一种三维荧光光谱结合PARAFAC算法测定污染物的方法技术

本发明专利技术提供了一种三维荧光光谱结合PARAFAC算法测定污染物的方法，特别是快速鉴别水体、土壤等环境中有荧光特性的污染物，如具有共轭结构的疏水性有机污染物，苯、菲、萘、蒽及其衍生物、苯并吡、1-萘酚，2-萘酚等污染物的方法。通过预先对样本数据库进行建立，相关系数可达0.998以上，具有准确度高，灵敏度高、重现性好、操作简便、分析费用低廉等优点，实现了快速鉴别水体、土壤等环境中的有机污染物。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术提供了一种三维荧光光谱结合PARAFAC算法测定污染物的方法，涉及污染物种类及其含量鉴别领域，特别是快速鉴别水体、土壤等环境中的有机污染物，如具有共轭结构的疏水性有机污染物，苯、菲、萘、蒽及其衍生物、苯并吡、1-萘酚，2-萘酚等污染物的方法。
技术介绍
荧光分析方法是例行分析的重要手段之一，然而，随着分析对象的不断发展、分析任务的日益复杂，传统的荧光分析法已很难满足要求。因为传统的荧光发射(激发)光谱只是在某一个激发(发射)波长下扫描，而荧光是激发波长和发射波长两者的函数，所以传统的荧光发射(或激发)光谱并不能完整地描述物质的荧光特征，因此完整的描述一个化合物荧光信息需要三维荧光光谱才能实现，这也是进行光谱识别、表征的必要条件。另外，对一个含多种组分的荧光光谱(发射/激发)重叠的对象，传统的峰值定量法很难解决组分之间的干扰问题，需要从对象更完全的信息中寻找选择性的区域，或结合其它的优化手段才可能准确地实现多个组分的同时分析。三维荧光光谱分析方法是近三十多年发展起来的一门新的荧光分析技术，这种技术能够获得激发波长与发射波长或其它变量同时变化时的荧光强度信息，将荧光强度表示为激发波长-发射波长或波长-时间、波长-相角等两个变量的函数。通常，三维荧光的三个维度是指荧光激发、发射波长和荧光强度，它表现的是荧光强度随激发和发射波长同时变化的信息。一般获取三维荧光数据的方法是在不同激发波长位置上连续扫描发射光谱，并可利用各种绘图软件将其以等角三维荧光投影图(Ex-Em-If)或等高线光谱(Ex-Em)等图象化形式表现。并且，在处理多组分体系或者组分荧光光谱重叠的体系时，传统的荧光分析利用荧光物质的荧光强度峰值进行定量，其选择性、灵敏度将受到极大限制。因此，十分有必要寻找一种快速、便捷、稳定、可靠的测定污染物的方法。
技术实现思路
为了解决上述技术问题，本专利技术提供了一种三维荧光光谱结合PARAFAC算法测定污染物的方法，特别是快速鉴别水体、土壤等环境中有荧光特性的污染物，如具有共轭结构的疏水性有机污染物，苯、菲、萘、蒽及其衍生物、苯并吡、1-萘酚，2-萘酚等污染物的方法。为了实现本专利技术的技术目的，本专利技术采用如下技术方案。一种三维荧光光谱结合PARAFAC算法测定污染物的方法，所述方法鉴别步骤如下：a.样本数据库的建立：首先建立不同浓度、不同种类的污染物在特定激发/发射波长范围内的三维荧光光谱PARAFAC算法数据库，同时得到污染物浓度和特征荧光强度的标准曲线；b.样品前处理：将样品溶解到去离子水中，通入一定量氮气去除溶解氧，再用0.45μm的微孔滤膜过滤，去除杂质；c.三维荧光光谱数据的获取：将步骤b中去除杂质后的样品取4ml加入比色皿中，置于三维荧光光谱分析仪中，设置好参数，进行扫描得到样品的三维荧光光谱数据；d.污染物类型的鉴别：将步骤c中得到的样品三维荧光光谱数据用matlab软件载入装有PARAFAC算法的工具箱中，对光谱进行解析，根据荧光光谱特征峰的位置结合污染物的三维荧光光谱数据库，鉴别污染物的类型；e.污染物浓度鉴别：将步骤d中得到的确定类型后的污染物，在特定激发/发射波长处的荧光强度与步骤a中标准曲线的强度进行对比，获得浓度数据；f.模型修正：目标污染物的三维荧光光谱强度超出三维荧光光谱数据库的检测上下限值，此时，将目标污染物的浓度对应稀释或浓缩x倍，再经过步骤c、d、e，从而对应计算得到符合三维荧光光谱标准数据库比对的目标污染物浓度。进一步，所述步骤d中PARAFAC算法是：将获得的全部荧光数据构建成三维数据矩阵Xijk，三维数据矩阵Xijk分解为3个载荷矩阵和残差数阵，如下模型：Xijk=Σf=1Fa!fbjfckf+ϵijk;i=1,....,I;j=1,...,J;k=1,...,K]]>式中Xijk为所有样品i在激发波长j和发射波长k构成的荧光强度数据矩阵；F为对体系有实际贡献的独立荧光组分数；aif为第i个样品中第f荧光基团的相对浓度阵；bjf和ckf分别为第f荧光基团对应的发射和激发光谱阵；εijk为模型的残差阵，它的求解是基于交替最小二乘原理及最小化残差平方和(SSR)，可用如下公式表示：SSR=Σi=1IΣj=1JΣk=1Kϵijk2;i=1,....,I;j=1,...,J;k=1,...,K]]>所述步骤d中PARAFAC算法的具体计算过程如下所述：首先，给出荧光组分预测值F和模型预置值a、b，c值由三维响应矩阵Xijk及a、b预置值共同判定；然后，a值再由三维响应矩阵X及b、c预判值共同决定；最后，b值再由三维响应矩阵X及a、c预判值共同决定，当SSR<10-6时，认为模型达到收敛，给出确定的F、a、b、c值。本专利技术的有益效果是：本专利技术提供了一种三维荧光光谱结合PARAFAC算法测定污染物的方法，基于荧光光谱分析，方法灵敏度高、重现性好、操作简便、分析费用低廉，弥补了传统化学检测方法过程繁琐、检测耗时、检测成本较高等不足，实现快速鉴别水体、土壤等环境中的有机污染物，同时也可以为其他种类废水的相关研究提供参考。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍：图1是本专利技术中萘菲多梯度混合标液PARAFAC三维荧光光谱组分分析图。具体实施方式为了更好的理解本专利技术，下面结合具体实施例对专利技术作详细的说明。一种三维荧光光谱结合PARAFAC算法测定污染物的方法，所述方法鉴别步骤如下：a.样本数据库的建立：首先建立不同浓度、不同种类的污染物在特定激发/发射波长范围内的三维荧光光谱PARAFAC算法数据库，同时得到污染物浓度和特征荧光强度的标准曲线；b.样品前处理：将样品溶解到去离子水中，通入一定量氮气去除溶解氧，再用0.45μm的微孔滤膜过滤，去除杂质；c.三维荧光光谱数据的获取：将步骤b中去除杂质后的样品取4ml加入比色皿中，置于三维荧光光谱分析仪中，设置好参数，进行扫描得到样品的三维荧光光谱数据；d.污染物类型的鉴别：将步骤c中得到的样品三维荧光光谱数据用matlab软件载入装有PARAFAC算法的工具箱中，对光谱进行解析，根据荧光光谱特征峰的位置结合污染物的三维荧光光谱数据库，鉴别污染物的类型；e.污染物浓度鉴别：将步骤d中得到的确定类型后的污染物，在特定激发/发射波长处的荧光强度与步骤a中标准曲线的强度进行对比，获得浓度数据；f.本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种三维荧光光谱结合PARAFAC算法测定污染物的方法，其特征在于，所述方法鉴别步骤如下：a.样本数据库的建立：首先建立不同浓度、不同种类的污染物在特定激发/发射波长范围内的三维荧光光谱PARAFAC算法数据库，同时得到污染物浓度和特征荧光强度的标准曲线；b.样品前处理：将样品溶解到去离子水中，通入一定量氮气去除溶解氧，再用0.45μm的微孔滤膜过滤，去除杂质；c.三维荧光光谱数据的获取：将步骤b中去除杂质后的样品取4ml加入比色皿中，置于三维荧光光谱分析仪中，设置好参数，进行扫描得到样品的三维荧光光谱数据；d.污染物类型的鉴别：将步骤c中得到的样品三维荧光光谱数据用matlab软件载入装有PARAFAC算法的工具箱中，对光谱进行解析，根据荧光光谱特征峰的位置结合污染物的三维荧光光谱数据库，鉴别污染物的类型；e.污染物浓度鉴别：将步骤d中得到的确定类型后的污染物，在特定激发/发射波长处的荧光强度与步骤a中标准曲线的强度进行对比，获得浓度数据；f.模型修正：目标污染物的三维荧光光谱强度超出三维荧光光谱数据库的检测上下限值，此时，将目标污染物的浓度对应稀释或浓缩x倍，再经过步骤c、d、e，从而对应计算得到符合三维荧光光谱标准数据库比对的目标污染物浓度。...

