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。     

多量程原位水质总磷总氮一体式在线监测仪

针对地表水和城镇污水对于总磷(TP)总氮(TN)联合测定的需求,基于国标法提出了联合测定原理,利用顺序注射技术和微控技术建立水质总磷总氮多量程在线监测系统,完成了TP和TN的测定。总磷的测定量程分为0～1.2,1.2～2.5,2.5～5μg·mL~(-1);总氮测定量程分为0～10,10～20,20～40μg·mL~(-1)。测定范围涵盖地表水环境I～V类水和城镇污水处理厂排放标准中总磷、总氮的标准限值。利用交替最小二乘拟合算法建立了总磷与总氮测定的回归模型。实验结果表明,其校正决定系数≥0.996 4,最低检出限分别为0.01μg·mL~(-1)和0.05μg·mL~(-1),重复性相对标准偏差(RSD)分别为1.36%～3.84%、0.78%～3.69%,贵州七大水库实际水样数据比对中,总磷相对误差≤±3.7838%,总氮相对误差≤±3.69%。系统运行稳定,可以精准、高效地分析不同地表水样的总磷总氮,为环境保护和污水排放提供了技术支持,尤其适用于实验室、站房式、便携式在线水质监测。     

水体COD光谱特性分析及遥感反演模型构建

有机污染物是水体污染的主要来源,水体有机污染程度可通过化学需氧量(COD)指标综合表示。与传统复杂专业的化学检测手段相比,遥感技术因具有快速、实时、非接触、大面积等独特优势而广泛用于水体水质监测,包括叶绿素、悬浮物和黄色物质等生色参数的定量反演。然而目前对于水体COD这一重要水质参数的遥感反演报道不足,这主要是因为影响COD浓度的有机污染物复杂多变、光谱响应机理尚不明晰。通过测量实验室配比的不同浓度COD标准液及野外实际水体的可见-短波红外反射光谱(350～2 500 nm),分析了水体COD的光谱响应特性。研究发现,随着COD浓度增加,水体反射光谱在可见-短波红外范围内整体逐步上升,但在540～580和1 000～1 060 nm波段范围内光谱响应快速增强,表现出—OH伸缩振动的三级倍频和—CH伸缩振动与变形振动的合频吸收特征。利用上述敏感谱段与全谱段分别对实验室COD标准液和野外实际水体建立偏最小二乘(PLS)回归模型,其中, COD标准液模型反演精度:(1)敏感谱段,R~2=0.972, RMSE=39.629 mg·L~(-1);(2)全谱段,R~2=0.961, RMSE=46.639mg·L~(-1);实际水体模型反演精度:(1)敏感谱段,R~2=0.798, RMSE=32.037 mg·L~(-1);(2)全谱段,R~2=0.658, RMSE=48.332 mg·L~(-1)。结果表明,不管是COD标准液还是实际水体,基于敏感谱段的COD反演模型精度均优于基于全谱段的反演模型。研究可为水体COD遥感反演提供重要的理论与技术支撑。     

紫外光谱法水体COD测量的线性-指数分段数学模型

利用紫外光谱法分析水体COD时,当样品达到一定浓度之后(仍处于朗伯-比尔定律通常被适用的浓度范围内),其溶液紫外吸光度与溶液COD数值会明显偏离线性关系,此现象在许多学者发表的紫外光谱论文中都曾有所提及。对此,选用海洋光学公司的S2000微型光纤光谱仪作为光谱测量仪器,选用PX-2脉冲氙灯作为激发光源,在温度为20℃(±0.5℃)及湿度为35%(±5%)的暗室中进行光谱实验,测量了COD值为40～680 mg·L~(-1)的34组邻苯二甲酸氢钾溶液样品的紫外吸收光谱,并基于样品紫外吸收特性进行了分析建模。采用相关系数法选取优势波段,通过对比样品紫外吸收光谱的第二特征峰和水质COD分析中常用波长处的COD-吸光度关系曲线动态特性,选定优势波长为275 nm。采用逐点延伸的方式,在较低浓度段利用鲁棒线性回归、较高浓度段利用非线性最小二乘回归,反复拟合线性或指数方程,滑动预测下一个数据点,根据均方根误差和相对误差判断预设低浓度临界点和较高浓度临界点,确定了低浓度段和较高浓度段COD-吸光度关系模型的分段点分别为300和560 mg·L~(-1),得到低浓度段模型和较高浓度段模型。通过在优势波长处进行低浓度段、较高浓度段和全浓度范围的鲁棒线性回归和非线性最小二乘法回归等不同模型的拟合精度比较,表明40～300和300～560 mg·L~(-1)范围内COD-吸光度关系的线性-指数分段数学模型,不仅拟合精度最高,而且预测效果好,低浓度段的预测均方根误差为4.944 9,较高浓度段的预测均方根误差为6.768 9,整体预测均方根误差为5.664 7。研究结果对紫外光谱应用于较高COD的水质测量和分析具有一定的参考价值。     

