1 重庆理工大学光纤传感与光电检测重庆市重点实验室，重庆 400054
2 重庆大学微电子与通信工程学院，重庆 400044
3 重庆市铜梁区环境保护局，重庆 402560
提出了一种基于MobileNetV2和VGG11组分拟合（CF-VGG11）卷积神经网络（CNN）与平行因子分析（PARAFAC）结合的水样分类和荧光组分拟合方法，通过输入单个三维荧光光谱（3D-EEM）数据来预测水样类别、溶解性有机物（DOM）质量浓度等级和荧光组分。算法以PARAFAC结果为基础建立荧光光谱数据集，分两步完成类别与组分的预测：第一步使用MobileNetV2算法对不同水样进行类别预测和DOM质量浓度分级；第二步使用CF-VGG11网络拟合荧光组分。采集地表水、工业废水处理水、污水处理厂进出口水和乡村饮用水4种类型的水样构建数据集，获得了95.83%的分类精度和98.11%的组分拟合精度。实验结果表明，所提方法可对不同水样和DOM质量浓度等级进行准确分类，拟合特定荧光组分，精确定位污染源，并能进行超标预警。
光谱学 三维荧光光谱 水污染 分类 卷积神经网络
湖南大学化学化工学院化学生物传感与计量学国家重点实验室, 湖南 长沙 410082
随着经济的高速发展, 环境问题正在日益引起人们的广泛关注。 在实际生产中, 农药和塑化剂长期存在滥用的问题, 使其成为最为广泛的环境污染源并对生态环境、 食品、 人畜等造成严重的危害。 针对环境中农药和塑化剂的残留问题, 开发一种灵敏、 快速的高效检测分析方法, 采用三维荧光结合化学计量学方法用于环境水样中噻菌灵(TBZ)与双酚A(BPA)的快速灵敏分析。 兼顾了三维荧光分析的灵敏度高、 信息丰富及化学多维校正方法“数学分离”的显著优势, 仅需要简单的预处理过程即可实现TBZ和BPA的痕量检测。 即使分析物之间以及分析物和水样中未知背景干扰之间的光谱存在严重的重叠, 基于交替三线性分解(ATLD)算法的二阶校正方法仍能借助其显著的“二阶优势”对其进行解析, 并获得可靠的定性定量结果。 其中, TBZ在20~200 ng·mL-1范围内线性关系良好(r=0.9999), 而BPA在40~280 ng·mL-1范围内线性关系良好(r=0.999 1)。 TBZ和BPA在两种水样中的平均加标回收率分别为96.3%~99.1%和90.0%~90.8%, 且标准偏差均低于7.2%。 另外, 计算品质因子, 如灵敏度(SEN)、 选择性(SEL)、 检测限(LOD)和定量限(LOQ), 评估了该方法的准确性。 所得结果均令人满意, 表明所提出的方法能够用于环境水样中TBZ和BPA的准确、 快速定量分析, 为环境中农药和塑化剂的残留问题提供了一种科学有效的监测手段。
三维荧光 二阶校正 交替三线性分解算法 噻菌灵 双酚A Excitation-emission matrix fluorescence Second-ordercalibration Alternating trilinear decomposition algorithm Thiabendazole Bisphenol A 光谱学与光谱分析
2021, 41(8): 2511
1 中国环境科学研究院城市水环境科技创新基地, 北京 100012
2 中国环境科学研究院环境基准与风险评估国家重点实验室, 北京 100012
3 西安建筑科技大学环境与市政工程学院, 陕西 西安 710055
4 同济大学污染控制与资源化研究国家重点实验室, 上海 200092
