硝酸盐氮(NO3-N)是水中“三氮”(硝酸盐氮、 亚硝酸盐氮、 氨氮)之一, 能够反映水体受污染的程度, 是水质评估的一项重要指标。 水体中的硝酸盐氮浓度过高不仅会导致水环境污染加重, 而且会对人畜及水产构成较大威胁。 传统的硝酸盐氮检测必须先反应后测定, 具有时间长、 操作复杂、 有二次污染等缺点。 光谱法具有快速、 无损、 无试剂消耗等显著优点。 针对硝酸盐氮难以快速检测的问题, 提出了一种基于紫外吸收光谱的快速定量分析硝酸盐氮的方法。 采集42份浓度为0~20 mg·L-1的硝酸盐氮标准溶液样本的紫外吸收光谱, 每份样本经11次平均处理以减少仪器噪声和环境的影响。 采用SPXY算法按照7∶3的比例划分训练集、 测试集, 对紫外吸收光谱数据使用Savitzky-Golay(SG)滤波算法进行预处理, 通过10折叠交叉验证获得套索回归(lasso regression)合适的正则化参数λ=0.203 6, 再使用Lasso回归在全光谱范围内筛选出与硝酸盐氮相关的光谱特征波长, 将特征波长处的吸光度与样本浓度进行偏最小二乘(PLS)拟合建立硝酸盐氮的回归模型。 采用此建模方法所建立的模型训练集的R2与RMSE分别为0.999 91和0.060 15 mg·L-1, 测试集的R2与RMSE分别为0.999 72和0.046 91 mg·L-1。 为了验证提出的SG-Lasso-PLS预测模型效果, 另外建立了Lasso-PLS, SG-PCA-PLS和SG-PCA-SVR三种预测模型进行对比。 验证结果表明, SG-Lasso-PLS建立的预测模型的R2和RMSE均优于其他三种预测模型。 说明SG滤波能够消除光谱信号的随机噪声, 提高模型的预测精度。 与PCA数据降维算法相比, Lasso可实现全光谱范围内的光谱特征选择和数据降维, 能有效消除光谱数据的冗余信息, 提高模型的预测精度。 因此, 本文提出的SG-Lasso-PLS混合模型能够快速准确的对水体中的硝酸盐氮进行预测。 作为硝酸盐氮浓度检测的基础研究, 能为快速无污染的水质在线监测场景提供算法参考。

利用紫外光谱法分析水体COD时, 当样品达到一定浓度之后(仍处于朗伯-比尔定律通常被适用的浓度范围内), 其溶液紫外吸光度与溶液COD数值会明显偏离线性关系, 此现象在许多学者发表的紫外光谱论文中都曾有所提及。 对此, 选用海洋光学公司的S2000微型光纤光谱仪作为光谱测量仪器, 选用PX-2脉冲氙灯作为激发光源, 在温度为20 ℃(±0.5 ℃)及湿度为35%(±5%)的暗室中进行光谱实验, 测量了COD值为40~680 mg·L-1的34组邻苯二甲酸氢钾溶液样品的紫外吸收光谱, 并基于样品紫外吸收特性进行了分析建模。 采用相关系数法选取优势波段, 通过对比样品紫外吸收光谱的第二特征峰和水质COD分析中常用波长处的COD-吸光度关系曲线动态特性, 选定优势波长为275 nm。 采用逐点延伸的方式, 在较低浓度段利用鲁棒线性回归、 较高浓度段利用非线性最小二乘回归, 反复拟合线性或指数方程, 滑动预测下一个数据点, 根据均方根误差和相对误差判断预设低浓度临界点和较高浓度临界点, 确定了低浓度段和较高浓度段COD-吸光度关系模型的分段点分别为300和560 mg·L-1, 得到低浓度段模型和较高浓度段模型。 通过在优势波长处进行低浓度段、 较高浓度段和全浓度范围的鲁棒线性回归和非线性最小二乘法回归等不同模型的拟合精度比较, 表明40~300和300~560 mg·L-1范围内COD-吸光度关系的线性-指数分段数学模型, 不仅拟合精度最高, 而且预测效果好, 低浓度段的预测均方根误差为4.944 9, 较高浓度段的预测均方根误差为6.768 9, 整体预测均方根误差为5.664 7。 研究结果对紫外光谱应用于较高COD的水质测量和分析具有一定的参考价值。

