化學計量學-熒光分析法同時測定萘、1-萘酚和2-萘酚

摘 要 根據正交信號校正（OSC）、小波包變換（WPT）及偏最小二乘法（PLS）的算法原理， 編制了名為POSCWPTPLS的程序，結合熒光分析法快速、靈敏、選擇性較好的優(yōu)點， 將該程序用于同時測定熒光光譜嚴重重疊的萘、1-萘酚和2-萘酚多組分體系，并將3種化學計量學方法（OSC-WPT-PLS、WPT-PLS和PLS）進行比較。3種化合物的總相對預測標準偏差分別為3.3%， 5.9% 和6.7%。結果表明:OSC-WPT-PLS法優(yōu)于WPT-PLS和PLS法。將本方法用于自來水及兩種廢水的分析，取得了良好的效果，回收率分別為97.4%～102.7%， 98.8%～100.7%和98.1%～104.6%。

關鍵詞 熒光分析法； 化學計量學技術； 同時測定； 萘、1-萘酚和2-萘酚

2010-08-03收稿；2010-11-11接受

本文系國家自然科學基金項目（Nos.21067006，60762003）及內蒙古自然科學基金項目（No.2009MS0209）資助

* E-mail:lingyuxi@hotmail.com

1 引 言

對不經分離的多組分體系進行同時測定，一直是分析化學工作者感興趣的課題。計算機科學為多組分同時測定提供了重要的研究手段［1～7］。

多環(huán)芳烴化合物是持久性有機污染物，普遍存在于大氣、水、土壤和動植物及加工產品中。在多環(huán)芳烴化合物中約有200多種具有致癌活性，并且可以通過食物鏈的富集與傳遞，最終影響到人類的健康，多環(huán)芳烴已成為優(yōu)先監(jiān)測污染物［8，9］。對于多環(huán)芳烴的檢測方法有高效液相色譜法、氣相色譜-質譜聯用技術和毛細管電泳-電化學檢測，這些方法所需儀器成本較高， 都需要較復雜的操作過程，且對萘、1-萘酚和2-萘酚體系中三者的紫外吸收峰均小于200 nm，這個波長段的紫外線只能在真空中傳送和使用。熒光分析法具有儀器經濟， 操作簡便， 選擇性好， 靈敏度高等優(yōu)點，已成為測定單一多環(huán)芳烴化合物的常用方法。本研究建立了正交信號校正（OSC）-小波包變換（WPT）-偏最小二乘法（PLS）的化學計量學法，并將其與熒光分析法相結合，不經前處理即可成功地同時分辨熒光光譜嚴重重疊的萘、1-萘酚和2-萘酚混合體系，這是傳統(tǒng)熒光分析法所不能實現的，且所需的儀器和檢測費用都比較低廉。

2 方法原理

2.1 正交信號校正（OSC）

OSC是一種信號處理工具，在消除由熒光強度數據構筑的訓練集量測矩陣D中與濃度無關的結構噪音，結構噪音能減弱校準模型的預測能力。OSC算法原理基于非線性迭代偏最小二乘算法，步驟如下: （1）將標準混合物的D平均中心化和數據歸一化； （2）由D計算第一主組分進而求出得分矢量t； （3）按照方程式（1）正交化濃度矩陣D:

tnew＝［1－C（CTC）－1CT］t（1）

（4）計算權重矢量w，使其滿足Dw＝tnew； （5）從D和w計算新的得分矢量t＝Dw，然后t再與C正交產生tnew。通過實驗，檢查收斂； （6）按照方程式（2）計算載荷矢量P:

其中，Dosc指校正后的訓練集量測矩陣，該矩陣僅含與濃度有關的信息。（8）重復算法原理，計算新的OSC組分，直到預先指定的OSC組分數為止。（9）用與計算D相同的步驟，計算合成試樣混合物的預測集量測矩陣Du，并得到預測集得分矢量ttest及校正后的預測集量測矩陣Du osc。

