CN108489952B - 三维荧光光谱结合二次微分检测水体溶解性有机物的方法 - Google Patents

三维荧光光谱结合二次微分检测水体溶解性有机物的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种三维荧光光谱结合二次微分检测水体溶解性有机物的方法，此方法包括以下步骤：步骤1，通过荧光光谱仪测定水体的三维荧光光谱，获取紫外到可见光波段的三维荧光光谱数据；步骤2，将三维荧光光谱的拉曼和瑞丽散射峰去除；步骤3，对三维荧光光谱进行二次全微分处理；并将二次全微分处理后的正值变为0；步骤4，将溶解性有机物的TOC值和荧光光谱的二次全微分值进行相关分析，获取不同特性的溶解性有机物的TOC浓度和荧光光谱最高峰值的相关关系，实现对水体中有机物种类和浓度的快速检测。本发明提出的方法对样品数量没有要求，具有灵敏度高、不破坏样品、操作简单、方便推广和应用等优点。

Description

三维荧光光谱结合二次微分检测水体溶解性有机物的方法
技术领域
本发明属于环境工程废水水质检测的技术领域，特别指一种三维荧光光谱结合二次微分检测水体中溶解性有机物的方法。
背景技术
溶解有机物质存在于各种水生生态系统中，它被定义为包含具有宽范围分子量和化学性质的化合物的复杂且不均匀的混合物。作为一种重要的水质指标，溶解性对于金属的毒性、土壤的生物活性和废水处理性能都至关重要。因此，研究在水体中溶解性有机物的性质是环境领域的重大课题。
目前三维荧光法被广泛应用于水体中溶解性有机物的测定。然而因为各种类型的荧光体的峰值相互重叠，溶解性有机物水样的荧光光谱不容易识别。平行因子法广泛应用于对荧光光谱重叠峰的分析。然而当样品数量过少，或者样品的荧光峰值相互差别过大时，平行因子分析法会失效，分析结果变得不可信。
本研究将二次微分技术应用于三维荧光光谱的分析中，该方法不受样品数量的限制，而且样品之间的差异不会造成结果出现偏差。用该方法可以对废水和天然水体中的溶解性有机物进行检测。本发明的方法可检测溶解性有机物，不仅准确率高，而且方法操作简单、方便推广和应用。
发明内容
在对水体中溶解性有机物的检测和分析过程中，经常会遇到定性难的问题。针对这种情况，本发明提出一种三维荧光光谱结合二次微分检测水体中溶解性有机物的方法。
本发明的目的，是提供一种不受样品数量限制、准确有效、非破坏性的溶解性有机物检测方法，具体为：
一种三维荧光光谱结合二次微分检测水体溶解性有机物的方法，其特征在于该方法所包含以下步骤：
(1)首先通过荧光光谱仪测定水样的三维荧光光谱，获得紫外到可见光波段的三维荧光光谱数据；
(2)去除三维荧光光谱的拉曼和瑞丽散射峰；
(3)对三维荧光光谱进行二次全微分处理，并将二次全微分处理后的正值变为0；
(4)将溶解性有机物的TOC值和荧光光谱的二次全微分值进行相关分析，建立模型，获取不同特性的溶解性有机物的TOC浓度和荧光光谱的最高峰值的相关关系，实现对水体中有机物种类和浓度的快速检测。
其中，步骤1)中，所测定水样首先须通过0.45μm滤膜过滤后方可测定；测定水样的TOC浓度要求稀释至0.01～5ppm；水体中铜离子、汞离子等重金属离子浓度不得高于20ppb；水样的pH值不受限制。测定时，荧光光谱仪的发射和激发波长波段均设置为200～600nm；发射和激发波长每一相同间隔取样，步长设置为1～5nm；扫描速度为600～1200nm/min。
步骤3)中，包括基于最小二乘法，采用二维的Savitzky–Golay法对三维荧光光谱进行平滑处理，具体为：三维荧光光谱5nm×5nm的数据块进行多项式拟合，通过最小二乘法确定a0,a1,a2,a3,a4和a5；多项式拟合公式为：
z＝a0+a1xi+a2yi+a3xi 2+a4xiyi+a5yi 2。
步骤3)中，将平滑处理后的数据进行二次全微分处理，公式为：
Figure GDA0001696288660000021
式中，x值为激发波长，y值为发射波长，z值为荧光强度值。
该方法可以用腐殖酸样品进行检验，检验模型的准确性并为模型的进一步优化提供数据支撑。
该方法所分析的液体样品可为废水、自来水和天然水体等。
该方法还可用于固体样品有机物的性质分析，所分析的固体样品可为堆肥样品、城市垃圾填埋场固体样品等。
本发明技术方法的优点如下：
(1)与传统的平行因子分析方法相比，本方法对样品的数量没有要求。单一样品也可以测定。
(2)本方法对样品组的差异性没有要求，即使有样品和其他样品峰值有明显偏移，也可以准确进行分析。
(3)本方法对样品没有任何破坏，处理效率高，结果准确。
附图说明