瑞芬太尼是一类新型、 理想、 手术中常用的一种麻醉镇痛药, 具有起效迅速、 半衰期短、 易于控制、 术后苏醒快等优点, 进入人体后以肾脏代谢为主, 经脱脂代谢后, 形成羧酸代谢物, 即瑞芬太尼酸, 因此对瑞芬太尼及其代谢物瑞芬太尼酸的结构研究很有必要。 目前文献只有对原型药物的结构研究, 而其代谢物瑞芬太尼酸的结构研究未见报道。 建立了紫外吸收光谱法、 红外吸收光谱法、 核磁共振波谱法(包含1H NMR, 13C NMR, 1H-1H COSY, 1H-13C HSQC, 1H-13C HMBC和DEPT)以及质谱方法对瑞芬太尼酸的结构信息进行了鉴别研究。 其中紫外吸收光谱显示瑞芬太尼酸的芳香结构和共轭体系信息, 在紫外末端附近与254.0 nm附近有最大吸收, 分别与该物质E2和B带相对应, 说明分子中存在苯环特征结构。 采用溴化钾压片法制备瑞芬太尼酸样品, 进行红外光谱测试, 红外吸收光谱显示各个官能团的特征吸收峰, 均与瑞芬太尼酸结构中的主要官能团相一致。 利用NMR波谱法(包含1H NMR, 13C NMR, 1H-1H COSY, 1H-13C HSQC, 1H-13C HMBC和DEPT)对瑞芬太尼酸所有的1H NMR和13C NMR信号进行了全面归属。 通过正离子检测模式进行质谱分析, 检测到质荷比(m/z)为362.98, 331.02, 303.10和259.09等碎片离子峰, 此检测结果与瑞芬太尼酸的分子量相一致, 且与瑞芬太尼酸的结构特征相对应。 结合光谱法等多种谱学技术可有效解析瑞芬太尼酸的波谱学数据, 并确证其结构。 结果表明: 多种谱学数据显示与瑞芬太尼酸的结构相一致, 可用于瑞芬太尼酸的结构研究, 并为其质量及纯度研究提供参考。

总有机碳(TOC)是指溶解和悬浮在水中的有机物的总含碳量, 是以含碳量表示水体中有机物总量的综合指标。 TOC的测定通常采用的是国标燃烧法和湿化学法, 但这两种传统方法都具有测试方法复杂、测量时间长、速度慢等缺点, 对大气环境会产生一定污染且仅能在实验室内完成, 无法进行海水的原位在线测量。 而该研究采用紫外吸收光谱法测量TOC, 通过燕山大学自主研发的光谱技术与集成电路相结合研制的TOC光学原位传感器, 能够快速、不添加试剂、不产生二次污染的测量海水中总有机碳的浓度, 且可以不受实验室环境的制约实现海水TOC的在线原位测量。 将基于该方法研制的传感器进行实地下海实验, 测量不同海域（河北沧州黄骅港周边海域、秦皇岛市周边海域）的TOC值, 将传感器测量的结果与国标法测量结果的相关性、一致性、误差等方面进行对比。 结果表明: 在黄骅港海域采取的13个不同水样和秦皇岛周边海域采取的14个不同水样用国标法和TOC光学原位传感器测量的浓度值变化趋势基本一致, 有较好的相关性和一致性, 存在极个别水样产生偏离整体样本曲线的情况。 实验数据经过线性拟合结果显示相关性较好, 对两处不同海域的数据拟合曲线和常规残差分析, 显示黄骅港海域水样的拟合相关系数r为0.859 0, 残差平方和数值为0.165 4, 秦皇岛周边海域水样的拟合相关系数r为0.939 9, 残差平方和为3.513 1。 由于相关系数r=0.939 9＞r=0.859 0, 所以秦皇岛周边海域的水样线性拟合效果好于黄骅港实验。 常规残差0.165 4<3.513 1, 是因为秦皇岛周边一些样本如河流入海口是污染的重灾区, 生活污水和工业污水使水质存在更多干扰因素, 这些干扰因素对海洋TOC光学原位传感器的准确性和稳定性造成了一定的影响。 由于基于紫外吸收光谱法研制的TOC光学原位传感器与传统的国标法测量原理不同, 样本集比较少, 样本浓度覆盖面不大, 海洋环境复杂多变, 存在多种影响因素, 如浊度、 温度、 pH、 浮游生物等, 传感器无法彻底消除所有影响因素引起的误差, 所以测量结果与国标法结果存在一定的误差。 后续工作如何消除海洋环境复杂干扰因素的影响, 减小传感器测量值的误差, 使测量结果更加精确和真实, 需要进一步讨论和更加详细的分析和研究。

