楊 鑫，郭鵬程，徐傳圍，黃文娟，陳相柏

武漢工程大學(xué)光電信息與能源工程學(xué)院、數(shù)理學(xué)院，湖北 武漢 430205

近年來(lái)，工業(yè)的加速發(fā)展使得水污染問題日益嚴(yán)重，據(jù)生態(tài)環(huán)境部門調(diào)查報(bào)道，2019 年全國(guó)部分地區(qū)出現(xiàn)水質(zhì)惡化，水質(zhì)急劇下降的勢(shì)頭，需要加強(qiáng)飲用水水源的監(jiān)控，而水污染的嚴(yán)重問題作為一個(gè)嚴(yán)重的公共危機(jī)，亟待解決［1］。在污染物質(zhì)檢測(cè)的領(lǐng)域，有電感耦合高頻等離子體發(fā)射光譜法、紅外光譜法、水污染生物檢測(cè)法等檢測(cè)方法［2-5］，但由于大部分的水質(zhì)檢測(cè)方法對(duì)測(cè)試樣品的要求比較高，需要繁瑣的制備過(guò)程，對(duì)人員的操作和儀器的要求較高，大部分都只能在專門的檢測(cè)機(jī)構(gòu)才能夠?qū)崿F(xiàn)，造成檢測(cè)周期比較長(zhǎng)，嚴(yán)重影響了測(cè)試的效率。

為了達(dá)到快速檢測(cè)分類水質(zhì)的目的，需要尋找一種快速簡(jiǎn)便的方法，以便加強(qiáng)對(duì)湖水的保護(hù)和管理。隨著時(shí)代的進(jìn)步，對(duì)水質(zhì)的要求也日益增高，尋找便捷、系統(tǒng)的分析水質(zhì)的方法有著重要的實(shí)用意義。拉曼光譜作為一種光譜檢測(cè)手段，近年來(lái)受到廣泛關(guān)注［6-7］，由于其快速、高效、能進(jìn)行無(wú)損分析等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成功用于化學(xué)、材料、物理、高分子、生物、醫(yī)藥、地質(zhì)等各個(gè)不同的領(lǐng)域［8-11］。因此，拉曼光譜法的快速、簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì)使之具有檢測(cè)分類水質(zhì)的極大潛力。通過(guò)查閱文獻(xiàn)，前人對(duì)利用拉曼光譜對(duì)水質(zhì)檢測(cè)的科學(xué)性和可實(shí)施性做了充分闡述［12］，例如對(duì)水體中的污染物［13］、養(yǎng)殖水體中的氮元素［14］的檢測(cè)等。充分體現(xiàn)了以下優(yōu)勢(shì)：在對(duì)水質(zhì)進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，不僅只需要少量的樣品和簡(jiǎn)便的制備過(guò)程，即取即測(cè)；并且其檢測(cè)過(guò)程快速、簡(jiǎn)單、可重復(fù)、無(wú)損傷，一次可覆蓋波數(shù)的區(qū)間廣，能夠達(dá)到我們想要快速檢測(cè)的目的，而不同的水質(zhì)中存在的各種雜質(zhì)使得每種水樣的光譜圖間存在差異，這些光譜如同“人的指紋”，能利用這些特征光譜圖快速的區(qū)分不同的水質(zhì)，非常適合應(yīng)用于水質(zhì)檢測(cè)領(lǐng)域。

在得到光譜數(shù)據(jù)后，由于這些光譜的數(shù)據(jù)信息量盈千累萬(wàn)，而其有標(biāo)志波段多、數(shù)據(jù)繁冗性強(qiáng)等缺點(diǎn)，若直接使用原始的光譜數(shù)據(jù)，可能造成分析過(guò)程復(fù)雜、數(shù)據(jù)結(jié)果不準(zhǔn)確等，不利于后階段數(shù)據(jù)的分析處理，所以需要對(duì)數(shù)據(jù)提前進(jìn)行初篩和預(yù)處理的操作，目的是剔除無(wú)效的冗余信息，提取有效部分并且有助于利用數(shù)據(jù)的潛在價(jià)值。所以針對(duì)大量的光譜數(shù)據(jù)，提取數(shù)據(jù)信息、整合信息是非常重要的，而進(jìn)行聚類分析是一種行之有效的處理方法。為此，我們通過(guò)結(jié)合已建立的數(shù)據(jù)分析策略的優(yōu)勢(shì)，為從多種來(lái)源的水樣的拉曼光譜數(shù)據(jù)的整合提供了一種有效的工具，即利用化學(xué)計(jì)量法處理光譜數(shù)據(jù)。

