基于紫外-可见光谱分析的水质监测技术研究进展

光谱分析在水质监测领域的应用是现代环境监测技术的一个重要发展方向.文章论述了基于紫外-可见光谱分析的现代水质临测技术的原理与特点,并从在线监测和原位监测两个方面论述了该技术的主要研究现状与进展,指出了尚需突破的关键技术问题,展望了基于集成化微型光谱仪的多参数水质监测微系统及水质监测微系统网络的技术发展趋势,对我国水资源环境监测技术的发展及现代科学仪器的研发具有一定的参考价值.     

顺序注射-连续光谱测定水质多参数方法研究

针对水质多参数监测仪器的低功耗、微型化、集成化和智能化,研制了一种基于顺序注射分析技术（SIA）和连续光谱检测方法融合的微型测定原位水质多参数检测仪,系统设计的核心在于消解池结构设计且消解池作为检测池,以及微控技术顺序注射平台的原理设计和多参数联合消解测定流程设计。对融合SIA和连续光谱水质多参数原位分析的新方法进行实验研究。设计了基于国标水质检测标准的多参数顺序注射分析检测流程,基于分光光度检测方法,在使用连续光谱扫描测量的条件下,融合顺序注射分析技术对亚硝酸盐氮、硝酸盐氮、总氮、总磷的含量进行检测。测定消解前,对硝酸盐氮、亚硝酸盐氮进行直接光谱测量,测定消解后对总氮进行光谱检测,显色反应后,对总磷进行光谱检测。在本系统下,以亚硝酸盐氮、硝酸盐氮、总磷和总氮原位水质参数为测定对象,基于连续光谱分析,最小二乘法建立回归模型并绘制各参数的浓度-吸光度标准工作曲线,其拟合优度（即决定系数）≥0.989 9。配制已知亚硝酸盐氮、硝酸盐氮、总氮、总磷含量的混合溶液,按照上述的多参数检测流程,利用本系统绘制出的标准工作曲线测量4个参数,实验结果表明,实验参数重复性（相对标准偏差）RSD≤3.86%,系统可稳定、高效的分析不同水样中的亚硝酸盐氮、硝酸盐氮、总氮、总磷含量。基于SIA-连续光谱融合测定原位水质多参数检测方法研究,对于提升在线水质监测仪器的技术性能具有重要作用,微型多参数水质监测仪的研制具有良好的参数扩展前景,适用于多种水质在线监测平台。     

药物合成中间体中残余甲醛的微型光谱快速检测

采用自制的全息平场凹面光栅集成微型光谱仪,搭建了微型光谱快速分析测试系统, 实现了雷尼替丁合成中间体中杂质甲醛的快速检测。利用酸性条件下甲醛-MBTH-硫酸铁铵体系的显色作用,通过优化甲醛测定条件,建立了快速测定甲醛的方法。测定甲醛线性范围为0.04～0.20 μg·mL-1(r=0.993 8), 最低检测限达到0.04 μg·mL-1。通过与UV-2550岛津光谱仪及美国海洋公司HR-2000微型光谱仪的对比测试实验,对所建立的微型光谱检测系统和甲醛检测方法进行了实际测试和可靠性验证,F-检验法检验显示测试结果无显著性差异。实验结果表明微型光谱快速分析测试系统能满足实验分析、工业过程监测和临床医学检验样品的快速、实时检测的需求,具有巨大的潜在应用市场。     

一种基于集成扫描光栅微镜和改进型非对称式C-T结构的微型近红外光谱仪

近红外光谱分析技术在航空航天、生物医药、环境检测、食品安全等众多领域均有广泛应用。高性能、微型化、低成本近红外光谱仪是制约基于近红外连续光谱分析的微小型检测装备发展的主要瓶颈，是当前光谱仪发展的主要研究方向。提出了一种基于微光机电系统(Micro-optical electro-mechanical system, MOEMS)集成扫描光栅微镜和改进型非对称式切尼-特纳(Czerny-Turner, C-T)光学结构的微型近红外光谱仪系统结构，分析了光谱仪系统和集成扫描光栅微镜的工作原理，基于光栅相关参数和光谱仪性能指标要求确定了集成扫描光栅微镜最大扫描角度。分析了改进型非对称式C-T初始光学结构像差，基于ZEMAX光学设计平台完成了光谱仪光学系统的仿真和优化设计，确定了系统关键参数。仿真分析了平凸柱面透镜对改进型非对称式C-T光学结构系统分辨率、检测灵敏度等性能参数的影响。基于仿真优化结果，完成了微型近红外光谱仪机械结构设计、加工与装调，搭建实验平台完成了光谱仪相关性能参数测试。结果表明，设计的基于MOEMS集成扫描光栅微镜和改进型非对称式C-T光学结构的微型近红外光谱仪，采用重庆大...     

