基于光谱分析的紫外水质检测技术研究

水质检测在改善水环境污染、基于究保护水资源质量安全等方面具有重要意义。光谱近几年，分析国内外对于水质检测技术都进行了大量实践研究，外水其中基于光谱分析的质检紫外水质检测技术相比较于其他检测方法而言具有诸多优势，比如，测技检测方法纯粹依靠物理原理，术研无须使用化学试剂，基于究不会对水质造成二次污染，光谱而且可以进行连续监测，分析有助于进行水质动态参数的外水采集，检测数据更加全面、质检细致，测技检测结果更加可靠。术研但从其他角度来讲，基于究该技术也存在一定缺陷，比如，对于成分变化较大的水体，检测难度较大。基于此，本文提出一种紫外(UV)光谱定性分析方法，通过改进水体分类方式进一步增强水质检测技术的可行性。

1 基于光谱分析的紫外水质检测技术方法原理及分类

1.1 基于光谱分析的紫外水质检测原理

目前，我国已经比较成熟的水质检测技术有很多种。其中，紫外水质检测技术是应用频率较高的一种物理检测技术，该技术依据的理论基础是朗伯比尔定律，具体公式为：

A=kcL(1)

式中，k为吸收系数；c为物质的测溶液浓度；L为光程。

水体含有的酚类和苯类化学物质在紫外光线作用下会存在较为明显的光谱吸收现象。在此基础上，人们可以利用吸收系数和光程，完成基于光谱条件的紫外水质检测，对水质中的COD成分进行测量和计算。但是，单波长的紫外吸收泛化能力不强，所以检测存在一定限制，而紫外光谱分析法则可以在很大程度上克服这一缺陷，实现高质量的水质检测效果。

1.2 基于光谱分析的紫外水质检测方法分类

1.2.1 光谱直接对比分析法

光谱直接对比分析法的具体原理如下：先选定需要检测的水质样本，然后对其光谱吸收情况进行检测，并将检测结果与参照样本的光谱吸收度进行对比，拟定一个标准的评价指标，然后通过该指标对比的结果进行分析。紫外水质检测样品的数值变化和对照光谱吸光度之间存在一种线性关系，水样浓度与对比分析结果存在正比关系。依照评价指标，若二者对比后的数值比0.99小，则表示被测水样质量不合；反之，则表示被测水样与参照水样质量趋于一致，检测结果合格。其具体的计算公式为：

式中，ABS1(λ)为被测水样的光谱吸光度；ABSref (λ)为参照样本的光谱吸光度；f为二者的比值。

1.2.2 光谱归一化分析法
相比较于直接对比分析法而言，光谱归一分析法的计算方式有所简化，将有量纲表达变换为无量纲表达，具体计算公式为：

 
式中，A(λ)为物质在波长λ的吸光度；Amin和Amax分别为波长范围内物质的最小吸光度和最大吸光度。

对于同一种水体而言，其浓度和光程是一致的，所以依照朗伯比尔定律原理，式(3)可以简化为：

 
式中，k为物质的吸光度。

依照相关评价指标，若需要检测的水质样本光谱和参照样本光谱成分类似，则可以判定二者为同类样品；反之，若检测结果显示二者的线性关系重合性不佳，则表示其存在一定差异，为非同类水质，同时也说明被检测水质污染程度比较严重。采用光谱归一化分析法时，必须对同一水质样品进行多个划分，然后分别进行光谱试验分析，对每份样品的波长吸光度进行统计，分析每个波长的波动状况，最后计算波长波动的平均值。

2 基于光谱分析的紫外水质检测试验结果与分析

2.1 检测仪器说明

本文所提及的紫外水质检测技术主要由光路系统、开放流通池、光电接收/转换系统以及控制系统等几大模块组成，所使用的检测仪器框图如图1所示。脉冲氙灯是主要的发光设备，发出的光谱将进入凹面光栅系统，经由该系统进行分光处理，从中分离出单色光，然后单色光经由流通池传递到光电接收装置，光信号便可以转换为电信号，AD采样装置进行信号转换，最后利用无线传输设备将信号上传给上位机，即可显示出详细的检测数据。上位机主要通过监控软件控制，具备数据显示、处理、存储等多种功能，可以测量的光谱范围介于200～720 nm。

2.2 紫外吸光度法检测水体中的COD

试验过程中分别采集四种不同类型的水样，然后利用上述水质检测仪器，分别测量每种水样的紫外光谱，并在波长254 nm处建立吸光度和COD的数学模型关系。当二者的线性曲线相关系数大于0.99时，则表示线性关系良好，因此吸光度便可以有效反映检测水样的COD，此次试验的具体数据如表1所示。由于检测所用的水样不同，所以其各自数学模型会存在较大差别。若以其中一种水样的数学模型为基础，反演其他几类水样，则会发现获得的结果存在较大偏差。本次试验发现，在波长230 nm处，检测水样表现出的吸收特性差异最为明显，由此可见，采用单波长法建立一个固定的数学模型来进行分析计算，并不适应于组分复杂的水质检测。

