Matlab-三維熒光法對(duì)龍頭水質(zhì)的分析研究

蒲淑娟，賀培翔，張 悅，牛亞林，劉 龍，李惠平，陳 艷

（1.蘭州交通大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院，甘肅蘭州 730070；2.甘肅省黃河水環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅蘭州 730070）

三維熒光光譜（Three Dimensional Fluorescence Spectrum Excitation-Emission Matrix，3DEEM）技術(shù)是近年來廣泛應(yīng)用于飲用水中有機(jī)物組分及濃度檢測與研究的分析方法之一[1，2]，不但可以進(jìn)行多組分有機(jī)物體系光譜識(shí)別和表征，還可以通過其超高的靈敏度對(duì)水體中痕量有機(jī)物進(jìn)行識(shí)別和解析[3]。大多數(shù)學(xué)者將三維熒光光譜技術(shù)應(yīng)用于環(huán)境水體溶解性有機(jī)物（Dissolved Organic Carbon，DOC）的表征，王志剛[4]通過3DEEM 對(duì)科學(xué)島、巢湖和太湖不同來源水樣進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，熒光響應(yīng)強(qiáng)度和COD、DOC 存在一定的線性關(guān)系；姚昕[5]研究發(fā)現(xiàn)草、藻來源的有機(jī)物熒光光譜也有所差別，且藻源性DOC 更容易被微生物所代謝利用。

然而在三維熒光光譜的應(yīng)用中，數(shù)據(jù)分析方法起著至關(guān)重要的作用。峰值法（Peak Method），一種較為普遍的光譜分析方法，主要搜尋特定區(qū)域固定激發(fā)和發(fā)射波長下的熒光峰強(qiáng)進(jìn)行分析，該方法簡單便捷，但是峰值法無法有效反映整體區(qū)域熒光強(qiáng)度變化情況，并且由于存在強(qiáng)烈熒光對(duì)較弱熒光的掩蔽作用，從而導(dǎo)致較弱熒光峰難以表現(xiàn)出來；熒光區(qū)域積分法（Fluorescence Regional Integration，F(xiàn)RI），由Chen 等[6]提出，通過對(duì)固定激發(fā)、發(fā)射波長范圍的熒光強(qiáng)度進(jìn)行積分，進(jìn)而通過區(qū)域積分強(qiáng)度的變化進(jìn)行水質(zhì)分析，該方法相比于峰值法更加具有整體性和代表性，但是由于存在熒光強(qiáng)度的重疊問題，導(dǎo)致部分熒光組分可能會(huì)重復(fù)計(jì)算。為了更加準(zhǔn)確細(xì)致的進(jìn)行熒光數(shù)據(jù)的處理與分析，Stedmon、Murphy 等[7，8]在Matlab 軟件平臺(tái)下提出了平行因子分析法（Parallel Factor Analysis，PARAFAC）。平行因子分析法能夠通過大量的數(shù)據(jù)擬合，準(zhǔn)確尋找出有機(jī)物的熒光組分位置，有效避免熒光組分重疊的問題，但是其數(shù)據(jù)處理步驟要遠(yuǎn)比峰值法和區(qū)域積分法復(fù)雜，而且對(duì)測試樣品數(shù)量有一定要求。

本論文通過對(duì)蘭州某大學(xué)校內(nèi)4 處具有代表性的市政龍頭水進(jìn)行長期取樣，采用Matlab 軟件平臺(tái)下的Dreem 三維熒光平行因子分析工具箱，進(jìn)行龍頭水的PARAFAC 有機(jī)物組分表征分析，以期為3DEEMPARAFAC 分析法的推廣提供一定的理論依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)方法

選取不同供水方式下的市政龍頭水，供水方式分別為：市政管網(wǎng)直接供水、水泵水箱加壓供水、直飲冷水以及直飲熱水。每次取樣后，采用0.45 μm 微濾膜對(duì)水樣進(jìn)行預(yù)處理。三維熒光光譜通過日立公司的F-7100 型熒光分光光度計(jì)進(jìn)行測量。EEM 測定期間，發(fā)射波長Em 掃描范圍為250～550 nm，激發(fā)波長Ex 掃描范圍為200～400 nm，掃描步長均設(shè)定為2 nm；掃描速度為12 000 nm/min，PTM 電壓設(shè)定為600 V 掃描步長均設(shè)定為2 nm；每一樣品測試結(jié)束后，與超純水的EEM 進(jìn)行差減，用以去除部分瑞利和拉曼散射。