基于Fenton试剂和微型光谱仪实现水质COD和总磷的在线测定

基于Fenton试剂和微型光谱仪,实现了水质化学需氧量(chemical oxygen demand,COD)和总磷(total phosphorus, TP)的在线测定。该系统结合超声辅助,基于Fenton试剂实现了常温常压下水中有机化合物和有机磷化合物的在线消解。系统基于微型光谱仪实现了可见光光谱探测并采用多波长分光光度法分析光谱数据。结果表明,系统具有测定时间短,低功耗,结构简单和二次污染少的优点。同时,系统测定相对误差小于10%,COD和总磷检测限分别为2和0.008 mg·L-1,灵敏度分别为0.021 3和0.452 6,标准偏差分别为5.6%(15.0 mg·L-1 COD标样)和5.8%(0.010 mg·L-1 总磷标样)。实际水样测定结果与国家标准分析方法比较无显著差异。     

光谱仪的微型化及其应用

和传统光谱仪相比,微型光谱仪的分辨率较低,但由于它体较小、价格便宜等优点广泛应用于许多测量、控制领域。讨论了微型光谱仪结构特点、关键技术和发展趋势;对多种微型光谱仪的工作原理和相应的工艺流程做了较为详细的总结;结合国内微型光机电系统制作工艺,分析了几类微型光谱仪的制作难点及其设计方案的可行性。探讨了在分辨率要求不太高的情况下微型光谱仪的多个潜在应用领域。     

基于Fenton试剂和微型光谱仪实现水质COD和总磷的在线测定（英文）

基于Fenton试剂和微型光谱仪,实现了水质化学需氧量(chemical oxygen demand,COD)和总磷(total phosphorus,TP)的在线测定。该系统结合超声辅助,基于Fenton试剂实现了常温常压下水中有机化合物和有机磷化合物的在线消解。系统基于微型光谱仪实现了可见光光谱探测并采用多波长分光光度法分析光谱数据。结果表明,系统具有测定时间短,低功耗,结构简单和二次污染少的优点。同时,系统测定相对误差小于10%,COD和总磷检测限分别为2和0.008mg·L~(-1),灵敏度分别为0.021 3和0.452 6,标准偏差分别为5.6%(15.0mg·L~(-1) COD标样)和5.8%(0.010mg·L~(-1)总磷标样)。实际水样测定结果与国家标准分析方法比较无显著差异。     

一种基于EWMA-PCA的水质光谱数据标准化方法研究

模型传递对于解决由于样本与各仪器响应函数不同所导致的量测信号不一致具有重要意义,而解决模型传递的有效方法是仪器或数据标准化。针对现有的光谱标准化方法中,鲜有对紫外-可见吸收光谱的应用研究,且紫外-可见光谱法水质多参数检测光谱探测单元存在分辨率、精度、响应范围不统一,难以进行不同仪器间测试数据的比对及多参数数据拟合的问题,提出采用EWMA-PCA归一化算法,实现紫外-可见水质光谱在不同仪器上的模型传递。EWMA(exponentially weighted moving-average)是一种指数加权平均移动算法,用以寻找以较高概率产生观察紫外-可见水质光谱数据的系统发生树,最大概率复原理论紫外-可见水质光谱数据,使紫外-可见光谱特征不丢失、不偏移,减小由于数据处理对紫外-可见水质光谱数据的影响。采用不同浓度的邻苯二甲酸氢钾溶液,对日本滨松C10082CAH光谱仪、美国海洋光学Maya2000Pro光谱仪以及厦门奥谱天成ATP2000光谱仪进行对比测试实验。对比组1选取源机滨松C10082CAH光谱仪和目标机海洋Maya2000Pro光谱仪,对比组2选取源机滨松C10082CAH光谱仪和目标机奥谱天成ATP2000光谱仪,对比组3选取源机海洋Maya2000Pro光谱仪和目标机奥谱天成ATP2000光谱仪。三组比对实验结果表明,该算法能很好地应用于不同的比对光谱仪中,在采用EWMA-PCA归一化算法对水质吸收光谱数据标准化后,相关系数达到99.576 5%,方差达到0.082 3%,且波峰偏移量可降低至0.000 5%,基于EWMA-PCA归一化光谱标准化算法具适应性广、所需传递样本少、传递精度高等优点,研究结果对光谱法水质检测仪器的广泛应用具有重要理论指导意义和工程应用参考价值。     

数字微镜近红外光谱仪光学系统设计与实验

针对传统光谱仪体积大、成本高、检测速度慢、需样品前处理等不足,提出了利用数字微镜面阵(DMD)实现光谱谱面分割分时选通的近红外光谱仪光学系统.首先,对比传统光路介绍单探测器微型光谱仪系统测量原理;然后结合DMD特性提出光路方案,根据几何光学原理进行初步光学元件选型和光路结构设计,利用ZEMAX光学软件对光路进行仿真,确...     

