楊鵬程，杜軍蘭，李 燕，哈 謙，王 寧，李 雪

（國家海洋技術(shù)中心，天津 300112）

硝酸鹽廣泛存在于自然水體中，是衡量水體富營養(yǎng)化的一項重要指標(biāo)，而海水的富營養(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)無機(jī)化作用最終的分解產(chǎn)物[1]。硝酸鹽本身沒有毒性，但攝入人體后，會經(jīng)腸道微生物作用轉(zhuǎn)變?yōu)閬喯跛猁}產(chǎn)生毒性。因此，檢測水體中硝酸鹽含量，對環(huán)境保護(hù)、人體健康等方面具有重大意義。

測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)試劑污染問題，且檢測耗時較長。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。該方法無需化學(xué)試劑參與，直接進(jìn)行光學(xué)測量，同時避免二次污染，測量簡便、快速、準(zhǔn)確。

本研究針對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)測值與真實值的相關(guān)性達(dá)到0.999。此紫外吸收光譜法與PLS相結(jié)合測量硝酸鹽的方法對海水中硝酸鹽測定具有指導(dǎo)意義。

1 實驗材料和方法

1.1 實驗儀器和試劑

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

實驗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)級純，氯化鈉為工作基準(zhǔn)試劑，其余試劑為分析純。實驗過程中采用經(jīng)過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的躍遷而吸收特定波長的光[5]，也就是根據(jù)物質(zhì)對不同波長的紫外光吸收程度的不同，進(jìn)而對物質(zhì)組成進(jìn)行分析的方法。水體中的硝酸鹽不僅對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均勻的非散射的溶液時，溶液對光的吸光度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)待測物質(zhì)中包含有多種吸收成分時，總的吸光度等于各個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單光譜，并去除干擾組分和干擾因素的影響，具有簡單穩(wěn)健、計算量小、預(yù)測精度高等優(yōu)點，能較好地建立分析測定的模型。紫外可見光譜結(jié)合PLS的方法，因其快速簡便等優(yōu)點被廣泛應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測、石油化工、食品和醫(yī)藥等行業(yè)[7]。

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 光譜數(shù)據(jù)分析

SPECORD 200紫外可見分光光度計的波長范圍為190～1 100 nm。開啟光度計，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，之后對配好的溶液開始掃描圖譜。掃描步長為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，隨著波長的增大，吸光值逐漸下降，當(dāng)波長大于240 nm時，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。實驗數(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)，這樣在建立模型時必然會使對硝酸鹽的預(yù)測精度受到影響。在300 nm后吸收曲線趨于平緩，包含有效信息少，可能給模型帶來噪聲影響，因此選取波段216～300 nm的紫外吸收數(shù)據(jù)來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，選取其中的30個作為建模樣本，其余38個樣品作為預(yù)測樣本。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個因變量，216～300 nm波長內(nèi)每一個波長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 個混合樣本各物質(zhì)濃度

圖3是5個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，隨著波長增加，吸收逐漸減小，當(dāng)波長增加到250 nm時，吸收趨于平緩，當(dāng)波長達(dá)到380 nm左右時，樣本吸光值趨于0。

模型建立采用偏最小二乘法，對實驗光譜數(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)測精度和穩(wěn)健性。選擇正交信號校正（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)等方法對原始光譜進(jìn)行預(yù)處理。通過比較交叉有效性（Q2）和樣本集均方根誤差（RMSEE）等參數(shù)來衡量模型的性能，以選取Q2最大和RMSEE最小，來選擇最佳光譜預(yù)處理方法。

表3 38 個預(yù)測樣本硝酸鹽預(yù)測值與實際值比較

從表2中可以看出，原始光譜Q2為0.967，經(jīng)過預(yù)處理后，Q2降低，原始光譜與經(jīng)過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)確性驗證

對建立的模型是通過未知樣本的預(yù)測來判斷模型的質(zhì)量，數(shù)據(jù)模型的準(zhǔn)確性取決于模型的預(yù)測值與實際值之間的誤差大小，評價模型質(zhì)量的指標(biāo)可用相關(guān)系數(shù)R2和絕對誤物質(zhì)不同濃度組合下的預(yù)測樣本對模型進(jìn)行準(zhǔn)確度驗證（見表3）。

圖4 建模樣本預(yù)測值與實際值相關(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，對于建模樣本和預(yù)測樣本硝酸鹽濃度的預(yù)測值與實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，絕對誤差最大為11.05μg/L，當(dāng)硝酸鹽濃度在50～5 000μg/L時，相對誤差最大為6.74%，模型預(yù)測準(zhǔn)確度高濃度比低濃度要好，對50μg/L以下的低濃度硝酸鹽測量準(zhǔn)確度有待進(jìn)一步提高。差或相對誤差，相關(guān)系數(shù)越接近1，絕對誤差或相對誤差越小，則模型的預(yù)測能力越好。對此利用人工配制的38個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)測樣本預(yù)測值與實際值相關(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算模型，并對38個人工配制的混合溶液樣本進(jìn)行了預(yù)測，結(jié)果表明，預(yù)測值與實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，相對誤差小于6.74%。此方法無需化學(xué)試劑，使用簡單快速，應(yīng)用于海水中的硝酸鹽測量具有一定的可行性。

[1]薛傳金.淺析地表水中硝酸鹽氮測定的影響因素[J].污染防治技術(shù),2011,24（4）:52-53.

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