应用三维荧光技术结合自组织神经网络方法,研究典型城市河流沉积物孔隙水中水溶性有机物(DOM)与颗粒性有机物(POM)组成结构及空间分布特征.自组织神经网络是一种非监督神经网络算法,能够从有机物三维光谱中提取不同的荧光组分,表征各组分的含量.沉积物是重要的有机碳库,而沉积物孔隙水中有机物的多寡可直接反映其环境特征.人们对水体中沉积物孔隙水中的DOM与营养盐特征的研究较多,而对POM的研究较少,尤其对重污染城市支流河的研究更少.因此,选取沈阳市白塔堡河为研究对象,沿河源、农村、城市区域河段采集沉积物孔隙水样品,提取DOM与POM,检测样品的三维荧光光谱.DOM的f450/500值为1.82～1.91,表明DOM主要是微生物源;POM的f450/500值为1.42～1.68,表明POM主要以陆地输入为主.自组织神经网络解析DOM与POM含有类酪氨酸、类色氨酸、类富里酸与类胡敏酸等物质,类酪氨酸主要源于新鲜的具有高氧化的类蛋白物质,而类色氨酸主要为微生物代谢产物。 DOM的各组分丰度之和为POM的2倍,类酪氨酸平均相对丰度在50%以上,类色氨酸的平均相对丰度为18.8%～23.1%,类富里酸相对丰度比类胡敏酸的高,但两者在有机物组分所占比重小。 通过主成分分析,DOM与POM特征呈现沿河源、农村、城市区域河段变化,表明白塔堡河深受人类活动的影响。
水溶性有机物 颗粒性有机物 三维荧光光谱 自组织神经网络 城市河流 DOM POM Excitation-emission matrix fluorescence Self-organizing map Urban river
河北大学化学与环境科学学院， 河北省分析科学技术重点实验室， 河北 保定071002
利用三维荧光光谱法（3D-EEM）研究了保定府河溶解性有机质（DOM）的荧光特性， 根据三维荧光光谱图中荧光峰的位置、 数量及强度变化， 荧光峰之间的相关性， 初步判断荧光物质的类别、 分布和来源。 府河水体溶解性有机质主要有类蛋白质和类溶解性微生物代谢产物两类， 类蛋白荧光峰Ex/Em=225~230/340 nm（A）； 类溶解性微生物代谢产物荧光峰Ex/Em=275/340~350 nm（B）。 不同采样时间和采样点， 府河水体基本上都存在类蛋白荧光峰和类溶解性微生物代谢产物荧光峰。 分析各荧光峰强度与水质指标相关性发现， 两荧光峰之间呈显著性相关， 表明研究区域中类蛋白质和类溶解性微生物代谢产物具有同源性； DOM两类荧光峰与COD, TN, TP, NH3-N呈显著正相关， 表明通过两类荧光峰强度可推测府河污染程度， 为府河污染防治和沿河流域生态环境治理提供参考。
府河 溶解性有机质 三维荧光光谱 相关性 Fu River Dissolved organic matter Excitation-emission matrix fluorescence spectrosco Correlation
中国科学院安徽光学精密机械研究所环境光学与技术重点实验室, 安徽 合肥 230031
苯酚、间甲酚和百里酚由于光谱重叠严重，用常规的分析法较难直接检测。采用三维荧光光谱技术与平行因子分析相结合的方法可同时测定苯酚、间甲酚和百里酚。结果表明，在苯酚、间甲酚和百里酚共同存在下，用平行因子算法得到的苯酚和百里酚分辨结果较好，平均回收率分别为(95.23±2.55)%和(102.8±1.97)%；间甲酚得到的分辨质量浓度偏离实际质量浓度较大。同时，研究了3种酚类的两两混合物，得到的结果优于3种酚类共同存在下得到的结果，用品质因子评估了算法的准确性。实验结果表明，用平行因子算法与三维荧光光谱分析相结合能够同时测定苯酚、间甲酚和百里酚混合物，选择性好，检出限可达1 μg/L。
光谱学 三维荧光光谱 平行因子 苯酚 间甲酚 百里酚 光学学报
2011, 31(s1): s100107