用1～18GHz啁啾脉冲傅里叶变换微波光谱仪检测化学反应（英文）

傅里叶变换微波光谱仪是测量分子转动跃迁的主要工具,是研究分子转动光谱学的重要仪器。以量子力学为基础的转动光谱学对物质分子的结构分析以及破解射电望远镜所捕获的深空分子信号至关重要,这使得微波光谱仪在相关领域能发挥不可或缺的作用。目前,世界各国都在致力于研制和改进微波光谱仪以提高仪器的分辨率、灵敏度、以及应用范围,我国也正在该类仪器研制上进行积极的探索,期望为该领域做出应有的贡献。介绍了一种工作频段在1~18 GHz的宽带啁啾脉冲式傅里叶变换微波光谱仪的设计和研制。该光谱仪用于线性频率扫描的宽带啁啾脉冲信号由采样速率为1.25 GS·s^-1的任意波形发生器产生。宽带啁啾脉冲信号经混频和放大后可覆盖特定的频率范围,随即通过喇叭天线传播到样品真空室与超音速膨胀的气相样品分子束相互作用。样品分子被激发后发出的分子自由感应衰减信号由接收电路导出并放大,然后直接在高速数字示波器上数字化。该微波光谱仪的诸多电子器件均由计算机控制,利用开发的LabVIEW程序可实现仪器的自动化控制。应用气体喷嘴技术能有效降低待测样品气体束在检测室的转动温度,使仪器获得更好的检测灵敏度。应用多脉冲自由感应衰减技术能大幅度提高信号采样频率从而进一步提高仪器灵敏度。利用实验室研制的啁啾脉冲式傅里叶变换微波光谱仪对盐酸和叔丁醇的化学反应进行了监测,并成功检测到了该反应的产物叔丁基氯。通过测量天然丰度下反应产物叔丁基氯及其单取代37Cl同位素异数体的分子转动光谱数据,并利用光谱分析软件拟合这些数据后得到了叔丁基氯精准的光谱参数(转动常数,离心畸变常数,核四极耦合常数等)和分子结构信息。将以上参数和结构信息与高斯计算结果对比后证实了本实验宽带光谱仪检测到的光谱数据具有高精准度。通过对比前人所测的光谱数据进一步展示了该实验宽带光谱仪在低频范围内杰出的测试性能。     

基于连续光谱同步检测水中酚与阴离子表面活性剂

水中酚与阴离子表面活性剂均为水质检测的重要指标,在改进优化两者标准检测方法(分光光度法)的基础上,将两者显色-萃取剂整合为一复合显色-萃取剂,并采用基于后分光设计实时测量连续光谱(340～770nm)的微型光谱仪,构建了一个既无化学干扰也无光谱干扰的复合检测体系,实现了水中两者的同步快速检测,大幅减少了试剂用量及检测时间。本法对酚和阴离子表面活性剂的检出限分别为0.003和0.016mg.L-1;与标准方法对比测试实际水样,结果表明本法的重现性(相对标准偏差,n=5)、准确性(相对标准方法结果的偏差)均小于5%,满足相关标准要求,可广泛应用于水环境与污水处理等的现场水质监测。     

LEFC-2006在水质铊监测中的应用研究

铊作为剧毒的重金属元素,具有较强的蓄积性、潜伏性和迁移性,含铊矿床的开采及其工业三废的大量排放,都可导致铊进入地表环境,参与到土壤圈、水圈、大气圈、生物圈物质循环,并逐步在土壤和水体中富集,破坏生态环境,最终会通过食物链危及人体健康。近年,水质铊污染突发事件时有发生,水环境铊的分析技术也成为铊分析技术研究的热点,但多集中在实验室分析方法的改进方面,水质铊在线监测分析方面的研究甚少。而实验室分析方法在运输、保存过程中难免有污染、损失等;且在数据时效性上也导致了一定的滞后,很难应用于水体铊的应急监测分析,从而影响了污染事故的分析和处置,成为处置污染事故的最大瓶颈。为了快速、准确响应水质铊现场监测,开展的水质在线监测技术研究对水质铊元素监测具有重要的应用意义,可以实现水体铊污染的监测与预警,进而有效降低因环境铊污染引起的铊中毒的风险。建立了一种基于三电极方法原理的水质铊监测新技术。该方法所用仪器小型、便携、低成本,不仅可用于铊污染事故应急现场监测,还可以用于污染源监管、地表水风险预警自动监测。本文就仪器检出限、正确度、精密度、方法比对、现场应用等各项性能指标进行了验证。实验表明,该技术用于测定水质铊的方法检出限为0.02 μg·L-1,与ICP-MS仪的检出限一致;用于测定铊标准溶液的相对误差范围为-5.5%~2.9%;测定实际水样的相对标准偏差范围为0.60%~6.2%;其加标回收率达到101%~127%。当水样含量在0.08 μg·L-1以上,该方法在现场应急监测比对中,与实验室ICP-MS法具有可比性,表明该技术具有很好的适用性。     

