楊鵬程，杜軍蘭，李 燕，哈 謙，王 寧，李 雪

（國(guó)家海洋技術(shù)中心，天津 300112）

硝酸鹽廣泛存在于自然水體中，是衡量水體富營(yíng)養(yǎng)化的一項(xiàng)重要指標(biāo)，而海水的富營(yíng)養(yǎng)化是引發(fā)赤潮的主要因素之一。海水中的氮主要以氨氮、亞硝酸鹽、硝酸鹽和有機(jī)氮等形式存在。硝酸鹽是在有氧環(huán)境下，亞硝酸鹽和氨氮等各種形態(tài)的含氮化合物中最穩(wěn)定的氮化合物，亦是含氮有機(jī)物經(jīng)無(wú)機(jī)化作用最終的分解產(chǎn)物[1]。硝酸鹽本身沒(méi)有毒性，但攝入人體后，會(huì)經(jīng)腸道微生物作用轉(zhuǎn)變?yōu)閬喯跛猁}產(chǎn)生毒性。因此，檢測(cè)水體中硝酸鹽含量，對(duì)環(huán)境保護(hù)、人體健康等方面具有重大意義。

測(cè)定水中硝酸鹽的常用方法有濕化學(xué)分析[2]和紫外吸收光譜光度[3-4]等方法。濕化學(xué)方法是通過(guò)把硝酸鹽還原為亞硝酸鹽，然后經(jīng)重氮偶聯(lián)反應(yīng)后由分光光度法進(jìn)行測(cè)定。此方法操作繁瑣，需要自行填充制備鎘柱，配制麻煩，存在化學(xué)試劑污染問(wèn)題，且檢測(cè)耗時(shí)較長(zhǎng)。紫外吸收光譜法是基于硝酸鹽在紫外波段具有強(qiáng)的吸收，從而得到硝酸鹽的濃度值。該方法無(wú)需化學(xué)試劑參與，直接進(jìn)行光學(xué)測(cè)量，同時(shí)避免二次污染，測(cè)量簡(jiǎn)便、快速、準(zhǔn)確。

本研究針對(duì)海水中紫外波段主要吸收物質(zhì)Cl-、Br-、NO3-、NO2-和腐殖酸等進(jìn)行了紫外吸收光譜特性的研究，分析人工配制的硝酸鉀、溴化鈉、腐植酸、亞硝酸鈉和氯化鈉等混合多組分溶液的紫外吸收光譜特性，采用PLS方法，在216～300 nm紫外波段，建立硝酸鹽定量分析模型，模型預(yù)測(cè)值與真實(shí)值的相關(guān)性達(dá)到0.999。此紫外吸收光譜法與PLS相結(jié)合測(cè)量硝酸鹽的方法對(duì)海水中硝酸鹽測(cè)定具有指導(dǎo)意義。

1 實(shí)驗(yàn)材料和方法

1.1 實(shí)驗(yàn)儀器和試劑

SPECORD 200紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)（德國(guó)耶拿分析儀器公司），Milli-QA10純水機(jī)，1 cm石英比色皿2個(gè)。

實(shí)驗(yàn)所需的試劑有硝酸鉀、溴化鈉、腐植酸、亞硝酸鈉和氯化鈉，其中硝酸鉀為優(yōu)級(jí)純，氯化鈉為工作基準(zhǔn)試劑，其余試劑為分析純。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中采用經(jīng)過(guò)Milli-Q的超純水，配制以上5種物質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)樣本。

1.2 紫外吸收光譜法和PLS

紫外吸收光譜法是利用紫外吸收光譜來(lái)研究物質(zhì)的性質(zhì)和含量的方法，是使溶液的吸收光譜保持在紫外光波段，基于分子中電子能級(jí)的躍遷而吸收特定波長(zhǎng)的光[5]，也就是根據(jù)物質(zhì)對(duì)不同波長(zhǎng)的紫外光吸收程度的不同，進(jìn)而對(duì)物質(zhì)組成進(jìn)行分析的方法。水體中的硝酸鹽不僅對(duì)紫外光具有特征吸收，且在特定濃度范圍內(nèi)符合朗伯-比耳定律。

朗伯-比爾定律是指在一定溫度下，一束平行的單色光通過(guò)均勻的非散射的溶液時(shí)，溶液對(duì)光的吸光度A 與溶液的濃度c 及液層厚度l 的乘積成正比。其表達(dá)公式為：

