行。首先采用逐級(jí)稀釋的方法配制待測(cè)三種石油類有機(jī)物的標(biāo)準(zhǔn)溶液（一定濃度的單一組分三種油類分別與CCl4溶液混合而成的混合溶液），即母溶液。本實(shí)驗(yàn)將所配制的三種油類的標(biāo)準(zhǔn)溶液濃度設(shè)定為100mg/L。1）濃度為100mg/L的標(biāo)準(zhǔn)溶液配制目的：用于得到柴油、汽油、煤油單組分混合于CCl4溶液后的特征光譜。將標(biāo)準(zhǔn)溶液真實(shí)的特征光譜與PARAFAC對(duì)三維數(shù)據(jù)分解后得到的發(fā)射光譜對(duì)比。由于所處理的數(shù)據(jù)具有它的性質(zhì)特征，若PARAFAC分解后所得發(fā)射光譜與真實(shí)的特征光譜非常吻合，則證明了平行因子分析法分解的唯一性和準(zhǔn)確性。2）設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)溶液濃度為100mg/L依據(jù)如下：（1），根據(jù)所用儀器F7000的參數(shù)設(shè)置可知其測(cè)量濃度范圍為6個(gè)數(shù)量級(jí)，~50000mg/L區(qū)域范圍內(nèi)選取的濃度值均為有效數(shù)據(jù)，100mg/L在其范圍內(nèi)，因此可以設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)溶液濃度為100mg/L；（2）中國(guó)海洋大學(xué)王春艷等人在2010年6月研究生學(xué)位論文《濃度參量熒光光譜油種鑒別技術(shù)研究》中，研究了原油濃度在 到 104 mg/L（1PPM約等于1mg/L）之間樣品在最佳激發(fā)波長(zhǎng) 254nm條件下的熒光發(fā)射光譜，如圖6所示。分析結(jié)果表明只有溶液的濃度在 1g/L以下時(shí)才能測(cè)到熒光，當(dāng)濃度小于 10ppm時(shí)，熒光強(qiáng)度峰值急劇減小[19]。因此為獲得最佳熒光測(cè)試條件，溶液的濃度最好在10ppm100ppm之間，且在此范圍內(nèi)，發(fā)射熒光峰同濃度之間成一定的比例關(guān)系，可以為定量分析提供條件[19]。綜合以上分析結(jié)果，可設(shè)定本實(shí)驗(yàn)混合液樣品濃度為100ppm，即約100mg/L； 圖6 熒光強(qiáng)度分布同溶液濃度之間的關(guān)系 Relationship between fluorescence intensity distribution and solution concentration（3）為了盡量減小配比混合液時(shí)產(chǎn)生的誤差。配比的標(biāo)準(zhǔn)溶液濃度越小，對(duì)實(shí)驗(yàn)器材的精確度要求越高，人為操作難度系數(shù)也越高，便容易造成較大誤差，因而選取符合條件（1）和（2）中相對(duì)濃度較大的100mg/L；（4）為了盡可能降低實(shí)驗(yàn)成本，避免造成環(huán)境污染及不必要的浪費(fèi)。標(biāo)準(zhǔn)溶液的濃度越高，所需溶劑CCl4溶液的量越大。而實(shí)際配比多組分混合液時(shí)所需標(biāo)準(zhǔn)溶液用量很少，這就造成了大量廢液的剩余，給廢液處理帶來嚴(yán)重負(fù)擔(dān)，因此選取符合條件（1）和（2）中相對(duì)濃度較大的100mg/L。3）制得三種油類的標(biāo)準(zhǔn)溶液后，配制三種油類不同濃度混合于CCl4溶液的溶液樣本，用于模擬石油類有機(jī)物溶于有機(jī)溶劑形成的復(fù)雜混合體系。由于在GB38382002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中，依據(jù)地表水水域環(huán)境功能和保護(hù)目標(biāo)，按功能高低依次劃分為五類：Ⅰ~Ⅲ類水體石油類的標(biāo)準(zhǔn)為 mg/L，Ⅳ類水體石油類的標(biāo)準(zhǔn)為 mg/L，Ⅴ類水體石油類的標(biāo)準(zhǔn)為 mg/L。對(duì)應(yīng)地表水上述五類水域功能，將地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)基本項(xiàng)目標(biāo)準(zhǔn)值分為五類，不同功能類別分別執(zhí)行相應(yīng)類別的標(biāo)準(zhǔn)值。水域功能類別高的標(biāo)準(zhǔn)值嚴(yán)于水域功能類別低的標(biāo)準(zhǔn)值。