FESE：2020年第2期发表封面文章中国科学院大学肖康团队的《三维荧光光谱对膜生物反应器中有机物的表征：原理、方法和应用》
原文链接：
http://journal.hep.com.cn/fese/EN/10.1007/s11783-019-1210-8
题目：
Excitation-emission matrix (EEM) fluorescence spectroscopy for characterization of organic matter in membrane bioreactors: Principles, methods and applications
三维荧光光谱对膜生物反应器中有机物的表征：原理、方法和应用
作者：
Jinlan Yu (余金兰) 1, Kang Xiao (肖康) ( ✉ ) 1,2,3, Wenchao Xue (薛文超) 4, Yue-xiao Shen (沈悦啸) 5, Jihua Tan (谭吉华) 1, Shuai Liang (梁帅) 6, Yanfen Wang (王艳芬) 1,2, Xia Huang (黄霞)3,7
作者单位：
1 College of Resources and Environment, University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
2 CAS Center for Excellence in Tibetan Plateau Earth Sciences, Beijing 100101, China
3 State Key Joint Laboratory of Environment Simulation and Pollution Control, School of Environment, Tsinghua University, Beijing 100084, China
4 School of Environment, Resources and Development, Asian Instituteof Technology, Klong Luang, Pathumthani 12120, Thailand
5 Department of Civil, Environmental, and Construction Engineering,Texas Tech University, Lubbock, TX 79409, USA
6 College of Environmental Science and Engineering, Beijing Forestry University, Beijing 100083, China
7 Research and Application Center for Membrane Technology, School of Environment, Tsinghua University, Beijing 100084, China
关键词：
excitation-emissionmatrix (EEM), dissolved organic matter (DOM), membrane bioreactor (MBR), fluorescence indicator, characterization method
三维荧光光谱(EEM)，溶解性有机物(DOM)，膜生物反应器 (MBR)，荧光指标，表征方法
系统概述了三维荧光光谱(EEM)的原理和方法；
从EEM中可提取荧光团的峰位置/强度/分区/组分/能量信息；
EEM荧光指纹可指示DOM的物理/化学/生物学特性；
EEM可用于追踪污染物的迁移转化规律和解析膜分离/膜污染机制；
EEM在DOM的表征方面还有很大的发展空间。
膜生物反应器(MBR)作为生物处理和膜分离技术的耦合体，在污水处理中应用广泛。MBR系统中的溶解性有机物(DOM)与污泥混合液理化性质、生物反应状态以及膜分离行为均有密切联系，牵连甚广。因此DOM的快速监测对于MBR的精密监控与优化运行具有重要意义。然而常规测试DOM浓度与性质的方法往往繁琐耗时，不利于在线监测；相比之下，三维荧光光谱法(EEM)快速、灵敏、无损、选择性强、信息量大，极具开发价值。
本文系统梳理了EEM的基本光谱学原理、海量荧光信息的提取方法、可用于反映DOM性质的荧光指标、在MBR以往研究中的种种应用，以及今后有何提升空间与用武之地。
基本原理：荧光基团吸收光后，电子被激发至高能态，经过一系列的能量损耗行为之后（振动弛豫、内部转化和其它非辐射损耗），回到基态并释放荧光。此过程的激发波长、发射波长和量子产率等性质因荧光基团的结构和化学环境不同而不同，导致荧光指纹各异。DOM成分复杂，蛋白和腐殖质片段通常具有较高的荧光活性，多糖往往由于与不饱和基团杂合，也携带一定荧光片段。在不同的激发和发射波长下扫描荧光强度，得到强度-波长-波长的三维指纹图谱，即为EEM。
数据处理：EEM在扣除纯水背景后，经过一系列的数学处理剪除瑞利散射和拉曼散射的杂音信号，校正荧光内滤效应，再以纯水的拉曼峰为标尺，得到标准化的荧光强度数据。进而可提取荧光峰位置、峰强度、峰强度比值、荧光波长区域分布等基本信息，荧光主成分、荧光主因子等进阶信息，以及激发态能级、斯托克斯位移、荧光量子产率、荧光寿命等与能量有关的深层信息。
荧光指标：从EEM中提取的荧光信息，可用于反映DOM的各种性质，包括有机质浓度（TOC、COD、BOD、TN和UV254等水质指标），化学组成（类蛋白质、类腐殖酸、类富里酸等），物理性质（亲疏水性、分子量、相分配特性等），化学性质（氧化还原特性、消毒副产物生成潜势等），以及生物性质（有机质的生物源贡献、生物可降解性等）。
EEM被广泛应用于MBR研究，包括工艺过程中污染物的时空分布特征与迁移转化规律、工艺条件优化、膜截留特性诊断、膜污染机理探索和膜污染控制效果评价等方面。EEM是表征MBR中DOM的有力工具，多年来备受研究者青睐。但是已有研究大多局限在使用荧光峰和荧光主成分来表征DOM。实际上EEM中蕴含的荧光指纹信息还有很多值得探索，如量子产率、斯托克斯位移、激发态能级和荧光寿命等，这为EEM监测技术的发展提供了极大的上升空间。将EEM指标对DOM性质的表征上升到定量或半定量层次，提升可靠性和重现性，是值得努力的方面。在应用层面，何时EEM能活跃于污水厂在线监测系统，未来可期。
综上所述，EEM可用于快速灵敏地监测DOM的各类性质，在MBR的研究与应用中将大有可为。
肖康，中国科学院大学资源与环境学院副教授，中科院青年创新促进会会员，中科院青藏高原地球科学卓越创新中心青年骨干。主要从事水环境污染控制、污水处理与资源化、膜分离技术与原理、污染物监测等方面的研究。近年来针对膜法水处理中的膜污染问题，开展了数学建模、统计分析、机理探索、过程优化等方面的研究；探索荧光等光谱学指标，对天然水体、微生物代谢产物以及大气颗粒物中的潜势污染物的赋存状态及归趋规律进行指示；发表学术论文70余篇。担任中科院本科生课程《环境数据分析导论》和研究生课程《环境数据的统计学分析方法》主讲。