一种结合紫外可见光吸收光谱技术的水质检测方法技术

本发明专利技术为一种结合紫外可见光吸收光谱技术的水质检测方法，设计了CFFA光谱信息提取法从三维荧光和紫外

【技术实现步骤摘要】
一种结合紫外可见光吸收光谱技术的水质检测方法
[0001]本专利技术涉及水质指标模型和水质等级快速判断方法领域，具体为一种结合紫外可见光吸收光谱技术的水质检测方法。

技术介绍

[0002]随着城市化进程的加快和各种资源污染的加剧，城市河流水质不断恶化，对水生生态系统和人类健康构成威胁。实时水质监测对于有效管理城市水资源和快速识别污染源至关重要。水质的主要监测指标包括化学需氧量(COD
Cr
)、高锰酸盐指数(COD
Mn
)、氨氮(NH3‑
N)、总磷(TP)、总氮(TN)和五天生化需氧量(BOD5)。然而，传统的水质指标实验操作复杂、成本高、耗时长、对环境有害，不适合大量采样和实时监测。此外，这些水质指数无法提供有关水污染物结构组成和详细来源的任何信息。因此，有必要开发更方便、经济、高效、环保的方法来克服传统监测技术的缺点，满足实时水质监测的要求。
[0003]目前基于三维荧光技术和紫外
‑
可见吸收光谱技术结合机器学习算法的水质指标预测技术均有报道，但存在以下问题：
[0004]1、使用单一的光谱技术，具有局限性，无法全面获取水体中的污染物信息；
[0005]2、水质样本没有经过长期且广泛的积累，预测模型使用的训练集样本数量较少，导致预测模型的泛化性能弱，应用范围窄；
[0006]3、水质预测模型针对的水质指标单一，无法全面反映水体的污染状况；
[0007]4、用于建立预测模型的机器学习算法有些过于简单(如多元线性回归，MLR)，忽略了水质污染的多样性和复杂性，难以应对复杂的水质状况；
[0008]5、从光谱中提取污染物信息的方式较为单一且片面，有些方法(如平行因子法PARAFAC)耗时长、计算过程复杂，结果局限性大，难以应用于实际水质监测；有些方法如峰值提取法则过于简单，对于复杂光谱处理的效果不理想，无法全面反映水体中的污染状况和污染性质。