2.2 小波包變化（WPT）

小波包分析是小波分析的重要擴展。它們的不同之處在于小波包分析可同時分解逼近和細節(jié)兩部分，因此可更為靈活地表示不同類型的信號［10］。用快速小波包變換原理（FWPT）實現WPT，該原理類似于快速離散小波變換（FDWT）， FWPT和FDWT算法原理已有詳述［11～13］。本實驗以Shannon熵為標準［10］。閾值由Stein unbiased risk estimation （SURE） 法確定，根據硬閾值法原理將低于所確定閾值的小波系數置為零，然后將除噪后的小波包系數經小波包逆變換轉化為原域。

第6期王凡凡等： 化學計量學-熒光分析法同時測定萘、1-萘酚和2-萘酚

2.3 經典偏最小二乘（PLS）

將D和濃度矩陣C進行平均中心化和歸一化。按照非線性迭代偏最小二乘法，將D 和C分解成潛變量。

D＝TPT+EC＝UQT+F（４）

其中，T和PT分別為D的得分和載荷矩陣，U和QT分別為C的得分和載荷矩陣， E和F為誤差矩陣。算法原理參見文獻［14，15］。

2.4 OSC-WPT-PLS法

OSC-WPT-PLS法是結合上述3種方法的優(yōu)點構成的一種推廣的PLS法。該方法利用正交信號校正原理除去與濃度無關的結構噪音，并且借助小波包同時在時域和頻域具有良好分辨率和其它的良好性能來提高消除隨機噪音、獲取有用信息的能力，因此OSC-WPT-PLS法改進了回歸質量。

據OSC，WPT 和PLS法的算法原理編制了名為POSCWPTPLS，PWPTPLS及PPLS程序，執(zhí)行相關計算。

3 實驗部分

3.1 儀器與試劑

RF-5301PC熒光光譜儀（日本島津公司）；pHS-3B型精密pH計（上海雷磁儀器廠）。

萘、1-萘酚和2-萘酚標準儲備液質量濃度均為1.000 g/L，其中1-萘酚和2-萘酚用無水乙醇溶解后再由二次蒸餾水定容配制，萘用無水乙醇溶解后由75%乙醇定容配制。工作液經適當稀釋標準儲備液制得。其中1-萘酚和2-萘酚由二次蒸餾水稀釋，萘由25%乙醇稀釋。Britron-Robinson廣泛緩沖液（0.04 mol/L 混合酸和0.2 mol/L NaOH混合而成，pH 7.0）。所有試劑均為分析純。

3.2 實驗方法

按照L16（45）正交表進行正交設計，將萘、1-萘酚和2-萘酚按不同濃度比例混合，分別配制成16個不同濃度的混合工作液，及5.00 mL pH 7.0的緩沖液，置于25 mL容量瓶中，用二次蒸餾水定容，混合均勻。激發(fā)與發(fā)射狹縫均為5 nm， 靈敏度為low， 固定激發(fā)波長為307 nm，在320～550 nm波長范圍內間隔0.2 nm測量熒光強度值，并以此數據構筑訓練集量測矩陣D。以L9（33）正交表進行正交設計，將9個合成試樣溶液按上述方法建立預測集量測矩陣Du。

4 結果與討論

4.1 熒光光譜圖

圖1是萘、1-萘酚、2-萘酚及其混合物在pH 7.0的緩沖溶液下的激發(fā)（圖1a）和發(fā)射（圖1b）光譜圖。由圖1b可見，萘、1-萘酚和2-萘酚的發(fā)射峰分別為334.0，464.7和353.0 nm，其混合物的熒光光譜圖由于嚴重重疊，只在464.6 nm處呈現一個強峰。因此， 傳統(tǒng)的熒光分析法無法同時測定。三者混合物的激發(fā)光譜圖中只呈現一個激發(fā)峰，其最大激發(fā)波長307.0 nm（見圖1a）。