式中：ε 為吸光系數(shù)。

當(dāng)待測(cè)物質(zhì)中包含有多種吸收成分時(shí)，總的吸光度等于各個(gè)吸收成分的吸光度之和[6]。吸光度的這一特性被稱為吸光度的加和性，可用式（2）表示：

PLS將原復(fù)雜光譜分解為多種成分的簡(jiǎn)單光譜，并去除干擾組分和干擾因素的影響，具有簡(jiǎn)單穩(wěn)健、計(jì)算量小、預(yù)測(cè)精度高等優(yōu)點(diǎn)，能較好地建立分析測(cè)定的模型。紫外可見(jiàn)光譜結(jié)合PLS的方法，因其快速簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測(cè)、石油化工、食品和醫(yī)藥等行業(yè)[7]。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 光譜數(shù)據(jù)分析

SPECORD 200紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)的波長(zhǎng)范圍為190～1 100 nm。開(kāi)啟光度計(jì)，進(jìn)行前預(yù)熱，初始化儀器后先用超純水進(jìn)行參比掃描，之后對(duì)配好的溶液開(kāi)始掃描圖譜。掃描步長(zhǎng)為1nm，掃描速度為10nm/s，掃描范圍為190～400 nm。

圖1 不同濃度下硝酸鉀紫外吸收曲線

圖2 5 種物質(zhì)紫外吸收曲線

圖1是不同濃度下硝酸鉀紫外吸收曲線，從中可以看出，硝酸鉀在201 nm處吸收達(dá)到最大值，隨著波長(zhǎng)的增大，吸光值逐漸下降，當(dāng)波長(zhǎng)大于240 nm時(shí)，吸光值趨于0。

圖2是500μg/L硝酸鉀溶液、10μg/L亞硝酸鈉溶液、2 500μg/L腐植酸溶液、50 mg/L溴化鈉溶液、30 g/L氯化鈉溶液的紫外光譜。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，在200 nm附近，溴化鈉和氯化鈉具有吸收波峰，且吸光值遠(yuǎn)大于硝酸鹽。同時(shí)腐植酸和亞硝酸鈉的吸光值與硝酸鹽相比具有可比性，不能忽略。

根據(jù)文獻(xiàn)[8]，海水中溴離子含量大約為67 mg/L，鹽度為35的海水氯離子含量大約為19.35 g/L，硝酸鹽含量變化范圍為1.4～602μg/L。從圖2中可以發(fā)現(xiàn)，硝酸鉀、溴化鈉和氯化鈉吸收峰均處于200 nm附近，50 mg/L溴化鈉、30 g/L氯化鈉的吸光值均達(dá)到3左右，而500μg/L的硝酸鉀吸光值只有0.4，干擾物質(zhì)的吸收強(qiáng)于目標(biāo)物質(zhì)，這樣在建立模型時(shí)必然會(huì)使對(duì)硝酸鹽的預(yù)測(cè)精度受到影響。在300 nm后吸收曲線趨于平緩，包含有效信息少，可能給模型帶來(lái)噪聲影響，因此選取波段216～300 nm的紫外吸收數(shù)據(jù)來(lái)建立硝酸鹽定量分析模型。

2.2 模型建立

分別配制硝酸鹽、亞硝酸鹽、腐植酸、溴化鈉和氯化鈉任意濃度組合的5種物質(zhì)混合溶液樣本68個(gè)，選取其中的30個(gè)作為建模樣本，其余38個(gè)樣品作為預(yù)測(cè)樣本。其中硝酸鉀濃度從20～5 000μg/L，亞硝酸鹽濃度從5～25μg/L，腐植酸濃度從100～5 000μg/L，溴化鈉濃度從40～100 mg/L，氯化鈉濃度從15～30 g/L。這5種物質(zhì)濃度作為5個(gè)因變量，216～300 nm波長(zhǎng)內(nèi)每一個(gè)波長(zhǎng)處的吸光值為自變量進(jìn)行建模。

圖3 5 種物質(zhì)混合溶液紫外光譜

表1 5 個(gè)混合樣本各物質(zhì)濃度

圖3是5個(gè)混合樣本的紫外吸收光譜曲線，表1為混合樣本5種物質(zhì)的濃度。從圖中可以看出，混合樣本紫外光譜吸收波峰位于200 nm附近，隨著波長(zhǎng)增加，吸收逐漸減小，當(dāng)波長(zhǎng)增加到250 nm時(shí)，吸收趨于平緩，當(dāng)波長(zhǎng)達(dá)到380 nm左右時(shí)，樣本吸光值趨于0。

