基于3D荧光光谱分析和多维偏最小二乘的PAHs浓度优化检测

论文摘要

多环芳烃（PAHs）具有强致癌性,威胁人类身体健康。在复杂水质检测环境中,利用荧光光谱检测PAHs浓度时,由于测量光谱中存在瑞利散射影响,使得PAHs光谱信号包含明显的非平稳噪声,常用的多次采样求均值法容易使PAHs光谱存在明显的测量误差,导致PAHs检测精度下降。为此,提出了一种基于3D荧光光谱分析和多维偏最小二乘（N-PLS）的PAHs浓度优化检测方法,首先分析了菲、芴、苊与荧蒽4种PAHs溶液的光谱特性,通过拟合散射带数据点值消除光谱中的瑞利散射噪声,同时尽可能地保留原光谱信息。提取4种PAHs光谱的均值、方差和一维边际分布等特征参数,利用聚类分析方法对其光谱数据做样本分类,将相似光谱数据样本进行合并;然后根据校正集的光谱信号与不同PAHs浓度之间的关系,建立N-PLS模型,对各类PAHs的浓度进行预测分析,并且验证PAHs浓度与光谱数据荧光强度的关系;最后利用双线性分解对浓度残差进行修正,对含有各类PAHs的水溶液与实际水样进行浓度残差验证,分析了不同参数下PAHs的预测误差。实验结果表明,溶剂菲有2个明显的荧光峰值,激发与发射波长分别为285/245和315/345 nm;芴与荧蒽均存在6个明显的荧光特征峰值,分别为265/255, 325/345, 335/325, 365/355, 385/395和405/415 nm,且与其他PAHs的荧光峰值相距较远;溶液苊在发射波长300～485 nm的范围内存在连续波峰,且对应激发波长在255～360 nm范围内; N-PLS方法对不同水质环境下的PAHs预测误差较小,其中菲与芴均方根误差均小于0.4μg·L-1,相对误差小于6%,苊与荧蒽均方根误差均小于1.0μg·L-1,相对误差均小于9%。对4种不同的PAHs在河流中的扩散趋势进行了仿真分析,确定出了其扩散程度,其中芴与菲扩散速率约为51 mg·L-1,苊与荧蒽扩散速率为21 mg·L-1,且扩散速率在一定范围内呈线性增长趋势, PAHs与其浓度之间符合朗伯比尔定律的线性关系;通过不同迭代次数下N-PLS方法的均方根误差分析,得到了均方根误差精度最高时的迭代次数;对比了不同主因子数时N-PLS方法对PAHs预测的适应度与相关系数,结果表明当主因子数为3时,适应度可达96.5%,此时N-PLS预测模型效果最佳。相比其他检测方法,本文方法检测精度较高,回收率较好,具有较强的鲁棒性。

论文目录

• 引 言
• 1 PAHs光谱数据提取
• 2 N-PLS与残差双线性分解优化检测PAHs流程
• 3 实验与结果讨论
•   3.1 PAHs三维光谱仿真与特征定量分析
•   3.2 N-PLS对不同水样PAHs浓度检测对比
•   3.3 残差双线性分解优化检测PAHs验证
•   3.4 N-PLS定量分析水体PAHs扩散趋势
•   3.5 N-PLS检测PAHs浓度误差及主因子数分析
•   3.6 参数对比分析
• 4 结 论

文章来源

类型: 期刊论文

作者: 王小鹏,麻文刚,蔡祥云,吴旭,朱天亮

关键词: 多环芳烃检测,荧光光谱,校正集,多维偏最小二乘,双线性分解

来源: 光谱学与光谱分析 2019年06期

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑

专业: 化学,环境科学与资源利用

单位: 兰州交通大学电子与信息工程学院

基金: 国家自然科学基金项目(61761027)资助

分类号: X832;O657.3

页码: 1798-1805

总页数: 8

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