圖1 萘（1）、1-萘酚（2）、2-萘酚（3）及其混合物（4）的發(fā)射（a）和激發(fā)（b）光譜圖

Fig．1 Emission（a） and Excitation（b） spectra of naphthalene （1）， 1-naphthol （2）， 2-naphthol（3） and their mixture（4）

4.2 測定條件優(yōu)化

主要研究了體系的pH值及儀器參數對熒光強度的影響。

選擇pH 4.0～11.0進行多次測定，結果表明，pH值的變化對萘、1-萘酚及2-萘酚的熒光強度均影響較大。pH分別介于6～8， 5～8和5～9時，三者的熒光強度較穩(wěn)定， 且對于1-萘酚和2-萘酚而言，pH＜8時，兩種萘酚的激發(fā)峰和發(fā)射峰無紅移和藍移現象；pH＞8時，二者的激發(fā)峰發(fā)生紅移。本研究選取5.00 mL pH 7.0的 Britron-Robinson緩沖液，激發(fā)與發(fā)射狹縫均為5 nm， 靈敏度為low及間隔0.2 nm作為儀器的最佳參數。 在此條件下，3種有機化合物的線性結果見表1。

本實驗選擇小波函數、小波分解水平、OSC因子數和PLS因子數4種參數，分別對4種參數進行優(yōu)化。用3.2節(jié)的實驗方法所獲實驗數據矩陣D和Du作為原始數據，比較了所有混合物預測標準偏差（SEP）和相對預測標準偏差（RSEP）［11］。本實驗選取3類小波函數Daubechies 2，4，6，…，20， Coiflet 1，2，3，4，5 及Symmlet 4，5，6，…，10，共計22個小波函數。實驗表明，小波函數Symmlet 5 優(yōu)于其它函數。選擇OSC因子數為1～6進行實驗。最終選取的最佳參數為: Symmlet 5小波函數、小波分解水平3、OSC因子數5、PLS因子數3。OSC-WPT-PLS方法計算得到的合成試樣中萘、1-萘酚及2-萘酚的質量濃度和回收率結果見表2。

4.4 3種方法（OSC-WPT-PLS、WPT-PLS和PLS）的比較

采用OSC-WPT-PLS，WPT-PLS和PLS方法分別對一組由萘、1-萘酚及2-萘酚組成的混合合成試樣進行實驗，結果見表3。3種方法的相對預測標準偏差（RSEP）分別為3.31%，5.87%及6.71%。結果表明，OSC-WPT-PLS與WPT-PLS和PLS兩種方法相比，其RSEP顯著變小，說明OSC-WPT-PLS法優(yōu)于其它兩種方法， 其結果證明該方法是成功的。

4.5 水樣分析

將已知量的萘、1-萘酚及2-萘酚加入到不含這3種被測物的實際水樣中，取適量自來水及兩種工業(yè)廢水（廢水1、廢水2）各3份，加入不同濃度比的萘、1-萘酚及2-萘酚溶液，搖勻，進行熒光測定，結果見表4。

4.6 干擾影響

在選定的實驗條件下，測定50.0 mg/L的萘、1-萘酚和2-萘酚中的相似有機物（苯酚、鄰苯二酚、間苯二酚、對苯二酚）及無機離子的干擾。在相對誤差小于5%時，苯酚、鄰苯二酚、間苯二酚與3種有機物共存的容許倍數為25倍，對苯二酚與3種有機物共存的容許倍數為15倍；對于無機離子，10倍量的PO3－4， Cl－和CO2－3； 20倍量的S2O2－3和SO2－4； 50倍量的SO2－3和 PO3－4， 均對實驗無干擾。

本研究結合了OSC， WPT和PLS 3種方法的優(yōu)點，不經分離，成功地同時分辨了熒光光譜嚴重重疊的萘、1-萘酚及2-萘酚混合物，為熒光分析法同時測定痕量多組分體系提供了一種簡便、快速、準確的方法。