2 PARAFAC 分析法

PARAFAC 分析法能夠分離熒光數(shù)據(jù)中各樣本的熒光組分強(qiáng)度，對(duì)應(yīng)于不同的樣本，計(jì)算得出其熒光強(qiáng)度最大值（Fmax），基本原理是將多個(gè)三維熒光矩陣數(shù)據(jù)，在扣除空白散射后，進(jìn)行多次迭代運(yùn)算并分離得到一個(gè)因子數(shù)為N 的三維三線性組分矩陣和對(duì)應(yīng)的殘差項(xiàng)，如式（1）所示：

式中：Xijk-因子數(shù)為N 的三維三線性矩陣；ain、bjn、ckn-成分矩陣，eijk-殘差矩陣。

PARAFAC 運(yùn)算基于是DOMFluor 工具箱，并在Matlab 軟件內(nèi)進(jìn)行運(yùn)算分析，具體建模步驟（見圖1）。

圖1 建模步驟圖

2.1 平行因子分析步驟

在平行因子分析之前需要對(duì)三維熒光數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，去除不符合三線性規(guī)律的散射峰，并對(duì)熒光單位歸一化。完成數(shù)據(jù)預(yù)處理后，進(jìn)行模型組分?jǐn)?shù)確定，采用殘差分析法確定組分?jǐn)?shù)N，如發(fā)現(xiàn)異常數(shù)據(jù)，需要剔除后重新進(jìn)行計(jì)算。接著進(jìn)行平行因子組分?jǐn)?shù)的驗(yàn)證分析、半劈裂穩(wěn)定性驗(yàn)證，最后輸出平行因子組分結(jié)果。

2.2 PARAFAC 算法步驟

2.2.1 散射去除 拉曼、瑞利散射分別是在發(fā)射波長二倍于激發(fā)波長（2Ex=Em）處和激發(fā)與發(fā)射波長相等（Ex=Em）處所產(chǎn)生的強(qiáng)烈的熒光散射峰，為了防止散射峰對(duì)有機(jī)物熒光強(qiáng)度的影響，須在數(shù)據(jù)分析之前進(jìn)行散射峰的去除。對(duì)于平行因子分析法，則是采用DOMFluor 工具箱自帶的德勞內(nèi)三角插值法對(duì)拉曼和瑞利散射峰進(jìn)行去除，去除代碼見式[9]（2）。

2.2.2 平行因子模型組分?jǐn)?shù)驗(yàn)證 首先將所有去除散射后的熒光數(shù)據(jù)導(dǎo)入Matlab 中，建立109×101×150（樣品個(gè)數(shù)×激發(fā)波長個(gè)數(shù)×發(fā)射波長個(gè)數(shù)）的三維矩陣，采用DOMFluor 程序中的PARAFAC 算法進(jìn)行模型組分?jǐn)?shù)的解析。當(dāng)組分?jǐn)?shù)由2 變?yōu)? 時(shí)，激發(fā)和發(fā)射波長的模型誤差平方和（Sum of Squared Error）已經(jīng)變化很?。ㄒ妶D2）。因此，初步采用2 組分模型進(jìn)行后續(xù)的PARAFAC 分析，組分?jǐn)?shù)驗(yàn)證代碼見式（3）。

圖2 平行因子模型組分?jǐn)?shù)驗(yàn)證

2.2.3 組分模型半劈裂分析 半劈裂分析主要目的是驗(yàn)證PARAFAC 模型的穩(wěn)定性。它是通過龐大的數(shù)據(jù)計(jì)算將數(shù)據(jù)組分分成若干份，對(duì)這若干份數(shù)據(jù)進(jìn)行PARAFAC 分析，并對(duì)比不同組樣本模型的相似程度，當(dāng)進(jìn)行半劈裂拆分后，不同部分運(yùn)行得出的組分趨勢越相近，則說明建立的模型越穩(wěn)定。如果組分趨勢相差較大時(shí)，可能存在異常數(shù)據(jù)，需要對(duì)異常數(shù)據(jù)進(jìn)行剔除重新分析，或者提高迭代次數(shù)和收斂標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行優(yōu)化。異常值驗(yàn)證代碼及半劈裂分析代碼見式（4）和式（5）。

選定兩組分（見圖3），進(jìn)行5 次迭代運(yùn)算后的半劈裂分析，可以發(fā)現(xiàn)，兩組分的原始圖譜與PARAFAC擬合后的圖譜具有極高的相似性，因此判斷兩組分模型穩(wěn)定性符合要求。

圖3 兩組分平行因子半劈裂分析

2.2.4 組分模型圖譜輸出 經(jīng)過散射去除、組分?jǐn)?shù)驗(yàn)證以及PARAFAC 半劈裂分析后，確定兩組分模型為最佳模型，進(jìn)一步將PARAFAC 組分模型圖譜進(jìn)行Matlab 輸出，并將輸出數(shù)據(jù)導(dǎo)入設(shè)定存儲(chǔ)位置，組分模型輸出代碼見式（6），數(shù)據(jù)導(dǎo)出代碼見式（7）。