技术实现思路

[0009]为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：一种结合紫外可见光吸收光谱技术的水质检测方法，包括以下步骤：
[0010]S1、样品采集：
[0011]使用垂直采样器采集水面下深处的水体，静置取上层清液，放入无菌棕色玻璃瓶中，然后运输至实验室；
[0012]S2、化学分析：
[0013]将样品摇匀并静置30min后取上层清液进行检测，分析项目为化学需氧量(COD
Cr
)、高锰酸盐指数(COD
Mn
)、氨氮(NH3‑
N)、总磷(TP)、总氮(TN)和五日生化需氧量(BOD5)，检测方法参照相关国标和行业标准；
[0014]S3、三维荧光光谱测量：
[0015]用日立F4600型荧光分光光度计测量水样三维荧光光谱，测量前，先将样品摇匀后
静置至室温，若样品的荧光强度超出仪器测量范围，须用超纯水稀释，同批样品的光谱分析与化学分析时间间隔不超过24h；
[0016]S4、紫外可见光吸收光谱测量：
[0017]先将样品摇匀后静置至室温，使用便携式紫外
‑
可见分光光度计测量水质样本吸收光谱，若样品的荧光强度超出仪器测量范围，须用超纯水稀释，同批样品的光谱分析与化学分析时间间隔不超过24h；
[0018]S5、三维荧光光谱预处理：
[0019]在获取数据之前，通过测定水在397nm发射波长处的水拉曼峰的信噪比验证氙灯的性能，从每个三维荧光光谱中减去纯水的光谱，将产生的负值被设置为零，以去除背景光谱，如果样品的荧光强度超过光谱仪的测量范围，则应使用超纯水稀释并再次测量，利用EEMscat工具包对三维荧光光谱进行处理，以去除瑞利散射和拉曼散射，并对切除区域进行插值，使用纯水在350nm发射波长的拉曼峰值对三维荧光光谱进行标准化处理，处理后的光谱强度为拉曼单位R.U.，最后，采用基于吸光度的方法消除内滤效应，利用在三维荧光光谱中的每对λ
Ex
和λ
Em
处测量的吸光度A
λ
，通过将观察到的荧光强度F
obs
转换为校正荧光强度F
corr
；
[0020]S6、紫外
‑
可见光吸收光谱预处理：
[0021]将超纯水作为参考以抵消纯水和无机盐的吸收作用，通过减去680～700nm的平均吸光度减少光散射对吸收光谱的影响，分光光度计测量值被转换为光程长度为1cm的吸光度A
λ
；
[0022]S7、进行CFFA光谱信息提取：
[0023]CFFA方法由四种光谱信息提取结果综合构成，分别为，
[0024]①
、峰值提取法CFPs
[0025]所述峰值提取法CFPs是一种基于最大强度和相应的激发和发射波长对来识别成分的方法，通过提取类富里酸、游离态类酪氨酸、类酪氨酸、类腐殖酸、微生物副产物、游离态类色氨酸、类色氨酸这七种的特征荧光峰。
[0026]②
、荧光光谱指数法FSIs
[0027]所述荧光光谱指数法FSIs用三个荧光光谱指数FI、BIX和HIX来提取污染信息。
[0028]其中所述荧光指数FI定义为λ
Em
＝470nm和λ
Ex
＝370nm处的荧光强度与λ
Em
＝520nm和λ
Ex
＝370nm处的荧光强度之比。
[0029]所述生物指数BIX被确定为当λ
Ex
＝310nm时，λ
Em
＝380nm处的荧光强度与λ
Em
＝420nm和435nm之间的最大强度值之比。
[0030]所述腐殖化指数HIX定义为为λ
Ex
＝255nm，λ
Em
在435～480nm之间的积分强度与λ
Em
在300～345nm区域的积分荧光强度之比。
[0031]③
、荧光区域积分法FRIs
[0032]荧光区域积分法是一种将三维光谱谱线下的体积进行积分的定量方法，根据可溶性荧光有物FDOM荧光峰位置绘制水平和垂直线将三维荧光光谱分为五个区域，用每个区域的强度积分值代表具有类似性质的FDOM累积荧光响应。
[0033]区域i下方的体积(Φ
i
)可通过公示计算。
[0034]其Δ
Ex
为激发波长间隔，Δ
Em
为发射波长间隔，F为各激发发射波长对处的荧光强度。归一化荧光体积(Φ
i,n
)表示为Φ
i,n
＝MF
i
×
Φ
i
其中，MF
i
为每个区域的倍增因子，等于每个投影激发发射面积与总投影面积之比的倒数。
[0035]归一化荧光百分比(P
i,n
)可通过计算。在本研究中，五个归一化荧光百分比本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种结合紫外可见光吸收光谱技术的水质检测方法包括以下步骤：S1、样品采集：使用垂直采样器采集水面下50cm处的水体，静置30min后取上层清液，放入无菌棕色玻璃瓶中，然后运输至实验室；S2、化学分析：将样品摇匀并静置30min后取上层清液进行检测，分析项目为化学需氧量、高锰酸盐指数、氨氮、总磷、总氮和五日生化需氧量，检测方法参照相关国标和行业标准；S3、三维荧光光谱测量：用日立F4600型荧光分光光度计测量水样三维荧光光谱，测量前，先将样品摇匀后静置至室温，若样品的荧光强度超出仪器测量范围，须用超纯水稀释，同批样品的光谱分析与化学分析时间间隔不超过24h；S4、紫外可见光吸收光谱测量：先将样品摇匀后静置至室温，使用便携式紫外
‑
可见分光光度计测量水质样本吸收光谱，若样品的荧光强度超出仪器测量范围，须用超纯水稀释，同批样品的光谱分析与化学分析时间间隔不超过24h；S5、三维荧光光谱预处理：在光谱测试之前，通过测定水在397nm发射波长处的水拉曼峰的信噪比验证氙灯的性能，从每个水样的三维荧光光谱中减去纯水的光谱，将产生的负值被设置为零，以去除背景光谱，如果样品的荧光强度超过光谱仪的测量范围，则应使用超纯水稀释并再次测量，利用EEMscat工具包对三维荧光光谱进行处理，以去除瑞利散射和拉曼散射，并对切除区域进行插值，使用纯水在350nm发射波长的拉曼峰值对三维荧光光谱进行标准化处理，处理后的光谱强度为拉曼单位R.U.，最后，采用基于吸光度的方法消除内滤效应，利用在三维荧光光谱中的每对λ
Ex
和λ
Em
处测量的吸光度A
λ
，通过将观察到的荧光强度F
obs
转换为校正荧光强度F
corr
；S6、紫外
‑
可见光吸收光谱预处理：将超纯水作为参考以抵消纯水和无机盐的吸收作用，通过减去680～700nm的平均吸光度减少光散射对吸收光谱的影响，吸收光谱测量值被转换为光程长度为1cm的吸光度A
λ
；S7、进行CFFA光谱信息提取：CFFA方法由四种光谱信息提取结果综合构成，分别为：
①
、峰值提取法CFPs所述峰值提取法CFPs是一种基于最大光谱强度和相应激发和发射波长范围来提取光谱信息的方法，通过提取类富里酸、游离态类酪氨酸、类酪氨酸、类腐殖酸、微生物副产物、游离态类色氨酸、类色氨酸七种特征荧光峰来表征水体污染信息；
②
、荧光光谱指数法FSIs所述荧光光谱指数法FSIs用三个荧光光谱指数FI、BIX和HIX来提取水体污染信息；其中所述荧光指数FI为λ
Em
＝470nm和λ
Ex
＝370nm处的荧光强度与λ
Em
＝520nm和λ
Ex
＝370nm处的荧光强度之比；所述生物指数BIX为当λ
Ex
＝310nm时，λ
Em
＝380nm处的荧光强度与λ
Em
＝420nm和435nm之
间的最大强度值之比；所述腐殖化指数HIX为λ
Ex
＝255nm，λ
Em
在435～480nm之间的积分强度与λ
Em
在300～345nm区域的积分荧光强度之比；
③
、荧光区域积分法FRIs荧光区域积分法是一种将三维光谱谱线下的体积进行积分的定量方法，根据可溶性荧光有物FDOM荧光峰位置绘制水平和垂直线将三维荧光光谱分为五个区域，用每个区域的强度积分值代表具有类似性质的FDOM累积荧光响应；区域i下方的体积Φ
i
可通过公示计算；其Δ
Ex
为激发波长间隔，Δ
Em
为发射波长间隔，F为各激发...

【专利技术属性】
技术研发人员：王厚俊，戴源，文采，汪霄，
申请(专利权)人：江苏省扬州环境监测中心，
类型：发明
国别省市：