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。     

一种检测低浓度化学需氧量的双波长光谱方法

提出了一种基于双波长光谱法快速测定低污染水样的化学需氧量(COD)的方法.结果表明:对低COD样品采用440和560 nm双波长的测定方法可有效地提高可靠性和检测灵敏性.该法的灵敏度(即定量检测下限)为8.6 mg·L-1;在低COD范围标样(≤100mg·L-1)的准确性对比测定相对标准误差在2%～15%的范围内.另外,该方法不需要用标准样品进行校正,可以通过光谱法检测消解液中重铬酸根的消耗直接计算出样品的COD值,使实验步骤得到了进一步的简化.     

超声辅助Fenton试剂消解-光谱分析法快速测定水质总磷

针对目前国家标准分析方法检测水质总磷的技术不足,提出一种常温常压条件下基于超声辅助Fenton试剂消解样品与光谱分析的水质总磷快速测定方法,设计了在线分析实验系统,研究了测定实验方法与技术,针对实际环境水样,展开了与国家标准分析方法的现场对比测试实验,实验结果表明该消解方法在13.5 min内即可达到国家标准分析方法的消解率(97%～100%),检测周期为16 min, 解决了现有国家标准分析方法存在的技术不足,对水质总磷快速在线监测仪器的研发提供了重要的实验基础与技术支持。     

基于紫外-可见光谱与深度学习CNN算法的水质COD预测模型研究（英文）

水是生命之源,作为人类生活的必需品,水质的优劣直接关系到人们的健康生活。目前,关于水质COD在线检测方法的研究主要集中在光谱数据预处理和光谱特征提取,而针对光谱数据建模方法的研究较少。卷积神经网络(CNN)作为目前深度学习领域应用最广泛的网络模型,具有强大的特征提取和特征映射能力,本文将CNN与紫外-可见光谱分析法相结合,建立了基于CNN的水质COD紫外-可见光谱预测模型。模型使用Savitzky-Golay平滑滤波方法去除光谱噪声,光谱输入卷积层提取光谱数据特征、池化层降维、全连接层映射全局特征,通过ReLU和Adam优化方法,从而得到模型的预测值。通过实验发现, CNN模型具有较强的水质COD预测能力,具有较高的预测精度和回归拟合优度,通过与BP, PCA-BP, PLSR和RF等模型比较后发现, CNN模型的预测样本的RMSEP和MAE最小,R~2最大,模型拟合效果最优。在与训练样本的模型效果评价对比后发现,模型具有较强的泛化能力。针对吸收光谱的波峰偏移对预测结果所造成的预测结果不准确的问题,作者还提出了一种基于CNN的分类回归模型卷积神经网络增强模型(CNNs),去噪后的光谱数据通过CNN分类模型按照吸收波峰的不同特征分为三类,分别输入对应CNN回归模型进行预测。实验结果表明,分段式CNNs模型比整体式CNN模型的拟合效果更好,预测精度更高,R~2达到0.999 1,测试样本的MAE和RMSEP分别为2.314 3和3.874 5,比CNN分别下降了25.9%和21.33%,效果显著。通过对预测模型的性能测试,计算得出检出限为0.28mg·L~(-1),测量范围为2.8～500mg·L~(-1)。本文创新的将卷积神经网络与光谱分析方法相结合,为光谱分析方法在水质COD吸收光谱建模的应用开拓了新思路。     

基于微型光谱仪的多参数水质检测微系统设计与实验

针对水资源环境监测与保护的需求,提出了基于微型光谱仪连续光谱分析的多参数水质检测微系统,系统主要由MOEMS微型光谱仪、流路系统、多功能微小型样品反应检测室和嵌入式测控系统组成,具有自动进样和试剂、样品反应体系的自动恒温、搅拌、光谱检测和数据处理等功能。论文介绍了系统各主要部分的功能与结构,研制出了原理样机,经实验测试验证,研制的多参数水质检测仪能够快速实现多个水质参数的准确检测,满足水质多参数在线监测的应用技术要求,同时具有很大的功能扩展性。     

基于二维相关荧光谱定量分析水中的PAHs

针对水环境中多环芳烃(PAHs)污染现状,提出并建立一种基于二维相关荧光谱水体中PAHs的检测方法。以菲和荧蒽为研究对象,配置36个蒽荧蒽混合水溶液样品(蒽和荧蒽的浓度范围均为1×10-4~1×10~(-6) g·L~(-1)),采集了所有样品的三维荧光光谱。以激发波长为外扰,构建同步二维相关荧光谱。在此基础上建立了定量分析水溶液中蒽和荧蒽浓度的多维偏最小二乘(N-PLS)模型,对蒽和荧蒽的预测均方根误差(RMSEP)分别为5.48×10~(-6) g·L~(-1)和6.25×10~(-6) g·L~(-1)。为了比较,基于常用的三维荧光谱建立了NPLS模型,对蒽和荧蒽的RMSEP分别为5.92×10~(-6) g·L~(-1)和7.33×10~(-6) g·L~(-1)。研究结果表明:基于二维相关荧光谱检测环境中PAHs污染物是可行。     