3 結(jié)果與分析

3.1 龍頭水PARAFAC 組分分析

通過3DEEM-PARAFAC 分析，確定該市市政龍頭水中主要有兩種組分有機(jī)物，根據(jù)式（6）導(dǎo)出的熒光組分圖譜（見圖4）。

從圖4 可以看出，該市市政龍頭水熒光有機(jī)物主要有兩種組分，波長范圍分別為Em=445～460 nm/Ex=250～260 nm 和Em=405～420 nm/Ex=230～240 nm，分別代表腐殖酸類（組分1）和富里酸類（組分2）有機(jī)物。這與南方大多數(shù)自來水和湖泊水有很大差異，周業(yè)凱等[10]研究發(fā)現(xiàn)太湖水熒光有機(jī)物以色氨酸和酪氨酸類蛋白質(zhì)為主，腐殖類熒光響應(yīng)強(qiáng)度較低，這是因?yàn)樘堑湫偷牟菪秃?，水流流速緩慢，藻類以及微生物代謝旺盛，從而導(dǎo)致微生物利用以及代謝的芳香性蛋白類有機(jī)物含量較高；而本研究中該地區(qū)以黃河水作為水源，黃河流速較快，對(duì)岸邊進(jìn)行強(qiáng)力地沖刷，將大量陸源腐殖質(zhì)攜入河流，導(dǎo)致腐殖質(zhì)類熒光響應(yīng)較高；另外，由于黃河含砂量大，外加地處水溫偏低的北方，微生物代謝作用弱，因此反映微生物降解來源和代謝產(chǎn)生的蛋白類有機(jī)物含量很低。

圖4 兩組分平行因子熒光圖譜

熒光參數(shù)r（a，c）代表富里酸類熒光峰與腐殖酸類熒光峰強(qiáng)度的比值，用來反映水體腐殖化程度，有研究表明[9]，水體的腐殖化程度與r（a，c）比值呈負(fù)相關(guān)，即r（a，c）值越低，水體腐殖化程度越高。同時(shí)r（a，c）也常被用來分析原水中腐殖質(zhì)的來源，r（a，c）越大，原水受到工業(yè)和生活污染越嚴(yán)重，例如受到城市生產(chǎn)生活排放影響的黃浦江原水r（a，c）達(dá)到了2.29[11]。本研究r（a，c）的比值為1.3，說明黃河水受到的工業(yè)和生活污染相對(duì)較小，有機(jī)物主要來源于河水對(duì)地面的沖刷。

3.2 不同供水方式對(duì)熒光有機(jī)物的影響

不同供水方式下熒光有機(jī)物的組分強(qiáng)度（見表1）。

表1 不同供水方式下有機(jī)物熒光組分強(qiáng)度

從表1 可以看出，不同供水方式下，熒光有機(jī)物組分強(qiáng)度存在不同的差異。市政管網(wǎng)直接供水方式下，組分1（腐殖酸）和組分2（富里酸）熒光強(qiáng)度相對(duì)水泵水箱加壓供水方式較低，但相差不大。這是因?yàn)樗盟涔┧绞较?，管網(wǎng)水需要經(jīng)過更長的路徑，并且在水箱中存在一定時(shí)間的停留，導(dǎo)致熒光有機(jī)物產(chǎn)生小幅度的升高。市政管網(wǎng)水在校園內(nèi)進(jìn)一步通過納濾膜進(jìn)行直飲處理后發(fā)現(xiàn)，無論是直飲熱水還是直飲冷水，其有機(jī)物熒光組分已經(jīng)無法檢出，這也是因?yàn)辄S河水中腐殖質(zhì)類熒光有機(jī)物主要來源于河流的沖刷，相對(duì)分子質(zhì)量較大，納濾膜能夠進(jìn)行很好地截留，導(dǎo)致直飲水中幾乎不含熒光組分。

4 結(jié)論

（1）3DEEM 技術(shù)靈敏度高，簡單便捷，3DEEMPARAFAC 分析法能夠通過大量三維熒光數(shù)據(jù)的迭代運(yùn)算，準(zhǔn)確找出樣品中具體的熒光特征組分。

（2）以黃河為水源的市政管網(wǎng)水中有機(jī)物以腐殖酸和富里酸為主，蛋白類熒光有機(jī)物含量較少，主要來源于地表徑流的沖刷。

（3）不同供水方式下，有機(jī)物組分強(qiáng)度存在一定的差異，隨著輸水距離和時(shí)間的增長，有機(jī)物含量會(huì)有所上升；由于腐殖質(zhì)類有機(jī)物相對(duì)分子質(zhì)量較大，能夠通過納濾膜進(jìn)行有效的截留，直飲水中難以測出具體熒光組分。