綜上所述，利用便攜式拉曼光譜儀來(lái)檢測(cè)湖水的光譜，能實(shí)現(xiàn)高效快速檢測(cè)的目的，再結(jié)合化學(xué)計(jì)量法中的正交偏最小二乘法判別分析（orthogonality partial least squares-discfriminant analysis，OPLS-DA）模式的分析，能夠完整準(zhǔn)確的分析光譜數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)快速分類不同的污染水質(zhì)的目的。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料及其前處理

水樣A 取自近郊黃陂區(qū)盤龍城開發(fā)區(qū)境內(nèi)的盤龍湖，水樣B 取自洪山區(qū)的湯遜湖，水樣C 取自江夏區(qū)芳郁大道的靜思湖，水樣D 取自武昌區(qū)的長(zhǎng)江，水樣O 是實(shí)驗(yàn)室中的蒸餾水。水樣A，B 來(lái)自于湖水面積較大、流通的水域，肉眼觀察水樣中有較少懸浮物，但較為清澈。水樣C 來(lái)自于湖水面積較小，不流通的死水，肉眼觀察水樣懸浮物較多，顏色較為暗沉。水樣D 來(lái)自長(zhǎng)江流域，肉眼可觀察到懸浮物較多，水樣顏色渾濁發(fā)黃，水樣O 是對(duì)照組水樣。取水樣O 建立對(duì)照組的目的是建立一個(gè)能夠觀察到差異，提供有意義解釋的模型。

因?yàn)閺牟煌瑓^(qū)域取得的湖水樣品中含有各類懸浮的物理顆粒，懸浮顆粒會(huì)干擾測(cè)量過(guò)程，使得到的光譜結(jié)果不準(zhǔn)確，所以不適合直接作為檢測(cè)樣品。因此在測(cè)量前需要對(duì)不同的檢測(cè)樣品做簡(jiǎn)單的預(yù)處理。各取4 mL 的水樣樣品，將離心機(jī)的轉(zhuǎn)速設(shè)置為3 000 r/min，離心時(shí)間設(shè)置為5 min。待離心完成后，將水樣的上清液和沉淀分開，將離心后的上清液作為實(shí)驗(yàn)所測(cè)樣品。

1.2 光譜儀器采集的方法

1）取上清液，使用激發(fā)波長(zhǎng)為780 nm 以及785 nm 的拉曼光譜儀檢測(cè)，將不同的湖水樣品注入石英比色皿，并且使得液面與比色皿外壁平齊，保持每次測(cè)量液面高度一致，即開始測(cè)試。

2）取水樣離心后的沉淀，晾干后取2 g 樣品，置于紫外載玻片上，檢測(cè)并采集沉淀光譜。

3）為保證實(shí)驗(yàn)中光譜不被外界雜光和實(shí)驗(yàn)器材表面雜質(zhì)所干擾，光譜采集過(guò)程需在暗室條件下進(jìn)行，而使用的實(shí)驗(yàn)器材需經(jīng)酒精沖洗，激光照射在樣品上的功率為500 mW，積分時(shí)間為10 s。

1.3 數(shù)據(jù)處理方法、化學(xué)計(jì)量學(xué)方法軟件

1.3.1 數(shù)據(jù)處理方法 實(shí)驗(yàn)利用Matlab 軟件采用自適應(yīng)迭代懲罰最小二乘法（adaptive iteratively reweighted Penalized Least Squares，airPLS）對(duì)水樣的光譜圖實(shí)現(xiàn)批量扣除光譜背景［15-18］。懲罰最小二乘法是一種靈活的平滑方法，主要包括兩個(gè)方面：懲罰最小二乘法對(duì)信號(hào)的平滑和自適應(yīng)迭代將懲罰過(guò)程轉(zhuǎn)變成一個(gè)基線估計(jì)的懲罰最小二乘算法［19］。該方法易于操作，無(wú)需用戶的任何介入和初始信息。是在懲罰最小二乘的基礎(chǔ)上，通過(guò)迭代過(guò)程中的自適應(yīng)地調(diào)節(jié)擬合基線與原始信號(hào)之間總體方差（sum of squares for error，SSE）的權(quán)重，而SSE 的權(quán)重由自適應(yīng)使用前擬合基線與原始信號(hào)的差異得到。該方法能夠快速靈活的扣除不規(guī)則變化的基線［20］。這種基線處理方法對(duì)數(shù)據(jù)要求低，處理過(guò)程便捷快速，很適合大批量樣本集。

