基于三维荧光光谱的饮用水有机污染物检测方法研究

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饮用水安全问题直接关系到人民身体健康和社会和谐稳定,及时有效地对各类水质突发污染事件进行监测预警,并对污染物进行类别判定和含量分析,对水质管理和后续的污染源追踪与治理具有重要意义。基于此背景,本文结合国家自然科学基金项目,重点研究了基于三维荧光光谱的饮用水有机污染物检测方法,建立了面向饮用水特征污染物和未知污染物定性检测、类别判定和浓度量化的三维荧光光谱解析算法,通过设计不同浓度有机物水溶液的测量实验,将有机物样本从饮用水背景样本中区分开来,验证了定性判别方法的检测性能,在此基础上,进行了水体中有机污染物的分类识别和定量分析。  论文主要工作和创新点为:  (1)饮用水中大多数有机物在荧光光谱下有独特的特征发射峰,而且荧光光谱的灵敏度相对于一般吸收光谱要高,为此本文开展了基于三维荧光光谱的饮用水有机物定性判别方法研究。首先研究了饮用水特征有机污染物的定性判别方法,提出了基于平行因子分析(PARAFAC)结合支持向量机(SVM)分类的定性判别方法,开展了三维荧光光谱检测实验和光谱分析工作。连续5天测量了饮用水背景样本、不同浓度的苯酚、水杨酸、罗丹明B水溶液样本的三维荧光光谱,数据包括测试样本和训练样本;使用PARAFAC对训练样本和测试样本进行特征提取;然后使用SVM根据特征信息对训练样本进行二分类方法建模,实现了有机物水溶液样本和背景饮用水样本的判别区分,应用测试样本验证了模型的准确度。  (2)研究了基于三维荧光光谱的饮用水未知有机污染物定性判别方法,着重研究了三维荧光光谱特征提取和阈值判别方法,对比分析了三线性分解和残差平方和判别法、特征光谱分析法、奇异值分解法等不同特征提取方法,引入阈值法对检测对象序列进行定性判别,并通过实验对比了各判定方法的有效性和适用场合。  (3)研究了饮用水特征有机污染物的分类识别和定量检测方法。结合三线性分解和支持向量机的多分类方法对已知有机物进行分类;并分别用平行因子分析和三线性分解算法定量检测有机物浓度,对比分析了两者的检测性能。  总的来说,本文研究提出了饮用水特征有机污染物和未知有机污染物的三维荧光光谱解析与定性判别方法,并通过实验验证了算法性能,实现了污染样本与饮用水背景的区分、饮用水中有机物污染样本的分类辨识和定量分析,为饮用水在线监测及预警提供了技术支持。
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