（检测技术与自动化装置专业论文）多组分有机物荧光光谱数据处理研究.pdf

独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西南科技大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名 q j 7 匆 日期： 4 0 6 t r 关于论文使用和授权的说明 本人完全了解西南科技大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留学位论文的复印件，允许该论文被查阅和借阅；学校可以公布该论文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名 新虢尚帐蝴扩 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 伴随着计算机科学和分析测试学科的迅速发展，分析测试领域内面临着 巨大的挑战：分析手段的多样化和仪器化使得获取测试对象的数据变得容易 的同时，如何从大量的数据中快速有效解析出有用的信息成为了当前研究的 瓶颈问题。 论文首先介绍了国内外化学计量学的发展动态和研究热点问题，以葸、 程 谱 通 优 重 度 芘获分优分素为证提可 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t w i t hr a p i d l yd e v e l o p m e n to fc o m p u t e rs c i e n c ea n da n a l y s i st e s t ，t h i sa r e a a r ef a c i n gah u g ec h a l l e n g e ：d a t ac a nb eg e tw i t hg r e a te a s yb yt h ed i v e r s i t yo f i n s t r u m e n t sa n de q u i p m e n tf o rt e s t i n gw h i l e ，h o wt h o s el a r g ea m o u n t so fd a t a c a nb eq u i c k l ya n de f f e c t i v e l yr e s o l v e dw i t ht h em o s tu s e f u li n f o r m a t i o nh a s b e c o m et h eb o t t l e n e c ko fc u r r e n tr e s e a r c h f i r s t l y , t h et h e s i s s u m m a r i z e dt h ed e v e l o p m e n ts t a t u so ff l u o r e s c e n c e a n a l y s i st e c h n o l o g yo np a h si nc h i n aa n da b r o a d ，a n di n t r o d u c e dt h ep r i n c i p l e o ff l u o r e s c e n c e a n a l y s i s a s t h e t y p i c a lp a h s ，a n t h r a c e n e ，p y r e n e a n d p h e n a n t h r e n ew e r em e a s u r e db yc o n v e n t i o n a ll a bs p e c t r o m e t e r ，w h i c hp r o v i d e d t e c h n i c a lb a s i sf o rt h ef o l l o w i n gw o r k c h e m o m e t r i c sm e t h o d sa r ea p p l i e dt o f l u o r e s c e n c ea n a l y s i s s u c ha sp r i n c i p a lc o m p o n e n tr e g r e s s i o n ( p c r ) ，p a r t i a l l e a s ts q u a r e s ( p l s ) a n da r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k ( a n n ) a r es t u d i e dr e s p e c t i v e l y t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ep r i n c i p a lc o m p o n e n tr e g r e s s i o nc a na c h i e v ea c c u r a t e l y p r e d i t i o no ft h ev a r i o u sc o m p o n e n t so ft h es y s t e m ，b u tp a r t i a ll e a s t s q u a r e s m e t h o di sm u c hb e t t e r ；n e u r a ln e t w o r ki sm o r es u i t a b l ef o rn o n l i n e a rs y s t e m t o s o l v et h ea l i a s i n gp r o b l e mo nf l u o r e s c e n c es p e c t r ao fa n t h r a c e n ea n dp y r e n e ，t h e e f f e c t i v e n e s so fc h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r se x t r a c t i o na l g o r i t h mw a sc o n f i r m e db y t h r e e d i m e n s i o n a lf l u o r e s c e n c e s p e c t r a o f t r y p t o p h a n a n do t h e r s t h e c h a r a c t e r i s t i c p a r a m e t e r s o fa n t h r a c e n ea n d p y r e n e w e r ee x t r a c t e d u s i n g t h r e e d i m e n s i o n a lf l u o r e s c