孫洋洋，張立娟，王玉田*，商鳳凱，王選瑞，張 慧

1. 燕山大學(xué)河北省測(cè)試計(jì)量技術(shù)及儀器重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 秦皇島 066004 2. 河北環(huán)境工程學(xué)院，河北 秦皇島 066102

引 言

酚類是水體污染中的一類主要污染物，在水中都是痕量級(jí)存在[1-3]。目前，酚類的測(cè)定方法較多，歐陽(yáng)等用氣相色譜法(GC)測(cè)定人血液中的五氯酚[4]； 朱峰等利用高效液相色譜法(HPLC)測(cè)定紡織品中10種酚類[5]； 顧娟紅等用氣相色譜—質(zhì)譜聯(lián)用法(GC-MS)測(cè)定紡織品中5種苯酚類化合物[6]。使用這些方法測(cè)定時(shí)需要對(duì)樣品進(jìn)行復(fù)雜的預(yù)處理，不但成本高，還需要大量使用有機(jī)溶劑，實(shí)際應(yīng)用很不方便[7]。近年來，三維熒光光譜技術(shù)憑借其高靈敏度、不破壞樣品、操作簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)，且檢測(cè)下限通常比分光光度法低2～4個(gè)數(shù)量級(jí)，成為監(jiān)測(cè)痕量有機(jī)物的分析工具。由于國(guó)內(nèi)針對(duì)三維熒光光譜法結(jié)合化學(xué)計(jì)量學(xué)方法對(duì)水中酚類污染監(jiān)測(cè)的報(bào)道較少，因此本研究具有重要意義。

間苯二酚(RES)和對(duì)苯二酚(HYD)是苯二酚的2種同分異構(gòu)體，官能團(tuán)性質(zhì)相似[8]，理化方法難分離，不便于定量分析。盡管在酸性或中性介質(zhì)中有較強(qiáng)的熒光，但光譜嚴(yán)重重疊，很難通過常規(guī)的熒光法直接測(cè)定。化學(xué)計(jì)量學(xué)二階校正方法能直接對(duì)感興趣的待測(cè)物進(jìn)行快速、準(zhǔn)確的測(cè)量。將它與三維熒光光譜結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜混合體系中感興趣多組分的同時(shí)測(cè)量。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

實(shí)驗(yàn)使用英國(guó)愛丁堡公司生產(chǎn)的FS920穩(wěn)態(tài)熒光光譜儀，液氮制冷范圍77～320 K，激發(fā)光源使用功率450 W的Xe900氙燈。精密電子秤(實(shí)際分度值： 0.1 mg)； 超聲波清洗機(jī)； 調(diào)速多用震蕩器。所用到的待測(cè)樣品來自于上海阿拉丁生化科技公司，均是標(biāo)準(zhǔn)樣品，純度大于99.5%； 去離子水為實(shí)驗(yàn)室自制，實(shí)驗(yàn)室溫度20 ℃。測(cè)量前參數(shù)設(shè)置： 激發(fā)波長(zhǎng)： 230∶2∶320 nm，發(fā)射波長(zhǎng)： 240∶2∶360 nm，激發(fā)和發(fā)射端狹縫寬度均為1.1 nm。

1.2 儲(chǔ)備液和工作液的配制

用精密電子秤取兩種樣品各0.1 g，用去離子水溶解定容于2個(gè)100 mL棕色容量瓶，得到濃度為1 g·L-1的一級(jí)儲(chǔ)備溶液； 分別取上述溶液0.1 mL，用去離子水定容于2個(gè)10 mL的容量瓶中，得到10 mg·L-1的二級(jí)儲(chǔ)備溶液。實(shí)驗(yàn)時(shí)，分別取0.1 mL的二級(jí)儲(chǔ)備液，用去離子水定容于2個(gè)10 mL的容量瓶中，震蕩5 min，配制成100 mg·L-1的工作液； 取不同體積的工作液，用去離子水稀釋得到樣本溶液。逐個(gè)測(cè)試后發(fā)現(xiàn)三種酚類的線性范圍在0～1.0 mg·L-1，根據(jù)均勻設(shè)計(jì)表配制各樣本濃度如表1所示： C1—C8為校正樣，T1—T5為待測(cè)樣，另外，實(shí)際水體中的酚類會(huì)受到較高濃度的苯酚的影響，因此L1—L3為加入苯酚作為干擾物的待測(cè)樣。

表1 預(yù)測(cè)樣品配制濃度(mg·L-1)

Note： HYD： hydroquinone； RES： resorcinol； PHE： Phenol

1.3 光譜數(shù)據(jù)預(yù)處理

測(cè)量過程中其他熒光發(fā)光體會(huì)干擾分析物產(chǎn)生的熒光，實(shí)驗(yàn)得到的光譜數(shù)據(jù)需要校正，通過扣除空白溶劑和Delauney法來消除溶劑拉曼散射的影響。

