示踪剂相互干扰的室内实验研究

王 鹏，王 涛，陈植华，段 焱，张 亮，黄 荷

(中国地质大学(武汉)环境学院,湖北 武汉 430074)

地下水示踪实验是指在地下水系统的某个部位注入能够随地下水一起运动且不易被吸附的某一浓度的物质，然后在预期能够到达的部位对其进行接收检测的一种实验方法。在国外对于地下水示踪实验的研究较早，1869年人类首次使用化学示踪剂来寻找岩溶区落水洞与泉之间的水力联系[1]，国际上示踪实验技术已成为岩溶地区水文地质勘察的常用手段，其应用范围广泛。在国内，示踪实验主要应用于以下五个方面：利用示踪技术研究水库、堤坝渗漏、涌水来源等工程问题[2-5]；利用示踪技术识别地下水系统的结构，包括地下水径流管道、地下水分水岭的确定等[6-8]；利用示踪技术研究地下水溶质运移的规律[9]；利用示踪技术探讨地下水水文地质参数获取的方法[10-11]；以微生物、温度等作为示踪剂来研究地下水的来源、地下水与地表水之间的相互作用等[12-13]。

示踪剂主要分为人工合成示踪剂、微粒示踪剂、自然示踪剂、脉冲示踪剂四大类[14]。目前，较为常用的示踪剂有荧光素钠、罗丹明、荧光增白剂等荧光示踪剂，由于这类示踪剂在水中的背景值一般较低，且能够快速溶解于水中，因此得到广泛使用。随着示踪剂种类的日益增多，示踪剂监测技术也得到了较大的发展。目前多采用便携式野外荧光示踪仪对示踪剂浓度进行在线自动监测，不仅可以记录示踪剂浓度变化的过程，还大大降低了时间成本。但在采用便携式野外荧光示踪仪进行室内实验浓度校准过程中发现，在对一种示踪剂A进行校准时，测试结果中能检测到其他示踪剂，并且其他示踪剂的浓度会随着示踪剂A浓度的增加呈线性增加。为了分析产生这种现象的原因，本文采用野外荧光示踪仪在室内实验条件下对国内市场上常用的3种荧光示踪剂，即荧光素钠、荧光增白剂和罗丹明之间的相互干扰进行了定量研究，分析相互干扰条件下带来的示踪剂浓度测试误差，为今后野外地下水示踪实验提供参考，具有较强的实用价值。

1 野外荧光示踪仪简介

本次室内实验采用瑞士纽夏特大学水文地质研究所生产的GGUN-FL30型野外荧光示踪仪，见图1。该示踪仪能同时测定水中荧光素钠、荧光增白剂、罗丹明3种荧光示踪剂的浓度和浊度。当示踪仪被安置在水流中时，可自动分析和记录流经光电池的水中3种示踪剂的信号，而用于测量示踪剂浓度的光学元件安装在两个不同平面的正交轴上，每个测量部分包括两部分：①一个激发分支，包括一个准单色光源(LED)，一个滤波器和一个聚光透镜；②一个检测分支，垂直于激励光束，带有一个透镜，一个滤波器和一个光电探测器。根据示踪剂的吸收及发射光谱特性，设计了针对不同示踪剂的激发光源和过滤器。激发光源产生某种示踪剂对应的最佳激发波长下的激发光，该激发光被待测溶液吸收后发射出不同波长、强度的荧光，仪器通过过滤器接收某种特定示踪剂对应的最佳发射波长下的发射光，然后根据其荧光强度与示踪剂实际浓度的关系，换算成示踪剂的浓度。

图1 GGUN-FL30型野外荧光示踪仪[15]Fig.1 GGUN-FL30 field fluorometer[15]

野外荧光示踪仪这种几何结构允许安装多达4个测量轴，其中一个轴用来测量水的浑浊度，它使用的光源是所有示踪剂的激发光谱以外的光源，因此只能测量被悬浮粒子散射的光[15]；其他的轴用来测量示踪剂的浓度，使用光谱波长最大值分别为520 nm、580 nm和438 nm，依次对应的示踪剂分别为荧光素钠、罗丹明和荧光增白剂。