近几年来, 二维(2D)材料的研究, 已成为纳米科学最令人兴奋的领域之一。其中液相分离具有层状结构的块体材料来制备二维材料的方法成为研究热点 。相比于化学气相沉积(CVD)等自下而上的制备方法, 通过块体层状材料的剥离制备二维材料及其分散液的方法具有低成本、可大规模生产的优势。在这里主 要研究以液相剥离(LPE)的方法制备石墨烯(graphene)、六方氮化硼(h-BN)和四种过渡金属硫属化物(TMDs)溶液, 这种水溶性的二维材料具有绿色环保、成本 低等优点。使用拉曼光谱(Raman), 原子力显微镜(AFM), 扫描电子显微镜(SEM)等仪器对研制的层状纳米片的物质组分、表面结构等进行表征, 通过紫外(UV) 吸收光谱估算出不同离心转速下的浓度, 最后通过电化学工作站的循环伏安法(cyclic voltammetry)测出用于MoS2纳米片电解质门控的离子液体体电容, 分析 可见制得的二维材料纳米片平均尺寸在400 nm左右, 离子溶液的体电容为1.21 F/cm3, 该体电容是研究电子器件性能的关键性参数。上述表征结果对基于水溶 性二维材料纳米片的电子器件研究有着重要的科学与应用价值。

硝酸盐是水中“三氮”（硝酸盐氮、 氨氮、 总氮）之一, 是反映水体受污染程度的一项重要指标。 传统 “现场采样-离线分析” 的硝酸盐化学检测方法操作繁琐、 耗时长, 难以满足现代水环境实时在线检测需求。 由于硝酸根在紫外区具有很强的紫外吸收特性, 并且紫外吸收光谱法具有简便快速、 可实现实时在线监测等特点, 近年来被广泛用于硝酸盐浓度的测量。 但使用紫外吸收光谱法检测水体硝酸盐含量时, 容易受到水体浊度影响, 造成谱线非线性抬升, 导致测量误差。 目前对浊度补偿算法的研究大都用于水中COD含量的检测, 对硝酸盐检测中浊度干扰去除研究较少。 为此提出一种基于一阶导数紫外吸收光谱的硝酸盐浓度测量方法, 该方法可以减小浊度干扰, 从而提高紫外光谱快速检测硝酸盐含量的准确度。 通过测量福尔马肼与硝酸钠标准溶液和它们混合溶液在190~300 nm波段的紫外吸收光谱并做一阶导数光谱处理, 处理后的光谱采用Savitzky-Golay滤波进行去噪平滑处理, 比较浊度与硝酸盐紫外吸收一阶导数光谱特征, 分波段研究浊度对硝酸盐紫外一阶导数光谱影响, 结果表明硝酸盐导数光谱在220~230 nm波段受浊度影响小; 选取220~230 nm波段作为光谱分析区间, 以30种不同浓度混合的福尔马肼与硝酸钠溶液作为训练样本, 利用偏最小二乘算法建立硝酸盐定量分析模型, 使用该建模模型预测剩下的6种不同浓度福尔马肼与硝酸钠混合溶液中硝酸盐的浓度, 结果表明福尔马肼干扰下硝酸盐测量结果的预测决定系数（correlation coefficient, R2）为0994 3, 预测均方根误差（root mean square error of prediction, RMSEP）为0346 9 mg·L-1。 为进一步验证该方法的准确性与稳定性, 使用该建模模型预测高岭土与硝酸钾配制的混合水样中硝酸盐的浓度, 结果表明该方法对高岭土干扰下硝酸盐测量结果的预测决定系数r2为0991 5, 预测均方根误差RMSEP为0362 8 mg·L-1。 综上所述, 提出的硝酸盐浓度紫外导数光谱检测方法, 采用220~230 nm波段的紫外导数光谱数据, 结合PLS建模, 可以快速准确测量在浊度干扰下水体硝酸盐的浓度, 为发展实际水体硝酸盐在线监测技术与设备提供方法基础。