觀察圖1(a)和(b)得，HYD熒光峰位置稍有變化，熒光強(qiáng)度顯著增大。由此可見，上述處理后更能夠凸顯光譜信息。

圖1 對(duì)苯二酚(HYD)消除散射和校正前后對(duì)比

2 方法原理

2.1 三線性模型

設(shè)定激發(fā)-發(fā)射波長(zhǎng)個(gè)數(shù)為：I×J，對(duì)K個(gè)混合樣進(jìn)行掃描[9]，得到一系列光譜矩陣(EEMs)，用這些數(shù)據(jù)構(gòu)成一個(gè)3D響應(yīng)數(shù)據(jù)陣X(I×J×K)，平行因子分析法分解X為相對(duì)激發(fā)光譜矩陣A、相對(duì)發(fā)射光譜矩陣B和相對(duì)濃度矩陣C，如圖2所示。

模型可表示為

i=1，2，…，I；j=1，2，…，J；k=1，2，…，K

(1)

式中，F(xiàn)表示總組分?jǐn)?shù)(包括分析物，溶液和干擾物等)，Xijk

圖2 平行因子分解模型示意圖

是X中的元素(i,j,k),aif是A(I×F)中的元素(i,f)，bif是B(J×F)中的元素(j,f)，ckf是C(K×F)中的元素(k,f)，eijk是殘差矩陣E(I×J×K)中的元素(i,j,k)，表示不能被模型解釋的變量。

三線性模型的解具有唯一性，有明確的意義，符合著名的Lambert-Beer定律，即使待測(cè)物中含有未知干擾成分，也能夠準(zhǔn)確完成對(duì)待測(cè)物的定性定量分析。

2.2 交替懲罰三線性分解(APTLD)算法

APTLD算法是利用交替最小二乘原理(ALS)和交替懲罰限制[10]，將三個(gè)不同的交替懲罰殘差(AP殘差)同時(shí)進(jìn)行最小化，實(shí)現(xiàn)三線性分解。其優(yōu)勢(shì)是只要選取的組分?jǐn)?shù)不低于實(shí)際的組分?jǐn)?shù)時(shí)，就可以提供一個(gè)非常準(zhǔn)確的結(jié)果，避免確定組分?jǐn)?shù)的繁瑣，提高了計(jì)算速度。APTLD算法的迭代過程簡(jiǎn)述如下：

確定適當(dāng)?shù)慕M分?jǐn)?shù)及懲罰因子r，p，q，該值越大得到的解越穩(wěn)定，取r=p=q=1020；

①初始A和B； ②由式(4)計(jì)算C； ③由式(2)計(jì)算A； ④由式(3)計(jì)算B； ⑤將A逐列單位化； ⑥將B逐列單位化； ⑦由式(4)計(jì)算C； ⑧重復(fù)③—⑦直至收斂；

(2)

(3)

(4)

由A和B可推測(cè)感興趣的組分所在的列數(shù)，再?gòu)腃矩陣中所感興趣組分的相對(duì)濃度與已知濃度作回歸，預(yù)測(cè)感興趣組分在未知樣品中的真實(shí)濃度。

公式中Xi..，X.j.，X..k.分別代表三維數(shù)據(jù)陣X沿著激發(fā)、發(fā)射及濃度方向的第i,j,k個(gè)切片； diag(a(i))，diag(b(j))和diag(c(k))分別為a(i),b(j)和c(k)的對(duì)角陣；A+，B+，C+分別為A，B，C的廣義逆。

2.3 核一致診斷法

雖然APTLD對(duì)組分?jǐn)?shù)不敏感，但是選取的組分?jǐn)?shù)過大會(huì)增大模型的計(jì)算誤差。在處理得到的光譜數(shù)據(jù)前有必要確定準(zhǔn)確的組分?jǐn)?shù)，本文采用核一致診斷法(CORCONDIA)[11]對(duì)混合體系進(jìn)行化學(xué)秩估計(jì)。

2.4 品質(zhì)因子

用來評(píng)定算法性能的優(yōu)劣及預(yù)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確度。

預(yù)測(cè)均方根誤差(RMSEP)[12]公式為

(5)

其中，N為預(yù)測(cè)樣本數(shù)，cact和cpred為待測(cè)物的實(shí)際濃度和預(yù)測(cè)濃度。

3 結(jié)果與討論

3.1 未加入干擾的預(yù)測(cè)樣本定性分析

首先用C1—C8(校正樣)和T1—T5(預(yù)測(cè)樣)組成三維數(shù)據(jù)陣X(13×46×61)，在進(jìn)行分辨之前，采用核一致診斷法對(duì)樣本數(shù)據(jù)陣進(jìn)行因子數(shù)估計(jì)。如圖3，當(dāng)所選因子數(shù)大于2時(shí)，核一致值明顯小于60%，因此該體系的最佳組分?jǐn)?shù)選2，分別是由HYD和RES貢獻(xiàn)給模型。雖然APTLD對(duì)組分?jǐn)?shù)不敏感，但是提供準(zhǔn)確的組分?jǐn)?shù)可以保證分析結(jié)果更加穩(wěn)健。