2 室内实验材料与方法

2.1 实验仪器与试剂

GGUN-FL30型野外荧光示踪仪1台，其检测限为0.02 ppb；市场上常见的荧光示踪剂[荧光素钠(分析纯)、罗丹明(工业纯)、荧光增白剂(工业纯)]。

不同规格的容量瓶(1 000 mL、250 mL、100 mL)、250 mL的烧杯、不同规格的量筒(250 mL、100 mL)、玻璃棒、分析天平、移液枪等。

2.2 实验环境

研究表明，光照会使示踪剂分解，从而导致荧光强度降低，而随着温度的升高，示踪剂的溶解性降低，荧光强度也降低[16]。为了减小由此带来的误差，配置好的溶液均采用黑色塑料袋避光保存，而在测试样品时用盖子遮住示踪仪的上端口，空调调至20℃，从而排除光照、温度的变化对实验的干扰。为了保证实验数据的真实性和可靠性，尽量减少测试误差。在实验前、实验中、实验后都采用去离子水对示踪仪和实验器皿进行反复清洗。

2.3 实验方法

实验前先用3种示踪剂粉末依次配置成浓度为500 ppb的示踪剂溶液，然后将上述溶液稀释，分别配制成浓度为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的示踪剂溶液，配置过程中严格按照《化学实验室操作规范》的要求进行操作。

2.3.1 两种示踪剂混合浓度干扰试验

首先以某一浓度的示踪剂A标准溶液作为本底溶液，与不同浓度梯度的示踪剂B标准溶液等体积分别混合，每种示踪剂均有8个不同浓度，测试其混合溶液中示踪剂A、B的浓度。以荧光素钠和荧光增白剂为例，首先用30 mL浓度为2 ppb的荧光素钠标准溶液作为本底溶液，分别与30 mL浓度依次为2 ppb、6 ppb、10 ppb、15 ppb、20 ppb、30 ppb、60 ppb、100 ppb的荧光增白剂标准溶液等体积均匀混合(示踪仪探头装满溶液约20 mL，每次测试前需用待测溶液润洗2次，共需待测溶液60 mL)，对混合液进行测试，每组试验测试3～4 min，仪器测试间隔时间为10 s，且每组试验完成后均按照规范要求对探头等试验设备进行清洗；然后将30 mL浓度为2 ppb的荧光素钠本底溶液换成30 mL浓度为6 ppb、10 ppb、15 ppb、20 ppb、30 ppb、60 ppb、100 ppb的荧光增白剂标准溶液作为本底溶液，分别与30 mL浓度为2 ppb、6 ppb、10 ppb、15 ppb、20 ppb、30 ppb、60 ppb、100 ppb的荧光素钠标准溶液依次混合，并重复上述步骤。

2.3.2 单一示踪剂浓度梯度试验

分别将5 ppb、10 ppb、20 ppb、50 ppb、100 ppb、150 ppb、200 ppb、250 ppb的荧光素钠依次放入示踪仪探头中，对溶液中的荧光素钠和荧光增白剂的浓度进行测试，每测试一次均对探头进行清洗；将荧光素钠换成各种浓度的荧光增白剂，并对溶液中的荧光素钠和荧光增白剂的浓度进行测试。

3 结果与分析

3.1 单一示踪剂浓度梯度试验分析

为了对野外荧光示踪仪的可靠性进行判定，在单试剂的条件下对各示踪剂进行了浓度梯度试验，其试验结果见图2。

图2 示踪剂平均测试浓度与标准溶液浓度的关系曲线Fig.2 Relationship curves between tracer test concentration and real concentration

由图2可见，单试剂的条件下各示踪剂的平均测试浓度与各示踪剂配置的标准溶液浓度均呈线性关系，说明该示踪仪的测试结果可靠。

3.2 荧光增白剂与荧光素钠混合干扰试验分析

以某一浓度的荧光增白剂标准溶液作为本底溶液，分别与不同浓度梯度的荧光素钠标准溶液等体积均匀混合后，可得到荧光增白剂测试浓度并绘制其测试浓度随荧光素钠浓度梯度的变化曲线，见图3。

