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三維螢光光譜與環境有機物的監測

103/01/09 17601

邱俊彥｜大仁科技大學環境管理研究所

賴文亮｜大仁科技大學環境管理研究所

環境汙染物的複雜性

隨著產業發展，在產品日趨多元下，使得製程中應用大量而複雜的有機化合物和溶劑。雖然生產單位有汙染防治的設備，但部分原物料或半成品還是可能流入環境中，使得環境汙染物的成分變得複雜，更難以處理。有些汙染物甚至具有毒性和致癌性，嚴重威脅人類的健康。

為了有效整治和監控這些汙染物，環境專業人員必須投入更大心力在環境汙染物的分析上，從採樣、樣品運送、樣品前處理、目標成分的純化和分析等整個程序，常需耗費大量人力、物力與時間。因此，減少樣品前處理、快速而準確的分析方法，一直是環境分析領域發展的目標。螢光光譜儀由於具有高靈敏度、快速、再現性佳、樣品不受破壞和需要量少等特點，近年來已成為環境分析學家積極發展的分析儀器。

螢光光譜分析的原理

自19世紀初發現化合物的螢光現象，隨後針對螢光化合物分析而設計螢光光譜測定儀，發展至今已有數十年的歷史，目前已成為分析有機物的重要儀器。

一些有機物由於特殊的分子結構，當經由光（通常是紫外光和可見光）的照射，分子會吸收特定波長的光後，隨即放射出特定能量的光，這就是分子的螢光現象。螢光物質發生螢光過程的理論基礎，可用分子軌域能階圖來描述，並分為4個步驟：

處於基態最低振動能階的螢光物質分子受到光的照射，吸收了和它所具有特徵頻率的光線，躍遷到第一電子激發態或第二電子激發態的各個振動能階。
被激發到第一電子激發態或第二電子激發態的各個振動能階的分子，通過無輻射躍遷，降落到第一電子激發態的最低振動能階。
降落到第一電子激發態的最低振動能階的分子，繼續降落到基態的各個不同振動能階，同時發射出相應的光量子，即螢光。
到達基態的各個不同振動能階的分子，再通過無輻射躍遷，最後回到基態的最低振動能階。

發生螢光的第一個必要條件是，物質分子的電子躍遷能階必須具有和所照射光線相同的頻率（能量）。第二個必要條件是第3步驟必須充分進行，因為處於激態的分子容易受外在因素，如溶劑分子或其他溶質分子的碰撞失去能量，循其他途徑以非輻射躍遷方式回到基態。

螢光分子吸收特定波長的光（稱為激發波長）及所放射光的波長‭ ‬（稱為發射波長）和分子結構有關，是螢光分子的特徵資料，可做為分子定性的重要依據。而相同物質所放射螢光的強度在低濃度範圍內和其濃度成正比，這是螢光光譜定量的基礎。因此激發波長、發射波長和螢光強度是螢光光譜分析的重要參數，螢光光譜儀就是依這3種測定參數而設計出來的。

螢光光譜儀只能測定具有螢光的化合物，這些產生螢光的分子在分子結構上通常具有共軛雙鍵，且共軛雙鍵的結構延展愈長，發光強度愈強。例如，具有芳香結構的芳香族化合物大部分都有螢光的特性，而多環芳香族化合物（如萘）較單環芳香族化合物（如苯）有較強的發光強度。螢光分子在有機物中所占的比率並不算高，因而限制了螢光光譜儀的應用，相對地也使螢光光譜儀具有高度選擇性，在分析上受到其他有機物的干擾較少，對於分析特定有機物，較其他方法有很大的優勢。

三維螢光光譜的分析原理及特點

早期螢光化合物的分析，通常先以紫外光和可見光光度計掃描，尋找吸收最大的波長，螢光光譜儀依據這吸收波長做為激發光的波長，進行發射光波長和強度的測定。但隨著螢光光譜儀的元件不斷改進，發展至今已可以利用不同激發波長連續掃描，同時測定發射光波長和強度。因此，可得到發射光強度對應激發波長和發射波長的數據，也就是說，發射光強度是激發波長和發射波長的函數。

以發射光強度為縱座標，激發波長和發射光波長為兩個橫座標的三維座標方式，把這些數據繪圖呈現出來，這就是三維螢光圖譜。三維螢光圖譜又可以強度等高線的方式呈現，也就是把發光強度相同的點連成線的立體三維圖譜，投影在激發波長和發射光波長二維座標上呈現，這種螢光圖譜因比較容易辨認波峰的位置而常使用。

當分析樣品含有結構相近的螢光分子時，它們的波峰光譜圖會部分重疊，在定量上有嚴重誤差。因此螢光光譜儀常搭配液相色層分析儀使用，先以液相色層分析儀分離成分後，再以螢光光譜儀做為偵檢器，然而這種分析方法需花費時間在成分分離條件的測試上。

由於三維螢光光譜可測得豐富的資料，這些資料包含發射光強度、激發波長和發射波長，可用三維矩陣方程式呈現。許多化學分析學者運用電腦和適合的統計數學模式解析這矩陣方程式，總稱為化學計量法（chemometrics），進而把螢光光譜圖重疊的波峰分離辨認並準確定量。這種以數學分離取代化學分離的方法，使三維螢光光譜的應用方便而快速。