圖3 核一致診斷法預(yù)測(cè)組分?jǐn)?shù)

利用APTLD解析得到的數(shù)據(jù)，從圖4(a)和(b)中可以看出，對(duì)苯二酚(HYD)和間苯二酚(RES)的熒光峰位置分別在發(fā)射/激發(fā)波長(zhǎng)： 320～340/280～300 nm，290～320/270～280 nm范圍內(nèi)； 二者光譜嚴(yán)重重疊。通過APTLD算法分辨出混合物各熒光光譜(圖中實(shí)線)和實(shí)際光譜(圖中虛線)分別用不同顏色及色線標(biāo)在圖中。從圖中知，用APTLD對(duì)兩種混合物嚴(yán)重重疊的復(fù)雜體系進(jìn)行解析，所得的這兩種酚類化合物的激發(fā)和發(fā)射光譜與真實(shí)的光譜極為相似，說明APTLD算法能對(duì)兩種酚類化合物進(jìn)行準(zhǔn)確分辨。

圖4 APTLD對(duì)混合物定性分析(F=2)

3.2 加入苯酚干擾的預(yù)測(cè)樣本分析

用C1—C8及T1—T5(校正樣)和L1—L3(預(yù)測(cè)樣)組成加入苯酚干擾的三維數(shù)據(jù)陣X(16×46×61)，并選中組分?jǐn)?shù)為3，然后用APTLD算法進(jìn)行解析。

加入一定濃度的苯酚作為干擾物后，從圖5中可以看出苯酚的熒光光譜與對(duì)苯二酚的熒光光譜重疊嚴(yán)重。從分辨結(jié)果知： 兩種酚類的熒光峰位置未發(fā)生明顯變化，說明模擬實(shí)際水樣加入干擾物(苯酚)后，APTLD仍然能實(shí)現(xiàn)對(duì)兩種酚類的準(zhǔn)確分辨。

圖5 APTLD對(duì)加入苯酚干擾的混合物定性分析(F=3)

3.3 對(duì)苯二酚(HYD)、間苯二酚(RES)的定量分析

分別用PARAFAC和APTLD兩種算法對(duì)未加干擾和加入苯酚干擾的混合物進(jìn)行解析，加入苯酚干擾后，APTLD能準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)出待測(cè)樣的濃度，體現(xiàn)出了該方法的二階優(yōu)勢(shì)。濃度預(yù)測(cè)結(jié)果如表2所示，從表2中發(fā)現(xiàn)，APTLD總體的預(yù)測(cè)結(jié)果稍好于PARAFAC，但二者差異較小。平均回收率和預(yù)測(cè)均方根誤差兩種評(píng)價(jià)指標(biāo)見表3，從表3知，加入干擾物會(huì)使兩種算法的計(jì)算結(jié)果誤差略有變大，但差異甚微，說明兩種方法都能在干擾物共存和混合物光譜嚴(yán)重重疊條件下對(duì)兩種酚類進(jìn)行定量分析。

表2 預(yù)測(cè)樣兩種酚類濃度預(yù)測(cè)結(jié)果

Note： T1—T5： The sample to be tested without interference of phenol； L1—L3： The sample to be tested when phenol is added； Recovery=Predicted/Added

表3 兩種方法性能比較

從性能比較結(jié)果知，APTLD計(jì)算快速、穩(wěn)定； 從原理角度，PARAFAC對(duì)數(shù)據(jù)線性要求嚴(yán)格而且受組分?jǐn)?shù)影響，因此，APTLD更適合用于復(fù)雜混合體系分析，二者比較如表4所示。

4 結(jié) 論

通過扣除空白樣本來去除散射，最大程度保留原光譜信息，避免光譜分解時(shí)出現(xiàn)失真，提高檢測(cè)的準(zhǔn)確度。

應(yīng)用PARAFAC與APTLD兩種算法解析處理后的數(shù)據(jù)，結(jié)果表明APTLD凸顯以下優(yōu)勢(shì)： 準(zhǔn)確度高，不受噪聲水平影響，對(duì)混合物的組分?jǐn)?shù)不敏感，結(jié)果較穩(wěn)定且計(jì)算速度快； 兩種待測(cè)物的平均回收率在92.8%～98.5%之間，能實(shí)現(xiàn)很好的濃度預(yù)測(cè)，預(yù)測(cè)均方根誤差(RMSEP)低于0.19 mg·L-1。以“數(shù)學(xué)分離”代替了繁瑣的“理化分離”，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，具有重要意義。

表4 方法精密度測(cè)定結(jié)果