基于ZigBee技术的水域污染远程智能监测系统设计

针对所监测水域范围较大实时监测能力不强,水质污染程度监测不准确等问题,提出构建基于基于ZigBee无线通信技术的智能水域污染程度监测系统,利用ZigBee无线通信技术与Internet网络将水质检测数据发送到远程水质监控中心进行汇总处理,监控中心的服务器可获取到所监控水域范围内所有水域的水质污染程度数据、污染发展趋势、主要污染物等信息。本文对水质检测传感器模块、ZigBee无线通信模块、单片机外围电路、模数转换电路等硬件进行了设计;系统软件设计了远程参数设置、驱动程序等内容。通过系统测试结果表明,该系统对于水质污染程度的检测准确率可达到98%以上,通信成功率达到100%,水质检测终端工作稳定可靠,通信速率满足实时监测要求,适用于各种水域环境的水质污染程度的监测需求。     

基于太赫兹衰减全反射光谱的水质分析

随着人口的增长和社会的迅速发展,水资源短缺和水污染问题日益严重。水质分类作为水质污染评估工作中的一项重要环节,其意义和作用也更加突出。基于太赫兹衰减全反射（THz-ATR）光谱和模式识别技术,提出了一种水质分析模型。利用太赫兹时域光谱系统和衰减全反射模块测量了纯净水、自来水、河水、海水A和海水B五种水样的太赫兹衰减全反射光谱,通过光学参数提取模型获得0.2～1.0 THz频率范围内五种水样的折射率、吸收系数、介电常数实部和介电常数虚部。利用主成分分析（PCA）对折射率进行降维和特征提取,分别作出样品在第一、二主成分上的二维得分图和前三个主成分上的三维得分图,结果显示,基于折射率的主成分得分图可以明显的区分不同的水样。为了进一步对不同水样进行准确分类,将降维之后的数据输入到支持向量机（SVM）中构建水样分类模型,每种水样随机选取其中的五分之三作为训练集,剩余的数据作为测试集,同时引入网格搜索（GridSearch）、遗传算法（GA）和粒子群（PSO）三种优化算法对支持向量机参数进行优化。结果显示,基于网格搜索算法的支持向量机最优参数c和g分别为1.414 2和2.0,准确率为99.0%;基于遗传算法的支持向量机最优参数c和g分别为1.675 4和5.966 5,准确率为99.5%;基于粒子群算法的支持向量机最优参数c和g分别为3.154 9和12.589,准确率为100%。可以看出,使用不同的优化算法得到的最优参数不同,所构建的支持向量机分类模型都可实现正确的分类,且分类准确率均高达99.0%以上。研究结果表明,利用粒子群优化算法基于折射率构建的PCA-SVM分类模型效果最优,可以准确识别不同水样,为水质分类奠定了基础。     

基于液体透镜的仿生视觉光学成像系统

随着机器视觉技术在先进制造系统、机器人系统、智能监控、航天军工等领域的广泛应用,仿生视觉系统的小型化、灵巧化成为研究的重要方向之一。针对传统机器视觉系统变焦结构复杂、易磨损、寿命低等缺点,在分析液体透镜原理和成像特点的基础上,设计并搭建了一种基于液体透镜的仿人眼光学系统,系统的主要技术指标为:焦距范围18.5 mm~22.5 mm,镜头变倍比为1.22,视场角为38°×24°。设计结果符合各项指标,像质在不同焦距处均满足使用要求,可实现实时对焦。整个光学系统尺寸为36 mm×55 mm×30 mm,结构紧凑,实用性强。     

基于水质监测的船形机器人设计

为实现水质实时检测本文设计了一种船型机器人。该机器人采用双尾电机协调实现运动控制,并应用多传感器信息融合技术设计了智能水质检测系统。该系统以GPS为导航,搭载水质PH值、浊度、电导率、温度检测装置,实现了对指定水域水质的采集与分析,并将水质检测数据通过无线传输到上位机。实验结果表明,该环境检测船形机器人可大大减少人工检测的工作量, 检测数据准确,具有一定的应用前景。     

基于紫外光谱分析的水质监测技术研究进展

基于紫外光谱分析的水质监测技术具有实时在线、无试剂、无需样品预处理、无二次污染、体积小、成本低等特点,在对饮用水、地表水、工业废水等水体的在线监测中具有显著优势,已成为现代水质监测技术的一个重要发展方向。本文介绍了基于紫外光谱分析的现代水质监测技术的原理、特点、现状及发展的新趋势,并提出亟待解决的关键技术问题。