因此本實(shí)驗(yàn)將圍繞國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)定三組分混合液樣品（三種油類混合于CCl4溶液）~ mg/L，~ ，~80mg/L。其間隔濃度梯度設(shè)定為不均勻分配。石英比色皿3個(gè)；容量瓶30個(gè)，體積為50ml，容量瓶6個(gè)，體積為100ml， 用于配置所需濃度的溶液；燒杯3個(gè)，體積為100ml；微量取液容器2支，體積分別為10100μl，1001000μl；電子天平。1）用電子天平量取97汽油、0柴油和煤油各1g，逐個(gè)加少量CCl4溶解后，分別置于3 個(gè)100mL容量瓶中，用CCl4定容，得到三種濃度均為10000mg/L的溶液；2）分別從上述三個(gè)容量瓶中用微量取液容器量取1ml濃度為10000mg/L的三種溶液另置于3個(gè)100mL容量瓶中，加CCl4定容，得到濃度為100mg/L的溶液，用標(biāo)簽標(biāo)注溶液名稱，在常溫下保存；3）取30個(gè)50mL容量瓶，分別加入不同體積各標(biāo)準(zhǔn)溶液，加CCl4定容，得到配比溶液樣本。各樣本中溶質(zhì)濃度如表2所示。其中118為校正樣本，1930為預(yù)測(cè)樣本，密封待測(cè)。表1 校正樣本的濃度Table1 Concentration of calibration samples校正樣品（mg/L）樣號(hào)柴油汽油煤油12345678910表1 （續(xù)）校正樣品（mg/L）樣號(hào)柴油汽油煤油1112132020201440404015808080168040201720804018402080表2 預(yù)測(cè)樣本的濃度Table2 Concentration of prediction samples預(yù)測(cè)樣品（mg/L）樣號(hào)柴油汽油煤油192021222324252627506080286080502980506030606060CCl4有毒，對(duì)人體健康有危害。高濃度該品蒸氣對(duì)粘膜有輕度刺激作用，對(duì)中樞神經(jīng)系統(tǒng)有麻醉作用，對(duì)肝、腎有嚴(yán)重?fù)p害。吸入極高濃度可迅速出現(xiàn)昏迷、抽搐，可因室顫和呼吸中樞麻痹而猝死。皮膚直接接觸可致?lián)p害。所有操作應(yīng)在通風(fēng)櫥內(nèi)進(jìn)行。樣品分析過程中產(chǎn)生的CCl4廢液應(yīng)存放于密閉容器中，妥善處理。因?yàn)闊晒夥止夤舛扔?jì)可提供很高的靈敏度，所以比色池的輕微污染會(huì)影響測(cè)量結(jié)果。為了防止不同油類的相互交叉污染，比色池在使用之后，要適當(dāng)?shù)奶幚?。決不要在比色池內(nèi)留有樣品，試劑的蒸發(fā)，樣品的殘余可能黏附在比色池的壁上而造成污染。所以在每更換一種樣品或者是另一種濃度的溶液時(shí)，一定要使用有機(jī)溶劑對(duì)石英比色皿進(jìn)行徹底清洗，保證沒有任何殘留樣品，并仔細(xì)擦拭干凈。儀器掃描柴油、汽油、煤油三種純樣品的三維熒光光譜圖和等高線光譜圖，目的是觀察本身所產(chǎn)生熒光效應(yīng)的強(qiáng)度大小，以及其與混合于有機(jī)溶液的柴油、汽油和煤油的譜圖有何區(qū)別，熒光性質(zhì)受何影響。F7000熒光分光光度計(jì)測(cè)量參數(shù)設(shè)置為：激發(fā)狹縫寬度為1nm，發(fā)射狹縫寬度為5nm。掃描速度為12000 nm/min，掃描步長(zhǎng)均為5nm。電壓強(qiáng)度為400V，響應(yīng)時(shí)間調(diào)為自動(dòng)模式。因每種油類最佳波長(zhǎng)范圍不同，激發(fā)波長(zhǎng)與發(fā)射掃描波長(zhǎng)范圍視情況而定。圖8分別為純0柴油的三維熒光光譜圖和等高線光譜圖。圖7 純0柴油的三維熒光光譜圖 Threedimensional fluorescence spectrum of pure 0 diesel sample圖8 純0柴油的等高線光譜圖 Contour spectrum of pure 0 diesel sample結(jié)合兩幅圖與儀器所顯示的報(bào)告數(shù)據(jù)可知，純0柴油在激發(fā)波長(zhǎng)325nm、發(fā)射波長(zhǎng)425nm，激發(fā)波長(zhǎng)400nm、發(fā)射波長(zhǎng)430nm處有兩個(gè)熒光強(qiáng)度值相近的顯著熒光波峰。圖10分別為純97汽油的三維熒光光譜圖和等高線光譜圖。