1.3.2 化學(xué)計(jì)量學(xué)方法 OPLS-DA 是一種改進(jìn)PLS 的方法［21］，集成了一個(gè)正交信號(hào)校正濾波器，濾除了自變量矩陣中與量矩陣無(wú)關(guān)的信息，即隨機(jī)噪聲。正交矯正后與偏最小二乘法（partial least squares，PLS）結(jié)合并對(duì)PLS 進(jìn)行修正，可以過(guò)濾掉與反應(yīng)無(wú)直接關(guān)系的變化，使生成的結(jié)果更清晰，并易于解釋。

OPLS-DA 是將正交信號(hào)校正方法（orthogonal signal correction，OSC）與PLS 相互結(jié)合同時(shí)對(duì)偏最小二乘法進(jìn)行改進(jìn)。OPLS 經(jīng)過(guò)信息矯正后濾除了隨機(jī)噪聲，相應(yīng)的預(yù)測(cè)分?jǐn)?shù)和加載向量因此較少受正交變化影響。OPLS-DA 的主要優(yōu)點(diǎn)是對(duì)模型的更簡(jiǎn)單的解釋，因?yàn)樗鼈?cè)重于預(yù)測(cè)組件中概述的以判別為主的預(yù)測(cè)信息，所以O(shè)PLS-DA 區(qū)分組間差異的能力強(qiáng)，可以優(yōu)化模型的可信程度和解析能力。實(shí)驗(yàn)中將去除基線的光譜數(shù)據(jù)導(dǎo)入到simca 軟件包中采用OPLS-DA 模型建模。

2 拉曼光譜

圖1（a）中光譜分別為785 nm 的便攜式拉曼光譜儀所測(cè)得的水樣C 的上清液、785 nm 的便攜式拉曼光譜儀和780 nm 拉曼光譜儀所測(cè)得的沉淀的光譜圖。由圖1（a）可以看出，拉曼光譜儀所測(cè)得湖水離心后上清液的拉曼光譜和沉淀的拉曼光譜比較相似，且上清液的拉曼光譜信息更豐富，因而本實(shí)驗(yàn)中運(yùn)用上清液的拉曼光譜分析水質(zhì)。上清液的拉曼光譜主要包含兩個(gè)部分，3 000～3 500 cm-1區(qū)域內(nèi)為水的拉曼光譜，1 000～2 000 cm-1區(qū)域內(nèi)的光譜應(yīng)主要與水中雜質(zhì)相關(guān)。對(duì)比利用780 nm和785 nm 的拉曼光譜儀所測(cè)得的光譜數(shù)據(jù)，可知在1 000～2 000 cm-1區(qū)域內(nèi)，兩種激光器所測(cè)出沉淀的光譜有著極其相似的峰形，但在峰位上有些許差別。由檢測(cè)結(jié)果可以看出由780 nm 光譜儀所測(cè)的峰位在1 500 cm-1附近，785 nm 光譜儀所測(cè)的峰位在1 370 cm-1附近。利用拉曼頻移公式算得，780 nm 光譜儀測(cè)得的峰位1 500 cm-1對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)約為880 nm，785 nm光譜儀所測(cè)得的峰位1 360 cm-1對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)也約為880 nm。根據(jù)熒光產(chǎn)生的機(jī)理，在不同波長(zhǎng)激光下同一物質(zhì)的熒光光譜在峰寬和峰位上是比較相似的［22-24］。由此可見，圖1（a）中湖水上清液在1 000～2 000 cm-1區(qū)域內(nèi)的光譜屬于雜質(zhì)所產(chǎn)生的熒光。