【技术特征摘要】
1.一种三维荧光光谱结合PARAFAC算法测定污染物的方法，其特征在于，所述方法鉴别
步骤如下：
a.样本数据库的建立：首先建立不同浓度、不同种类的污染物在特定激发/发射波长范围内
的三维荧光光谱PARAFAC算法数据库，同时得到污染物浓度和特征荧光强度的标准曲线；
b.样品前处理：将样品溶解到去离子水中，通入一定量氮气去除溶解氧，再用0.45μm
的微孔滤膜过滤，去除杂质；
c.三维荧光光谱数据的获取：将步骤b中去除杂质后的样品取4ml加入比色皿中，置于三
维荧光光谱分析仪中，设置好参数，进行扫描得到样品的三维荧光光谱数据；
d.污染物类型的鉴别：将步骤c中得到的样品三维荧光光谱数据用matlab软件载入装有
PARAFAC算法的工具箱中，对光谱进行解析，根据荧光光谱特征峰的位置结合污染物的三
维荧光光谱数据库，鉴别污染物的类型；
e.污染物浓度鉴别：将步骤d中得到的确定类型后的污染物，在特定激发/发射波长处的荧
光强度与步骤a中标准曲线的强度进行对比，获得浓度数据；
f.模型修正：目标污染物的三维荧光光谱强度超出三维荧光光谱数据库的检测上下限值，此
时，将目标污染物的浓度对应稀释或浓缩x倍，再经过步骤c、d、e，从而对应计算得到符
合三维荧光光谱标准数据库比对的目标污染物浓度。
2.根据权利要求1所述的一种三维荧光...

【专利技术属性】
技术研发人员：耿春茂，何小松，
申请(专利权)人：耿春茂，
类型：发明
国别省市：广东;44