图3 某浓度的荧光增白剂测试浓度随荧光素钠浓度梯度的变化曲线Fig.3 Change curves of the test concentration of a certain concentration of fluorescent brightener CBS-X with the concentration gradient of sodium fluorescein

由图3可见，荧光增白剂的测试浓度会随着荧光素钠浓度的增加而增加，且其相关系数和斜率均较大，说明荧光素钠会对荧光增白剂浓度的测定产生较大的干扰。

以某一浓度的荧光素钠标准溶液作为本底溶液，分别与不同浓度梯度的荧光增白剂标准溶液等体积均匀混合后，可得到荧光素钠测试浓度并绘制其测试浓度随荧光增白剂浓度梯度的变化曲线，见图4。

图4 某浓度的荧光素钠测试浓度随荧光增白剂浓度梯度的变化曲线Fig.4 Change curves of the test concentration of sodium fluorescein of a certain concentration with the concentration gradient of fluorescent brightener CBS-X

由图4可见，荧光素钠的测试浓度基本不会随着荧光增白剂浓度的变化而变化，且其相关系数和斜率均很小，说明荧光增白剂不会对荧光素钠浓度的测定产生干扰。

3.3 荧光增白剂与罗丹明混合干扰试验分析

以某一浓度的罗丹明标准溶液作为本底溶液，分别与不同浓度梯度的荧光增白剂标准溶液等体积均匀混合后，可得到罗丹明测试浓度并绘制其测试浓度随荧光增白剂浓度梯度的变化曲线，见图5。

图5 某浓度的罗丹明测试浓度随荧光增白剂浓度梯度的变化曲线Fig.5 Change curves of the test concentration of rhodamine of a certain concentration with the concentration gradient of fluorescent brightener CBS-X

由图5可见，罗丹明的测试浓度基本不会随着荧光增白剂浓度的变化而变化，且其相关系数和斜率均很小，说明荧光增白剂不会对罗丹明浓度的测定产生干扰。

以某一浓度的荧光增白剂标准溶液作为本底溶液，分别与不同浓度梯度的罗丹明标准溶液等体积均匀混合后，可得到荧光增白剂测试浓度并绘制其测试浓度随罗丹明浓度梯度的变化曲线，见图6。

图6 某浓度的荧光增白剂测试浓度随罗丹明浓度梯度的变化曲线Fig.6 Change curves of the test concentration of a certain concentration of fluorescent brightener CBS-X with the concentration gradient of rhodamine

由图6可见，罗丹明不会对荧光增白剂浓度的测定产生干扰。

3.4 荧光素钠与罗丹明混合干扰试验分析

以某一浓度的罗丹明标准溶液作为本底溶液，分别与不同浓度梯度的荧光素钠标准溶液等体积均匀混合后，可得到罗丹明测试浓度并绘制其测试浓度随荧光素钠浓度梯度的变化曲线，见图7。

图7 某浓度的罗丹明测试浓度随荧光素钠浓度梯度的变化曲线Fig.7 Change curves of thetest concentration of rhodamine of a certain concentration with the concentration gradient of sodium fluorescein

由图7可见，罗丹明的测试浓度会随着荧光素钠浓度的增加而增加，且其相关系数和斜率均较大，说明荧光素钠会对罗丹明浓度的测定产生较大的干扰。

以某一浓度的荧光素钠标准溶液作为本底溶液，分别与不同浓度梯度的罗丹明标准溶液等体积均匀混合后，可得到荧光素钠测试浓度并绘制其测试浓度随罗丹明浓度梯度的变化曲线，见图8。

图8 某浓度的荧光素钠测试浓度随罗丹明浓度梯度的变化曲线Fig.8 Change curves of thetest concentration of sodium fluorescein of a certain concentration with the concentration gradient of rhodamine