图1是本发明方法的流程图。
图2a是腐殖酸样品的三维荧光谱图。
图2b是图2a二次全微分处理后的谱图。
图3是平行因子分析法获得的腐殖酸样品含有的荧光组分图(C1-C6为六种组分)。
图4a是本发明的方法获得的腐殖酸样品TOC浓度和光谱最高峰值的相关关系图。
图4b是平行因子分析法获得的腐殖酸样品TOC浓度和光谱最高峰值的相关关系图。
图5是利用平行因子分析和二次微分两种方法分析太湖水样的三维荧光光谱图。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施案例进行详细描述。
如图1所示，是本发明方法的流程图。本发明的一种三维荧光光谱结合二次微分检测水体中溶解性有机物的方法，包括以下步骤：
(1)首先通过荧光光谱仪测定水样的三维荧光光谱，获得紫外到可见光波段的三维荧光光谱数据。所测定水样首先须通过0.45μm滤膜过滤后方可测定；测定水样的TOC浓度要求稀释至0.01～5ppm；水体中铜离子、汞离子等重金属离子浓度不得高于20ppb；水样的pH值不受限制。测定时，荧光光谱仪的发射和激发波长波段均设置为200～600nm；发射和激发波长每一相同间隔取样，步长设置为1～5nm；扫描速度为600～1200nm/min。
(2)去除三维荧光光谱的拉曼和瑞丽散射峰。
(3)对三维荧光光谱进行二次全微分处理：包括基于最小二乘法，采用二维的Savitzky–Golay法对三维荧光光谱进行平滑处理，具体为：三维荧光光谱5nm×5nm的数据块进行多项式(公式1)拟合。通过最小二乘法确定a0,a1,a2,a3,a4和a5。
z＝a0+a1xi+a2yi+a3xi 2+a4xiyi+a5yi 2 公式1
再将处理后的数据进行二次全微分处理，具体作法为：将平滑后的数据按照公式2进行二次全微分处理。
Figure GDA0001696288660000041
这里，x值为激发波长，y值为发射波长，z值为荧光强度值。
进行二次微分后，原始EEM谱的所有正值峰变为负值峰。因此，本方法只需要研究负值峰。将所有二次微分后的正值变为0。所得结果的单位是每平方纳米的荧光强度。
(4)将不同溶解性有机物的TOC值和荧光的二次微分值进行相关分析，利用Origin软件(或者MATLAB，SPSS等分析软件)建立模型，获取不同特性的溶解性有机物的TOC浓度和荧光光谱的最高峰值的相关关系。当溶解性有机物样品的TOC值在5ppm以下时，通常不会发生荧光自淬灭现象，相关关系应为线性关系。
该方法可以用腐殖酸样品进行检验，检验模型的准确性并为模型的进一步优化提供数据支撑。
实施例1
采用上述方法用于商品纯的腐殖酸(Sigma Aldrich，St.Louis，MO，USA)的荧光光谱分析，比较传统的平行因子分析和二次微分分析的有效性和可靠性。
(1)将0.40g腐殖酸溶解在400mL氢氧化钾(0.05M)中来制备腐殖酸原液。用0.1M盐酸调节腐殖酸储备溶液的pH值为约8。将腐殖酸储备溶液过0.45μm膜过滤以除去悬浮颗粒。获取初始TOC浓度为318.2mg/L的腐殖酸原液。
(2)将腐殖酸原液稀释至3ppm，测定三维荧光光谱数据。测定时，发射和激发波长均为200～600nm，电压为700V，步长为5nm，扫描速度为1200nm/min。腐殖酸样品的三维荧光光谱图如图2a所示。在腐殖酸样品的原始三维荧光光谱图2a中，各种荧光物质的峰相互累加，在激发和发射波长260/410nm附近形成一个很宽的唯一峰，无法将不同分子量或不同性质的荧光物质进行区分。
(3)将本方法应用于腐殖酸样品的三维荧光光谱原始数据中，对图2a的三维荧光光谱进行二次全微分处理，将原始三维荧光光谱的唯一宽峰分离出六个单独的峰值，结果如图2b所示。经过二次全微分处理后，在激发波长260-275nm处分离出四个荧光峰。在激发和发射波长215/410nm处分离出一个较宽的荧光峰。在激发和发射波长220/300nm处分离出一个小的荧光峰。
(4)将溶解性有机物的TOC值和上述二次全微分后各峰值进行相关分析，利用Origin等软件获取不同特性的溶解性有机物的TOC浓度和荧光光谱的最高峰值的相关关系。如图4a可知，二次全微分后荧光峰值与TOC浓度的线性关系R2可达0.99以上。因此，通过该方法可以确定未知样品的TOC浓度。
(5)作为对比，将平行因子分析法应用于不同TOC浓度的腐殖酸样品中，对腐殖酸样品的成分进行分析，结果如图3所示。对比图2b和图3可知，两种方法分离出的荧光峰位置相互对应。通过全二次微分分离出的在激发波长260–275nm处的四个峰值分别对应于平行因子分析出的成分1(C1),2(C2),4(C4),和3(C3)。通过全二次微分分离出的在激发和发射波长215/410nm以及220/300nm的两个荧光峰对应于平行因子分析出的成分5(C5)和成分6(C6)。因此，全二次微分法和传统的平行因子法的结果是一致的。说明全二次微分法是可靠的。