References

1 WANG Jun， LIU Zhi-Hong， CAI Ru-Xiu， LIU Rui-Hui （王 俊，劉志洪，蔡汝秀，劉瑞輝）. Journal of China Three Gorges University（三峽大學學報）， 2002， 24（5）: 470～473

2 TANG Shou-Peng， YAO Xin-Feng， YAO Xia， TIAN Yong-Chao， CAO Wei-Xing， ZHU Yan（湯守鵬， 姚鑫峰， 姚 霞， 田永超， 曹衛(wèi)星， 朱 艷）. Chinese J. Anal. Chem. （分析化學）， 2009， 37（10）: 1445～1450

3 Gao L， Ren S X. Spectrochim. Acta Part A， 2008， 71（3）: 959～964

4 Ren S X， Gao L. Anal. Bioanal. Chem.， 2007， 388（1）: 215～225

5 Hao Y， Cai W S， Shao X G. Spectrochim. Acta Part A， 2009， 72（1）: 115～119

6 Chen Y Q， Ni Y N， Kokot S. Sci. China Chem.， 2010， 53（6）: 1406～1413

7 Ni Y N， Peng Y Y， Kokot S. Anal. Chim. Acta， 2008， 616（1）: 19～27

8 CAI Zong-Qun， LU Zhen-Bin， Zhu Ya-Xian （蔡宗群，鹿貞彬，朱亞先）. Chinese J. Anal. Lab. （分析試驗室）， 2006， 25（4）: 61～64

9 ZHANG Xiao-Xiang， LI Xiao-Dong， HOU Ke-Yong， LI Hai-Yang， YAN Mi， YAN Jian-Hua（張曉翔，李曉東，侯可勇，李海洋，嚴 密，嚴建華）. Chinese J. Anal. Chem. （分析化學）， 2001， 29（2）: 1412～1415

10 Coifman R R， Wickerhauser M V. IEEE Trans. Inform. Theory， 1992， 38（2）: 713～718

11 GAO L， REN S X. Spectrochim. Acta Part A， 2005， 61（13-14）: 3013～3019

12 GAO Ling， REN Shou-Xin （高 玲， 任守信）. Chinese J. Anal. Lab. （分析試驗室）， 2004， 23（7）: 57～60

13 GAO Ling， REN Shou-Xin （高 玲，任守信）. Chinese J. Anal. Lab. （分析試驗室），2003，22（1）: 1～4

14 Gao L， Ren S X. Automat Chem.， 1998， 20（6）: 179～183

15 GAO Ling， REN Shou-Xin （高 玲，任守信）. Chinese J. Anal. Chem. （分析化學）， 2003， 31（10）: 1220～1223

Simultaneous Determination of Naphthalene， 1-Naphthol and

2-Naphthol by Chemometrics Technique and

Fluorescence Analysis

WANG Fan-Fan， REN Shou-Xin， MENG He， GAO Ling

（College of Chemistry and Chemical Engineering， Inner Mongolia University， Huhhot 010021）

Abstract A programs named POSCWPTPLS was designed based on the arithmetic algorithm of partial least squares （PLS）， orthogonal signal correction （OSC） and wavelet packet transform （WPT）， combined with the advantage of fluorescence analysis of rapid， sensitive and highly selective， the POSCWPTPLS program was used to determine the mixture of naphthalene， 1-naphthol， 2-naphthol with severe overlapping fluorescence spectra. Three kinds of chemometric methods （OSC-WPT-PLS， WPT-PLS and PLS） were applied in this study for comparison. The relative standard errors of prediction （RSEP） for all compounds were 3.3%， 5.9% and 6.7%， which showed OSC-WPT-PLS method was better than others. The method was used to analyze the tap water and two kinds of wastewaters with good recoveries of 97.4%－102.7%， 98.8%－102.7% and 98.1%－104.6%.

Keywords Fluorescence analysis; Chemometrics technique; Simultaneous determination; Naphthalene; 1-Naphthol; 2-Naphthol

（Received 3 August 2010; accepted 11 November 2010）