由於三維螢光光譜儀具有高靈敏度、高選擇性、樣品使用量少、無需化學分離的前處理、簡單、快速而準確等特性，已受到分析學家的青睞，廣泛應用於環境汙染物、藥物、食品、生物醫學等的檢測上。

應用三維螢光光譜於水環境

自然有機物特性的探索　由於水的樣品不需做太多前處理，可直接在螢光光譜儀中測定，螢光光譜儀在環境分析上，以測定自然水體中的天然有機物為主，包含可溶解和不溶解的有機物。

溶解性有機物質一直是環境學家研究的重點，它是水環境生態食物鏈中最底層生物（如細菌、藻類等浮游生物）的食物，攸關水中生態的穩定性。水體中溶解性有機物質的來源，分為外部輸入和內部產生。外部輸入主要包括城市汙水和工業廢水排入、地面逕流和淺層地下水從土壤滲透排入、降雨和養殖等排入的有機物；內部產生包括由生長在水體中的生物群體所產生和底泥所釋放的有機物。

溶解性有機物質所含成分複雜，並隨環境因素（如季節、汙染、溫度、地域等）變動而改變，為了了解這些物質在環境中如何變化，許多學者以三維螢光光譜儀分析水體中的有機物，以了解其特性和來源。

他們發現在螢光光譜圖的發光基團中，可分為類腐植質與類蛋白兩類。類腐植質發光基團主要由腐植酸（humic acid）、黃酸（fulvic acid）等構成，它們是外部輸入，由沿岸土壤溶解到水中的腐植質和內部浮游動、植物釋放的有機物，經細菌進一步分解產生的。類蛋白發光基團主要由蛋白質、胺基酸等構成，它們來自外部和內部輸入的微生物生命活動。

不同區域水體由於環境差異，相同有機物的發光基團在圖譜中的位置和強度也有所差異，因此可建立各區域水體的特徵圖譜。當外在環境改變，如汙染，藉由圖譜改變的分析可判定汙染的來源和特性。三維螢光光譜可做為一區域水環境的特徵，猶如人類的指紋圖譜可做為一個人身分的特徵，已成為探索水環境特性的重要工具。

線上監測水質　由於三維螢光光譜儀具有高靈敏度、高選擇性、簡單快速而準確的特性，若搭配快速電腦處理光譜數據，可發展成線上偵測儀器，連續監控水環境的水質。1995年，Babichenko等人曾利用螢光光譜儀在水和廢水處理單元中做為線上偵測工具，進行溶解性有機物處理過程中性質和數量變化的研究，這方法可減少人力和時間的耗費，同時能降低水廠的操作成本。

探討有機物對水處理單元的影響　水中所含有機物常會影響水處理程序的操作效能，包括混凝加藥量、快濾床操作、臭氧活性碳、薄膜阻塞、配水管線生物膜的滋生等問題。在加氯消毒程序中，由於有機物的存在，會衍生鹵化反應而產生三鹵甲烷、鹵化醋酸等消毒副產致癌化合物，在自來水處理程序中成為一個嚴重的問題。藉由加氯前、後三維螢光光譜儀的分析，可了解不同有機物產生的消毒副產物種類的差異，並經由有機物性質的控制，可減少消毒產物的形成量。

2010年，薛爽等人曾進行哈爾濱汙水處理廠二級處理出水的氯化研究，以三維螢光光譜儀探討溶解性有機物質的組成，在氯化過程中螢光特性的變化。研究發現，溶解性有機物質中的類腐植酸螢光物質、類溶解性微生物代謝產物螢光物質和類芳香族蛋白質螢光物質參與了氯化反應。

薄膜過濾是飲用水處理常用的程序，它的最大瓶頸是阻塞問題。不同特性的有機物對薄膜過濾的阻塞程度不同，藉由三維螢光光譜儀的分析，可探討不同有機物的阻塞效應的差別，進而採取解決的方法。

2010年，Ramila等人曾以主成分分析法解析處理程序進出水中天然有機物質的三維螢光光譜，確認引起生物過濾、超過濾、奈米過濾等飲用水處理程序中阻塞的機成分。這種方法對於早期偵測和預警薄膜阻塞，有很大的應用潛力。

應用於汙染監測　空氣、土壤和地下水中的有機物汙染，以多環芳香烴（polycyclic aromatic hydrocarbons‭, ‬PAHs）最受關切。多環芳香烴是包含兩個或兩個以上的芳香環（如苯環）相連結的碳氫化合物，存在於環境中的已知有一百多種，其中18種已證實有致癌性，來源大多是由有機物質的不完全燃燒或化石燃料的使用過程所產生，因此石化廠、火力發電廠、垃圾焚化廠、汽機車和工廠排放廢氣等是主要汙染源。

在汙染源鄰近區域的空氣、土壤和地下水受到多環芳香烴汙染的可能性很大，汙染途徑主要是廢氣傳播。而土壤中的汙染物會經由農作物、動物被人體吸收，也可能經滲透流入地下水，嚴重危害人體健康。因此汙染源鄰近區域的空氣、土壤和地下水的多環芳香烴監測，是環境保護單位現階段的重點工作。