模型建立采用偏最小二乘法，對(duì)實(shí)驗(yàn)光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行主成分分析、光譜預(yù)處理等操作。光譜預(yù)處理的目的就是消除樣本背景漂移、光源強(qiáng)度變化及高頻噪聲的影響,使所獲得的

樣本光譜真實(shí)反映樣本信息[9]，合適的光譜預(yù)處理可以提高模型的預(yù)測(cè)精度和穩(wěn)健性。選擇正交信號(hào)校正（OSC）、變量標(biāo)準(zhǔn)化（SNV）、附加散射校正（MSC）、一階微分、二階微分、小波去噪（WDS）和小波壓縮(WCS)等方法對(duì)原始光譜進(jìn)行預(yù)處理。通過(guò)比較交叉有效性（Q2）和樣本集均方根誤差（RMSEE）等參數(shù)來(lái)衡量模型的性能，以選取Q2最大和RMSEE最小，來(lái)選擇最佳光譜預(yù)處理方法。

表3 38 個(gè)預(yù)測(cè)樣本硝酸鹽預(yù)測(cè)值與實(shí)際值比較

從表2中可以看出，原始光譜Q2為0.967，經(jīng)過(guò)預(yù)處理后，Q2降低，原始光譜與經(jīng)過(guò)小波去噪處理后模型RMSEE為7左右，其余光譜預(yù)處理方法RMSEE值大于10，因此選擇采用原始光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行建模。

2.3 模型準(zhǔn)確性驗(yàn)證

對(duì)建立的模型是通過(guò)未知樣本的預(yù)測(cè)來(lái)判斷模型的質(zhì)量，數(shù)據(jù)模型的準(zhǔn)確性取決于模型的預(yù)測(cè)值與實(shí)際值之間的誤差大小，評(píng)價(jià)模型質(zhì)量的指標(biāo)可用相關(guān)系數(shù)R2和絕對(duì)誤物質(zhì)不同濃度組合下的預(yù)測(cè)樣本對(duì)模型進(jìn)行準(zhǔn)確度驗(yàn)證（見(jiàn)表3）。

圖4 建模樣本預(yù)測(cè)值與實(shí)際值相關(guān)性

由圖4和圖5中可以看出，利用波段216～300 nm原始光譜建立的數(shù)據(jù)模型，對(duì)于建模樣本和預(yù)測(cè)樣本硝酸鹽濃度的預(yù)測(cè)值與實(shí)際值之間具有很好相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)R2分別達(dá)到0.999 9和0.999 4。從表3中可以發(fā)現(xiàn)，其中硝酸鹽濃度低于50μg/L，絕對(duì)誤差最大為11.05μg/L，當(dāng)硝酸鹽濃度在50～5 000μg/L時(shí)，相對(duì)誤差最大為6.74%，模型預(yù)測(cè)準(zhǔn)確度高濃度比低濃度要好，對(duì)50μg/L以下的低濃度硝酸鹽測(cè)量準(zhǔn)確度有待進(jìn)一步提高。差或相對(duì)誤差，相關(guān)系數(shù)越接近1，絕對(duì)誤差或相對(duì)誤差越小，則模型的預(yù)測(cè)能力越好。對(duì)此利用人工配制的38個(gè)5種

表2 不同光譜預(yù)處理方法下模型參數(shù)比較

圖5 預(yù)測(cè)樣本預(yù)測(cè)值與實(shí)際值相關(guān)性

3 結(jié)論

以海水中紫外波段主要吸收物質(zhì)Cl-、Br-、NO3-、NO2-和腐殖酸的紫外吸收光譜數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，采用PLS化學(xué)計(jì)量學(xué)方法，選取紫外波段216～300 nm原始光譜，建立了多種干擾物質(zhì)存在下硝酸鹽濃度計(jì)算模型，并對(duì)38個(gè)人工配制的混合溶液樣本進(jìn)行了預(yù)測(cè)，結(jié)果表明，預(yù)測(cè)值與實(shí)際值之間具有很好相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.999，當(dāng)硝酸鹽濃度在50～5 000 μg/L時(shí)，相對(duì)誤差小于6.74%。此方法無(wú)需化學(xué)試劑，使用簡(jiǎn)單快速，應(yīng)用于海水中的硝酸鹽測(cè)量具有一定的可行性。

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