紫外荧光双通道光源信号水质监测传感器

自然水体中的溶解性有机物，特别是腐殖质类和蛋白类等物质，参与光化学反应、 污染物迀移转化、微生物活动和碳循环等地球生物化学过程。在饮用水和污水处理过程中， 溶解性有机物是主要的去除对象。特别是在饮用水处理过程中，腐殖质类和蛋白类物质是 氯化消毒工艺中重要的消毒副产物前驱体，并影响输送管道中细菌的滋生。溶解性有机物 的组成和性质，对活性污泥、混凝、膜过滤、高级氧化、吸附与离子交换等工艺的处理效果均 具有重要影响。由于水质波动，各种水处理工艺在实际运行过程中存在药剂、能源和材料的 过度消耗或不足的问题。因此在给排水领域，迫切需要一种灵敏、快速、高效、经济、简易的 在线监测传感器，以便实现水处理过程中的节能减排和输配水过程的水质预警。

LED发光二极管为光源的紫外荧光双信号水质监测传感器及其应用方法，属于环境监测和水处理领域。本发明的一种以LED发光二极管为光源的紫外荧光双信号水质监测传感器，由样品采集部分和检测部分组成。本发明的应用方法，是根据三维荧光图谱选择特定波长的深紫外LED灯光源和光电探测器组件，对特定波长的荧光强度和紫外吸收进行同时检测，并计算荧光强度与对应的紫外吸收之间的比值。本发明具有无化学试剂消耗，可以实现对水体中溶解性有机物总体浓度变化的监测，同时可以反映蛋白类或腐殖质类等荧光组分浓度的变化，为水处理提供一种灵敏、快速、高效、经济、简易但信息丰富的在线监测传感器。 目前对水体中溶解性有机物进行监测分析的常用方法主要包括：化学需氧量 (Chemical Oxygen Demand,C0D)、总有机碳（total organic carbon，T0C)、紫外光谱、三维 荧光光谱。与COD和TOC方法相比，光谱法无需化学试剂，且快速、灵敏、方便，更适合为自动 化水处理系统提供在线负反馈信号。目前一些特定波长的紫外吸收值，如254nm，280nm等， 被广泛用于对溶解性有机物的定量研究。部分溶解性有机物在吸收特定波段的紫外光后会 发生电子跃迀，在电子从激发态落回到基态的过程中发出特定波长的荧光。由于水体中蛋 白类和腐殖质类物质所固有的荧光特性，近年来三维荧光光谱在对各类水体中溶解性有机 物的表征方面得到广泛运用。但三维荧光光谱是一系列物质荧光信号的重合叠加，当前的 解释普遍认为不同激发/发射波长位置的荧光峰是代表不同种类的物质。我们运用高效液 相色谱或体积排阻色谱结合多波长紫外吸收和多激发或多发射荧光扫描技术，发现：（1)同一种物质可以产生具有相似发 射波长但激发波长不同的荧光峰，（2)腐殖质类物质会由于含有苯胺、苯酚类结构而同时具 有与蛋白类物质相似的荧光峰，（3)自然水体和生活污水中对>240nm紫外光有吸收的物质 主要是蛋白类或腐殖质类物质。对三维荧光光谱的正确解释是选择在线监测传感器中合适的 激发/发射波长的基础。相对于紫外法，荧光法具有更 高的选择性和灵敏度，特别是可以有效反映水体中腐殖质和蛋白类荧光团的丰度变化，但 目前以LED灯为光源的荧光检测专利主要以叶绿素或石油为监测对象其采用的激发和发射波长均较高，未能对水处理过程中所关心的蛋白 类和腐殖质类物质进行有效监测。
紫外吸收与荧光信号的关系为:有荧光的物质必然有紫外吸收，但有紫外吸收的 物质未必有荧光。比如苯胺和硝基苯都因含有苯环对深紫外光有吸收，但只有苯胺产生荧 光，氨基为给电子基团，硝基为吸电子基团，因此苯胺和硝基苯具有截然不同的氧化还原性 质，在水处理中的高级氧化、氯化消毒的化学处理工艺中会形成不同的反应产物，表现出不 同的行为。水体中溶解性有机物组分复杂且不同物质具有不同的荧光光谱和荧光效率，荧 光法只能相对地反映荧光类物质浓度的变化趋势，通过荧光信号与紫外信号比值的变化可 以进一步反映出芳香类物质氧化还原特性的变化。因此综合利用紫外法的普适性与荧光法 的选择性，对紫外与荧光信号同时监测，并计算不同波长的荧光强度之间、荧光强度与对应 的紫外吸收之间的比值来进行定性和定量分析，可以更好地反映溶解性有机物组分和浓度 的动态变化。目前尚缺乏以深紫外LED为光源同时探测紫外和荧光信号的在线水质监测装 置。针对现有技术中存在的紫外法难以反映蛋白类和腐殖质类溶解性有机物的变化 趋势，而荧光法难以反映溶解性有机物总浓度变化的问题，本发明提供了一种以LED发光二 极管为光源的紫外荧光双信号水质监测传感器及其应用方法。它可以实现对水体中溶解性有 机物总体浓度变化的监测，同时可以反映蛋白类或腐殖质类等荧光组分浓度的变化，为水 处理提供一种灵敏、快速、高效、经济、简易但信息丰富的在线监测传感器。