圖9 純97汽油的三維熒光光譜圖 Threedimensional fluorescence spectrum of pure 97 gasoline sample圖10 純97汽油的等高線光譜圖 Contour spectrum of pure 97 gasoline sample結(jié)合兩幅圖與儀器所顯示的報(bào)告數(shù)據(jù)可知，純97汽油在激發(fā)波長(zhǎng)380nm、發(fā)射波長(zhǎng)410nm處有最大熒光強(qiáng)度值，次顯著熒光波峰則分別在激發(fā)波長(zhǎng)360nm、發(fā)射波長(zhǎng)405nm，激發(fā)波長(zhǎng)380nm、發(fā)射波長(zhǎng)430nm兩處。圖112分別為純煤油的三維熒光光譜圖和等高線光譜圖。圖11 純煤油的三維熒光光譜圖 Threedimensional fluorescence spectrum of pure kerosene sample圖12 純煤油的等高線光譜圖 Contour spectrum of pure kerosene sample結(jié)合兩幅圖與儀器所顯示的報(bào)告數(shù)據(jù)可知，純煤油的光譜最為簡(jiǎn)單，僅在激發(fā)波長(zhǎng)330nm、發(fā)射波長(zhǎng)350nm處存在一個(gè)顯著的熒光波峰。三種純油類樣品在譜圖形狀、熒光波峰個(gè)數(shù)、主波峰對(duì)應(yīng)熒光強(qiáng)度值等特征參數(shù)上均有較大差異。一般說來，石油類有機(jī)物都具有大致相同的物理化學(xué)性質(zhì)，但是不同地區(qū)、不同油層中石油的化學(xué)組成也有著明顯的差異，這反映出了石油組成的多樣性。純0柴油和純97汽油具有多個(gè)不同位置的熒光波峰，表明這兩種油的組分較復(fù)雜，均為混合物；而純煤油的組分相對(duì)較簡(jiǎn)單，僅有一個(gè)熒光波峰。掃描三種純油類樣品，所呈現(xiàn)出的熒光特征光譜各不相同，但由于它們的化學(xué)組成中具有某些相同的烴類物質(zhì)成分，因而在某些波長(zhǎng)范圍內(nèi)，光譜存在相互重疊現(xiàn)象。 CCl4溶劑的三維熒光光譜儀器掃描僅有微弱熒光發(fā)射的CCl4溶劑，得到其三維熒光光譜和等高線光譜圖，如圖114所示。F7000熒光分光光度計(jì)測(cè)量參數(shù)設(shè)置為：由于適合于每種油的最佳波長(zhǎng)范圍不同，為避免掃描到非樣品波譜范圍內(nèi)的其他干擾波峰，獲得更為準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)其分別進(jìn)行合理設(shè)置。柴油：激發(fā)波長(zhǎng)范圍為250~430nm，發(fā)射波長(zhǎng)范圍為310~520nm；汽油：激發(fā)波長(zhǎng)范圍為250~420nm，發(fā)射波長(zhǎng)范圍為310~520nm；煤油：激發(fā)波長(zhǎng)范圍為250~400nm，發(fā)射波長(zhǎng)范圍為310~520nm。激發(fā)狹縫寬度為10nm，發(fā)射狹縫寬度為10nm。掃描速度為12000 nm/min，掃描步長(zhǎng)均為5nm。電壓強(qiáng)度為400V，響應(yīng)時(shí)間調(diào)為自動(dòng)模式。圖13 CCl4溶劑的三維熒光光譜圖 Threedimensional fluorescence spectrum of CCl4圖14 CCl4溶劑的等高線光譜圖 Contour spectrum of CCl4作為本底溶劑，CCl4的熒光強(qiáng)度值高低對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性和準(zhǔn)確性有著至關(guān)重要的作用。圖中傾斜向右上方延伸的呈等高線狀條紋為入射光激發(fā)而產(chǎn)生的微弱瑞利散射光，沒有其余銳鋒出現(xiàn)，說明它的熒光強(qiáng)度比石油類有機(jī)物受激發(fā)射的熒光強(qiáng)度小很多，可忽略不計(jì)。 CCl4溶劑中石油類有機(jī)物的三維熒光光譜儀器掃描汽油、柴油、煤油分別與CCl4溶劑混合后（濃度為100mg/L的標(biāo)準(zhǔn)溶液）的等高線光譜圖，如圖1117所示。將F7000熒光分光光度計(jì)的測(cè)量參數(shù)設(shè)置與本底溶劑CCl4相同。圖15 CCl4溶劑中柴油的等高線光譜圖 Contour spectrum of diesel in CCl4 solvent圖16 CCl4溶劑中汽油的等高線光譜圖 Contour spectrum of gasoline in CCl4 solvent圖17 CCl4溶劑中煤油的等高線光譜圖 Contour