傳統上對於多環芳香烴的分析，大部分採用氣相層析—火焰離子化偵測器、氣相層析質譜儀、高效能液相層析儀配合螢光∕紫外光偵測器。氣相層析質譜儀雖然準確，但儀器費和操作維護費昂貴，且需費時於樣品成分的分離。由於多環芳香烴都有螢光基團，許多學者以三維螢光光譜儀配合適用的統計數學模式的數據處理，致力於多環芳香烴的分析研究。

1997年，Roch曾利用化學計量方法中的秩消因子分析法，解析15種多環芳香烴的三維螢光數據，證明這種方法能克服實際樣品中腐植酸的干擾，以消除雜散光的干擾。

Cao等人曾在2000年利用雙對角化懲罰損失函數的平行因子分析法，解析萘、1-萘酚、2-萘酚等三維混合螢光數據陣列，證明可直接測定廢水中的這3種有機化合物。

Wentzell等人曾在2001年利用三線性分解算法，進行多環芳香烴1,2-苯并（fluoranthene）、蒽（anthracene）、芘（pyrene）及2,3-苯并茀（2,3-benzofluorene）4種物質三維螢光數據的同時解析，並能準確定量。

張卉楓等人則於2007年分別使用平行因子分析算法和自加權交替三線性算法等化學計量學二階校正方法，解析並定量土壤萃取液中蒽和菲的三維螢光數據。

這些研究證明三維螢光光譜儀配合適用的統計數學模式的數據處理，在多環芳香烴的分析上是可行的。且以數學分離代替樣品成分分離，可減少分析所花費的時間和金錢，有很大的發展潛力。

愈來愈多的環境有機物分析學者利用有機物的三維螢光光譜儀產生的矩陣資料，配合不同的數學統計模式解析有機物性質，甚至發展嵌入式處理器進行多維資料矩陣分析，顯示這技術的發展有它的未來性。相信不久，在分析化學中，對複雜組成成分的定性和定量分析儀器的開發會有更大的突破。螢幕，成了當紅炸子雞。

不過提到液晶螢幕的影像顯示效果，傳統的陰極射線真空管仍有很大的優勢，它的反應時間、色彩表現力、明暗對比度都比較好。目前許多學者都設法提升液晶螢幕在這方面的功能，長庚大學光電工程研究所吳國梅教授則在「反應時間」這方面的特性有深入的研究。

反應時間是指像素由暗轉亮，再由亮轉暗所需要的時間，主要由外加電壓與液晶分子排列的變化來決定其速度，越短越好。目前陰極射線真空管的反應時間只有1毫秒，相對於人眼視覺暫留的極限而言已相當不錯。但液晶顯示器是透過液晶的扭轉來體現明暗變化，這種扭轉過程需要時間，因此反應時間較長，通常需要8至16毫秒左右。如果只是簡單的文書處理和檔案編輯，應答速率還不需要太嚴格的要求，但若是玩電腦遊戲或是看快速動畫影片時，同樣的速率就會有拖尾、殘影等問題。未來如繼續朝3D立體影像發展，則需要有更高的要求。

1993年，伯斯（P.J‭. ‬Bos）和尤區達（Tatsuo‭ ‬Uchida）提出「光學補償彎曲模式」，運用這技術可讓液晶分子在平面內彎曲排列，使光產生雙折射，具寬視角及快速反應的特性。但這項技術的液晶分子從展開到彎曲的過程中是不連續的，因此必須克服轉態過程中所消耗電壓和時間的問題。

吳教授最大的突破在於利用微奈米製程技術製作複合式的配向薄膜結構，藉由圖騰化的垂直配向液晶高分子柱，來操控顯示器內的液晶分子排列，進而獲得適當的中度預傾角，使得顯示器在受到電場操控時的轉態反應時間可以縮短，同時克服液晶分子因排列轉換上的不連續所造成的暖機時間過長、驅動電壓過高等問題，進一步達到節能減碳、增長元件壽命的效果。

這項技術在預傾角度調控上也能有比較大的範圍，連在三、四十度的時候都可以利用電壓控制，如此就可以決定光通量的多寡，亮暗態也就較能自由操控。不過，吳教授也坦言，目前在應答速率的提升上雖有不錯的效果，但在暗態還是會有些微的光量通過，因此明暗對比度會比較差，這方面的問題還要想辦法解決。

吳教授在這研究過程中也發現，量產應用的關鍵在於材料，目前這類材料由國外合成，價格不斐。吳教授希望能與材料合成領域的專家學者或業界合作，自行開發具有相同光學特性的創新材料，以降低製作成本，在後續技術發展上才會有更好的機會。同時，由於這類材料具有導光特性，未來不僅可運用在液晶顯示器上，在其他發光元件或太陽能電池方面也有應用價值。

資料來源

《科學發展》2014年1月，493期，66 ~ 71頁

螢光(6) 光譜儀(5) 科發月刊(5210)

三維螢光光譜與環境有機物的監測

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