2.3 光谱分析试验

2.3.1 邻苯二甲酸氢钾溶液试验

试验过程中配制浓度各不相同的邻苯二甲酸氢钾溶液14份，并对每份溶液的吸收光谱进行测量，分别采用光谱直接对比分析法和光谱归一化分析法对测量结果进行分析。结果表明，采用光谱归一化处理时，被测样品大部分的波动最大百分比都低于10%，其中每个样品归一化光谱波动低于5%的样本对比数据都大于85%，有超过一半样品数值大于99%，该数据表明，被测样本和参照样本的归一化光谱重合度较高，可以判定其为一类样品。

2.3.2 实际水样试验

实际水样试验的具体方法是，同一时间节点，从同一河流的同一地点分别采集两份水质样本，其中一份添加去离子水进行稀释，然后均匀分成8份测试溶液，再用重铬酸钾滴定法对每份溶液的COD进行检测，最后用紫外水质检测仪测定样本的吸收光谱，分析光谱结果。结果表明，归一化分析方法下，检测水样的光谱波动范围保持在5%左右；直接对比分析方法下，检测水样的拟合系数均大于0.99。由此可见，在实际水样成分比例不变的情况下，其归一化分析结果和直接对比分析结果与苯二甲酸氢钾溶液试验结果一致，归一化光谱重合，而且光谱直接对比时呈线性。从两份水样的吸收光谱还可以看出，当波长为230 nm时，二者的吸光特性差异较为明显，但是归一化后二者重合度仍然较高，波动小于0.05，在可接受范围内，所以仍然可以判断两份水样为同类水质。

2.3.3 不同水样试验分析

试验发现，四份检测水样的吸收特性存在一定区别，即来自不同水体的水样，其归一化光谱存在较大差异。基于此，在实际检测过程中，可以采用光谱直接对比分析法和光谱归一化分析法，先对需要检测的水样进行归类区分，然后根据实际水样类别，建立相应的预测模型，使用相应的水质检测方法来进行检测，这样可以有效减少归一化光谱差异所造成的检测误差，大大提高检测精确度。

2.4 基于光谱分析的紫外水质检测

试验分析结果表明，水样的吸光度和COD之间存在密切的关联，基于光谱分析的紫外水质检测技术可以简单、快捷地对COD水质参数进行测量，以便判断被测水样的质量。针对实际检测过程中所建立的数学分析模型只适用于相似水样的问题，本次试验采取紫外光谱分析法，有效实现对不同水样的判定。利用本研究提出的光谱分析方法和光谱分析预测评价指数，可以大大提高紫外水质检测技术的泛化应用范围，减少各类水样差异带来的模型计算误差，解决紫外光谱分析法在水体水质监测过程中的准确度难题。

3 基于光谱分析的紫外水质检测技术应用优势

当前，水质检测技术不断升级，投入检测的仪器设备越来越先进。在这种发展背景下，基于光谱分析的紫外水质检测技术的优势越发突出，具体表现如下。

3.1 水质检测技术操作更便捷

基于光谱分析的紫外水质检测技术，其试验操作相较于传统化学水质检验更为便捷，不需要大量器具，并且具有理想的重复性能。紫外水质检测仪器的应用为水质检测节省很多时间，操作人员只需要按照步骤完成检测准备工作。

3.2 水质检测精准度、稳定性更好，检测速度更快

基于光谱分析的紫外水质检测技术正在朝检测精准度、稳定性提高，检测速度更快的方向前进。这种物理水质检测方式的精准度不断提高，人们可以根据不同的水源样品制定不同的对比精度标准，以模块化的方式完成精准度优化。同时，以水质环境为基础，制定具体的精准度检测方案，并且提高仪器测量标准，确保水质检测数据不会出现计算误差。当前，要加快紫外水质检测技术的检测速度，重视检测性能的提高，进一步为检测技术应用创造有利条件，提供更多水质检测新服务。

3.3 水质检测消耗与成本更低

基于光谱分析的紫外水质检测技术正在朝降低检测消耗、节省检测成本、保证检测精准性的方向发展。尤其是光谱分析方面，要改进紫外水质检测仪器，降低仪器检测消耗，以最少的检测资源得出最准确的检测成果。同时，减少水样品的应用，控制好检测投入，尽量减少油料消耗，以此达到降低成本的目的。

4 结语

基于光谱分析的紫外水质检测技术具有很强的实际应用价值，相较于传统化学检测方法，这种物理检测方法更加简单、高效、环保，而且成本更低，随着绿色环保理念的提出，基于光谱分析的紫外水质检测技术应用前景将越来越广阔。因此，人们应当对此足够重视，在实际水质检测中不断总结经验，加强先进技术理论与实践的融合应用，进一步促进我国水质检测水平的提高。

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