由图8可见，荧光素钠的测试浓度会随着罗丹明浓度的增加而增加，且其相关系数和斜率均较大，说明罗丹明会对荧光素钠浓度的测定产生较大的干扰。

为了分析产生这种现象的原因，本次进行了单一示踪剂浓度梯度试验，结果发现：原本只加入荧光素钠的溶液中检测到了罗丹明和荧光增白剂，且罗丹明、荧光增白剂的测试浓度也是随着荧光素钠浓度的增加而增加，两者之间的线性关系明显(见图9)；原本只加入罗丹明的溶液中检测到了荧光素钠，且荧光素钠的测试浓度也随着罗丹明浓度的增加而呈直线增加，而荧光增白剂的测试浓度不受罗丹明的干扰(见图10)。这与两者混合干扰试验的结果一致，说明荧光素钠会对荧光增白剂浓度的测定产生干扰，且荧光素钠与罗丹明之间也会产生相互干扰。

图9 荧光素钠对荧光增白剂和罗丹明测试浓度的干扰Fig.9 Effect of sodium fluorescein on the test concentration of fluorescent brightener CBS-X and rhodamine

图10 罗丹明对荧光素钠和荧光增白剂测试浓度的干扰Fig.10 Effect of rhodamine on the test concentration of sodium fluorescein and fluorescent brightener CBS-X

3.5 讨论

根据示踪仪的检测原理，各种示踪剂的浓度都是通过过滤器检测各种示踪剂最佳发射波长的强度最终转化而来，而荧光素钠、罗丹明和荧光增白剂3种示踪剂在受到激发后会产生不同波长、强度的发射光，这三种荧光示踪剂的发射光谱分布情况见图11。

图11 荧光示踪剂发射光分布图Fig.11 Emission spectrum of fluorescent tracer

由图11可见，荧光素钠、罗丹明、荧光增白剂的最佳发射波长分别为520 nm、580 nm、438 nm，但是在受到激发时，还会产生其他波长的波，如：当荧光素钠受激发时，会发射包含438 nm和580 nm的发射光，这两种发射光会被示踪仪接受并作为荧光增白剂和罗丹明进行浓度计算；同样，当罗丹明受激发时，会发射包含520 nm的发射光而被示踪仪接受并作为荧光素钠进行浓度计算；而荧光增白剂受到激发时，只会产生波长小于500 nm的发射光，不会对荧光素钠和罗丹明浓度的测定产生干扰。

为了消除由于示踪仪错误识别产生的影响，需要将混合试验的荧光增白剂测试浓度减去利用单一示踪剂浓度梯度试验公式计算得到的各种浓度干扰值，并将其测试浓度通过单一示踪剂浓度梯度试验公式转换为换算浓度进行对比。

以荧光增白剂与荧光素钠的混合干扰试验为例，修正后荧光增白剂的换算浓度为荧光增白剂的测试浓度减去由于荧光素钠带来的干扰Δc=0.378x+0.022 2(其中x为荧光素钠的换算浓度)。图12为修正后荧光增白剂的换算浓度。

图12 修正后荧光增白剂的换算浓度Fig.12 Effect of sodium fluorescein on the test concentration of fluorescent brightener CBS-X after treatment

由图12可见，经过修正后，荧光增白剂的换算浓度接近真实浓度。但当溶液中同时含有荧光素钠和罗丹明时，两种示踪剂都会产生另一种示踪剂最佳发射波长的发射光，因而修正较为困难。

4 结 论

本文采用国内市场上常见的荧光素钠、罗丹明、荧光增白剂在室内实验的条件下采用野外荧光示踪仪进行浓度测定的混合干扰试验。试验结果表明：荧光素钠会对荧光增白剂浓度的测定产生干扰，荧光素钠与罗丹明之间也会相互干扰，其原因为其发射光谱之间存在重叠，使得示踪仪误认为接收到了其他示踪剂；而荧光增白剂与罗丹明之间发射波长相差较远，因而两者之间不会产生相互干扰，为进行多元示踪实验的首选示踪剂；同时可采用荧光增白剂与荧光素钠进行组合投放，并利用上述公式进行修正(但可能不同厂家生产的试剂的修正关系不同)，可得到修正后较为准确的各示踪剂的浓度，而荧光素钠与罗丹明之间会产生相互干扰，其修正较为困难，不建议同时使用这两种示踪剂进行示踪实验。