圖1（b）是785 nm 便攜式拉曼光譜儀實(shí)際所測(cè)得的5 種水樣的光譜圖。5 種水樣的光譜有明顯的差別，特別是在1 000～1 500 cm-1區(qū)域內(nèi)，主要與水中雜質(zhì)熒光相關(guān)。同時(shí)在1 500 ～1 750 cm-1和3 000～3 500 cm-1區(qū)域內(nèi)也有一定的差別，應(yīng)該與雜質(zhì)對(duì)水的振動(dòng)光譜的影響相關(guān)。為了提取光譜的特征信息，從而更清晰準(zhǔn)確的分析5 種水樣的光譜差別，利用airPLS 算法對(duì)原始光譜進(jìn)行了基線校正。圖1（c）是實(shí)際所測(cè)得的5 種水樣去基線后的光譜圖。

圖1 拉曼光譜圖：（a）水樣C 的沉淀和上清液，（b）5 種水樣，（c）去基線后5 種水樣Fig.1 Raman spectra：（a）precipitation and supernatant of water sample C，（b）five water samples，（c）five water samples after removing baseline

3 結(jié)果與討論

圖2 OPLS-DA 模型：（a）5 種水樣的2d 積分矩陣圖，（b）5 種水樣的3d 模型圖，（c）水樣A 和水樣O 的s-line 圖Fig.2 OPLS-DA model：（a）2d integral matrix graph of five water samples，（b）3d model of five water samples，（c）S-line of water sample A and O

由圖2 所示，通過(guò)SIMCA 軟件對(duì)5 組水樣樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行OPLS-DA 分析，模型參數(shù)R2X=0.767，R2Y=0.926，Q2=0.903，水樣樣本集中分布于置信區(qū)間中，模型擬合效果較好。在OPLS-DA 模型的2d得分圖圖2（a）中，發(fā)現(xiàn)只有A，B 兩種水樣混雜在一起，其余3 種均能各自聚類，完全分開，分析未能將A，B 水樣區(qū)分開，原因可能是這2 種水樣的湖水水質(zhì)和污染程度相近，不能很好判別開來(lái)，而剩余的幾種水樣均能分開并各自聚集在一起，分類效果較好。在OPLS-DA模型的3d圖圖2（b）中5 種水樣不僅完全分開，而且聚類效果非常好。總之，OPLS-DA 模型的判別能力比較好，有良好的分類水質(zhì)的能力。圖2（c）為水樣A 和水樣O 的s-line圖，圖中的橫軸表示了污水水樣的波數(shù)，y軸表示的是相關(guān)系數(shù)，由圖2（c）可看出在1 000～1 700 cm-1波段的熒光光譜所對(duì)應(yīng)的相關(guān)系數(shù)較為明顯，該波段的光譜所對(duì)應(yīng)的相關(guān)系數(shù)比較大，則表示這個(gè)波段的光譜適合做一個(gè)marking 值。

圖3 中的交叉驗(yàn)證在給定的建模樣本中，首先對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了切分，拿出大部分樣本進(jìn)行建模型，留小部分樣本用剛建立的模型進(jìn)行泛化誤差估計(jì)，記錄它們的平方加和?？磮D中R2和Q2的截距，R2的截距小于0.4，Q2的截距小于0.5，說(shuō)明這個(gè)模型未過(guò)擬合，是一個(gè)適用于湖水檢測(cè)的良好模型，分類結(jié)果可信。

圖3 模型驗(yàn)證Fig.3 Model verification

4 結(jié) 論

本文分析了4 種湖水離心之后的上清液和沉淀的光譜特性，結(jié)果顯示運(yùn)用785 nm 便攜式拉曼光譜儀，并使用airPLS 去除基線及OPLS-DA 進(jìn)行模式識(shí)別，不同水質(zhì)的湖水可以很好的區(qū)分。同時(shí)OPLS-DA 模型的s-line 圖發(fā)現(xiàn)區(qū)分4 種湖水的特征波段在1 000～1 700 cm-1區(qū)域內(nèi)。本文給湖水水質(zhì)的快速分析提供了思路，相信便攜式拉曼光譜儀結(jié)合化學(xué)計(jì)量法在未來(lái)快速水質(zhì)分析方面會(huì)有更大的潛力。