(6)将溶解性有机物的TOC值和平行因子分析法获得的光谱最高峰值进行相关分析，获取TOC浓度和光谱最高峰值的相关关系，如图4b所示。对比图4a和图4b可知，利用全二次微分获得的TOC浓度与荧光峰值之间的线性关系更佳。
(7)将腐殖酸样品的真实TOC浓度和两种荧光分析方法获得的TOC浓度进行分析，比较两种方法的有效性和准确性。比较两种方法可知，二次微分结合三维荧光光谱可以更为准确的对水体中的溶解性有机物进行定性和定量的分析。
实施例2
采用上述方法用于太湖水样进行荧光光谱分析，比较传统的平行因子分析和二次微分分析的一致性。
(1)将太湖水样用0.45μm的滤膜过滤，测定其TOC值小于10ppm。对水样稀释两倍后进行三维荧光光谱的测定。
(2)测定时，激发波长范围为200～450nm，发射波长范围设置为220nm～550nm，电压为700V，步长为5nm，扫描速度为1200nm/min。
(3)将本方法和传统的平行因子分子同时应用于太湖水样样品的三维荧光光谱原始数据中，结果如图5所示，图5中平行因子分析结果如四个角的小图所示太湖水样被分为四个组分，二次微分分析结果如中心大图所示。从图中可知，两种方法分离出的荧光物质的峰值位置相互吻合。但平行因子分析对样品的数量有严格要求，一般因子数量小于样品的数量，因此不具有广泛的应用价值。本方法不受样品数量限制，且更为准确。
该方法所分析的液体样品可为废水、自来水和天然水体等。
该方法还可用于固体样品有机物的性质分析。所分析的固体样品可为堆肥样品、城市垃圾填埋场固体样品等。
以上实施案例表明本发明采用基于三维荧光光谱结合二次微分检测水体中溶解性有机物的方法，可准确有效的检测水体中的溶解性有机物。同时，本方法不受样品数量和性质的限制，具有准确有效，对样品无破坏，操作简单，容易实施等特征。以上实施案例1-2是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种三维荧光光谱结合二次微分检测水体溶解性有机物的方法，其特征在于：该方法包含以下步骤：
(1)首先通过荧光光谱仪测定水样的三维荧光光谱，获得紫外到可见光波段的三维荧光光谱数据；
(2)去除三维荧光光谱的拉曼和瑞丽散射峰；
(3)基于最小二乘法，采用二维的Savitzky–Golay法对三维荧光光谱进行平滑处理，具体为：三维荧光光谱5nm×5nm的数据块进行多项式拟合，通过最小二乘法确定a0,a1,a2,a3,a4和a5；多项式拟合公式为：
z＝a0+a1xi+a2yi+a3xi 2+a4xiyi+a5yi 2；
将平滑处理后的数据，进行二次全微分处理，所述二次全微分处理的公式为：
Figure FDA0002711715040000011
式中，x值为激发波长，y值为发射波长，z值为荧光强度值；
将二次全微分处理后的正值变为0；
(4)将溶解性有机物的TOC值和荧光光谱的二次全微分值进行相关分析，建立模型，获取不同特性的溶解性有机物的TOC浓度和荧光光谱最高峰值的相关关系，实现对水体中有机物种类和浓度的快速检测。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(1)中，所测定水样首先须通过0.45μm滤膜过滤；测定水样的TOC浓度要求稀释至0.01～5ppm；水体中的重金属离子浓度不得高于20ppb，所述重金属离子包括铜离子、汞离子；水样的pH值不受限制。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(1)中，测定荧光光谱仪的发射波长和激发波长波段均设置为200～600nm；发射波长和激发波长相同间隔取样，步长设置为1～5nm；扫描速度为600～1200nm/min。
4.根据权利要求1至3之一所述的方法，其特征在于：该方法用纯腐殖酸样品进行检验，检验模型的准确性并为模型的进一步优化提供数据支撑。
5.根据权利要求1至3之一所述的方法，其特征在于：该方法所分析的液体样品包括废水、自来水和天然水体。
6.根据权利要求1至3之一所述的方法，其特征在于：该方法还用于固体样品有机物的性质分析；所分析的固体样品包括堆肥样品、城市垃圾填埋场固体样品。
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