基于近红外反射光谱的无损血糖分析（英文）

无损血糖监测是一种方便且无痛的血糖监测方法。目前,大部分的血糖检测方法都是有损的。提出了一种基于近红外反射光谱的无损血糖检测方法。近红外反射光谱是一种安全、简单并且有效的方法,被应用于很多领域。采用口服葡糖糖耐量试验来采集数据,用偏最小二乘回归方法来建模。使用市售血糖仪采指尖血作为参考值,同时用光谱仪提取手掌光谱,共取得42组样本。血糖浓度范围在5~12 mmol·L~(-1)。采用留一法交叉验证,获得所有数据的交叉验证的均方根误差为1.16mmol·L~(-1)。通过归一化和无关变量消除的预处理方法来减少噪声并消除一些额外因素,优化的均方根误差为0.79 mmol·L~(-1)。基于个人的数据进行建模,得到了远小于整体数据的结果:0.41 mmol·L~(-1)。该方法在个人血糖检测的市场化方面有广阔的应用前景。     

反射式流通池顺序注射光度检测系统的研制

提出一种反射式流通池用于过程分析光度检测系统 ,可以明显地抑制折光指数效应产生的干扰。以发光二极管为光源 ,采用多股光纤分别与流通池 ,光源 ,检测器耦合 ,实现对透射后反射回的光谱检测。以Cl- Hg(SCN) 2 Fe(Ⅲ )反应显色体系为模型对系统的实验参数进行了优化。讨论了试剂注入量、进样量、载流流速、试剂注入次序等参数对检测结果的影响。方法的线性范围为 0～ 10 0mg·L-1(相关系数r =0 998) ;分析精度 (RSD ,n =11)为 1 5 % ;检出限为 1 2mg·L-1;分析速度为 30个样·h-1;对自来水和海水的回收率分别为 95 %和 10 4 %。     

高灵敏度分光光度法同时测定钴和钯

提出用5-(5-硝基-2-吡啶偶氮)-2,4-二氨基甲苯分光光度法同时测定钴和钯的新体系。室温下,钴与试剂仅能在pH 5.0-6.5范围内定量反应,加酸酸化后,其最大吸收波长红移至586 nm,且灵敏度高提高;而钯与试剂于强酸性介质中即可显色完全,其最大吸收波长位于592 nm。在589 nm处,钴、钯配合物的吸光度具有良好的加和性,其摩尔吸光系数分别为1.41×10~5L·mol-1·cm-1和1.11×10~5L·mol-1·cm-1。基于二者显色反应的酸度差异,建立了钴、钯同时测定的新方法。钴、钯浓度分别在0-0.36 mg·L-1和0-1.5 mg·L-1内服从比耳定律。所拟方法已成功用于矿样中钴、钯的同时测定。     

FOS-μSIA-LOV荧光猝灭法测定头孢拉定胶囊的含量

建立FOS-μSIA-LOV光谱在线过程分析,实现自动化含量测定头孢拉定(RAD)。通过程序编写,元件智能控制,优化实验条件,考察了RAD中的辅料,载液,进样体积等因素。优选条件为:载液吸入体积为500μL;RAD吸入体积为100μL;打出体积的流速为150μL·s~(-1),RAD质量浓度c与ΔF的线性关系为ΔF=812.6c+284(0.05~0.5mg·mL~(-1),r=0.999 5),RSD为4.4%,回收率为101%~103%。通过FOS-μSIA-LOV系统和设定特定检测程序,实现自动化在线过程分析,具有重现性好、节约试剂、省时省力的优点。     

近红外光谱法测定有机混合物中的正己烷、环己烷、甲苯的含量

用近红外光谱法对具有不同含量水平的环己烷、正己烷、甲苯、苯的四氯化碳混合溶液中的环己烷、正己烷、甲苯进行了定量分析。对于体积百分含量在1.4％～20％之间的环己烷,校正集真值与预测值相关系数r=0.9969,RSD=0.34％;对于体积百分含量在0.04％～0.96％的正己烷,校正集真值与预测值相关系数r=0.9999,RSD=0.83％;对于含量在26.0～259.8mg·L~(-1)的甲苯,校正集真值与预测值相关系数r=0.9921,RSD=4.63％。近红外光谱可以检测到26.0mg·L~(-1)的含量水平,其预测值为25.9mg·L~(-1),相对误差为0.38％。结果表明,用近红外光谱快速、准确、同时测定不同含量水平的组份可以获得较理想的结果。     

中波红外微型静态傅里叶变换光谱仪的设计与分析

提出一种基于微光学元件的空间调制微型傅里叶变换红外光谱仪,通过引入红外微结构衍射光学元件、多级微反射镜和微透镜阵列,实现仪器的微型化.介绍了微型傅里叶变换红外光谱仪的结构及基本原理,分析了微型准直系统和聚焦耦合光学系统的设计理论,研究了单片折衍混合准直透镜的残存像差、衍射面的衍射效率、多级微反射镜的衍射、微透镜阵列的孔径衍射和中继系统的轴向装配误差对光谱复原的影响.最后,对中波红外微型傅里叶变换光谱仪进行了建模仿真,得到的复原光谱与理想的光谱曲线比较符合,实际的光谱复原误差为2.89%.该中波红外微型静态傅里叶变换光谱仪无可动部件,且采用了微光学元件取代了传统的红外镜头,不仅稳定性良好,而且体积小、重量轻,有利于在线监测应用.     

荧光光谱智能监测水中矿物油浓度的研究

为便于环保部门实时准确监测水体油污染情况,研制了一套基于紫外荧光和物联网技术在线监测水中矿物油浓度的系统。该系统采用非对称Czemy-Turner光路的高精度单色器,提高了分辨率;光路增加了一束参考光,用于修正光源波动对探测结果的影响;光路增添光纤传输激发光和荧光,减小系统因仪器振动造成的光路偏差;探头采用特殊设计光纤束,大幅提高光纤耦合效率和信号输出;系统集成了控制模块和无线通讯模块,实现系统的实时测量、数据处理和远程控制。该系统集成度高、探测精度高、稳定性好。利用化学计量学方法中的平行因子算法和化学校正分析理论,降低矿物油不同成分差异带来的计算误差,精确计算出未知样品的浓度。使用该系统测定了柴油、机油、原油三种样品溶液在10,25,50和100 mg·L-1的荧光光谱。用光栅光谱仪测得这三种油的最佳吸收波长分别为256,365和397 nm;用荧光分光光度计测量了上述三种油的吸光度分别为0.028,0.036和0.041;它们的最佳发射波长分别为355,419和457 nm。利用该装置测得柴油、机油和原油的检出限分别为0.03,0.04和0.06 mg·L-1,相对误差分别为2.1%,1.0%和2.8%。     

微型光谱分析系统检测食品添加剂山梨酸的研究

基于对微型光谱仪的二次深度研发,构建了新型食品安全检测微型光谱分析系统,并采用标准加入法,对牛肉粒中的食品添加剂山梨酸进行快速定量检测。结果表明,采用标准加入法消除了样本基体成分的干扰,牛肉粒中山梨酸在0～10.0 mg·L-1质量浓度范围内有良好的线性关系(R2=0.998 9),山梨酸加标回收率为99.2%～99.5%,RSD(n=5)为0.14%。该微型光谱分析系统在食品添加剂检测应用方面表现出良好的实用化前景。     

基于Fabry-Perot腔阵列的集成化微型光谱仪方案及模拟

提出了一种微型光谱仪,该微型光谱仪基于法布里-珀罗腔滤波性的阵列式微型光谱仪。其基本结构是在硅基底上实现多个不同腔长的阵列,从而实现对多个波长的监测。探测单元即为一个法布里-珀罗腔,由硅基底-金属薄膜-二氧化硅层-金属薄膜构成。进行了相应的模拟计算,结果表明在基本结构为铝膜(14 nm)-SiO₂-银膜(39 nm)的情况下,通带半宽度可达到15 nm,单个探测单元面积仅为0.14 mm×0.14 mm即可达到微型光栅式光谱仪(最小体积在cm量级)的光通量,整个光谱探测部分体积仅在mm量级。该微型光谱仪设计尺寸在几个mm的量级、无活动部件,可以同时对多个波长进行检测,并可望利用现有IC加工手段实现光谱仪传感器化。     

催化动力学光度法测定活化剂铝

本文研究了在pH5.0的醋酸-醋酸钠缓冲介质中,利用铝(Ⅲ)活化铜(Ⅱ)催化过氧化氢氧化邻苯二酚显色的指示反应,通过测量邻苯二酚氧化产物在360nm下吸光度的增加,建立了测定活化剂铝的催化动力学光度分析新方法。并对测量波长、试剂的浓度、反应温度、反应时间及共存离子的干扰等条件进行了探讨和选择。在最佳实验条件下,测定的线性范围为0.0040～0.20mg·L~(-1),方法的检出限为8.2×10~(-7)g·L~(-1)。结合双硫腙-四氯化碳溶液萃取分离,该法用于水样中和茶叶中铝含量的测定,结果满意。