e n c es p e c t r a ，a n dt h e yw e r ea n a l y z e db yb pa r t i f i c i a l n e u r a ln e t w o r k t h er e s u l t ss h o w e dt h i sa l g o r i t h mc o u l di d e n t i f ya n t h r a c e n ea n d p y r e n eq u i c k l ya n de f f e c t i v e l y ，a n di th a dg r e a tf e a s i b i l i t ya n dr e p l i c a b i l i t yt ot h e s p e c t r a a l i a s i n gm a t e r i a l s f i n a l l y ，p r e s e n t e dt h ep r o b l e mo fi n f o r m a t i o nr e d u n d a n c ef a c t o ri ns p e c t r a l d a t aa n a l y s i s ，i n v e s t i g a t e dt h r e e c o m p o n e n tm i x t u r e sf l u o r e s c e n c es p e c t r ad a t a o fa n t h r a c e n e ，p y r e n ea n dp h e n a n t h r e n et h r o u g hp r i n c i p a lc o m p o n e n tr e g r e s s i o n a n a y l s i s a n dm o v ew i n d o w sw a v e l e n g t hs e l e c t i o ni nc h e m o m e t r i c s t h e o r e t i c a l a n a l y s i sa n de x p e r i m e n t a lr e s u l td e m o n s t r a t e dt h ec o n c l u s i o nb l e w ：t h e r ew a s i n f o r m a t i o nr e d u n d a n c yi nf l u o r e s c e n c es i n g a l ；t h ed a t aw h i c hh a v e b e e n o p t i m i z e db yr e d u n d a n c yt e c h n i q u e sc o u l ds h o wm o r er e a l i s t i ci n f o r m a t i o no f t h et e s ts a m p l e sq u a n t i t a t i v e l y , f o rt h em u l t i c o m p o n e n tm i x e ds y s t e mw h i c h 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 i i 页 s p e c t r a lw a so v e r l a ps e r i o u s l y , a n a l y s i sw i t ht h ed a t aw h i c hh a v eb e e no p t i m i z e d t h r o u g hr e d u n d a n c yt e c h n i q u e sc o u l di m p r o v et h es e n s i t i v i t ya n ds t a b l i t yo ft h e m o d e l s k e yw o r d s ：p o l y c y c l i ca r o m a t i ch y d r o c a r b o n s ；f l u o r e s c e n c ea n a l y s i s ； c h e m o m e t r i c s ；i n f o r m a t i o nr e d u n d a n c e ；w a v e l e n g t ho p t i m i z e 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 v 页 目录 1 绪论1 1 1 化学计量学的发展过程和研究对象l 2 3 西南科技大学硕士研究生学位论文第v 页 3 3 定性分析一特征参量的方法及其原理3 1 3 3 1 三维荧光谱的特征参数。3 1 3 3 2 算法流程3 2 3 33 特征参量算法验证3 3 3 3 3 1 实验数据来源一3 3 3 3 3 2 三维荧光光谱指纹图一3 3 3 3 3 3 特征参量提取3 5 3 3 3 4 敏感特征参量的选择3 8 3 4 化学计量学方法在多组分多环芳烃荧光分析中的应用4 0 3 4 1 多元线性回归4 0 3 4 2 主成分回归法一4 2 3 4 3 偏最小二乘法4 4 3 4 4 人工神经网络法4 6 3 4 5 多环芳烃荧光光谱特征参量提取一4 7 3 5 本章小结51 4 多组分混合体系荧光光谱分析的信息冗余初步研究一5 3 4 1 问题概述5 3 4 1 1 光谱信息冗余5 4 4 1 2 光谱信息冗余研究中的波段优化选择一5 4 4 2 实验设计一5 5 4 2 1 样品与试剂5 5 4 2 2 仪器条件5 5 4 3 光谱信息冗余问题的验证5 5 4 3 1 逆向距离加权方法在多组分荧光光谱分析中的原理5 6 4 3 2 逆向距离加权方法处理光谱5 6 4 3 3 验证问题结果分析5 7 4 4 实验结果分析5 8 4 3 1 主成分分析回归法5 8 4 3 2 窗口平移主成分回归波段选择法一5 8 4 5 本章小结6 1 结论6 2 致 射6 4 参考文献6 5 西南科技大学硕士研究生学位论文第v i 页 攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果7 1 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 页 1 绪论 伴随着计算机科学和现代分析测试学科的迅速发展，以化学分析为主的 经典分析方法已经发展成为以众多仪器或众多联用仪器分析( 如光谱分析和 色谱分析等) 为主的现代分析，现代分析测试学科的两个主要特征是：测试 体系的复杂化和分析手段的仪器化，如何从分析仪器提供的大量数据中提取 有用的信息已经成为分析测试专业人员解决复杂分析体系时面临的一个重 大挑战，另一方面如何将分析方法和测试仪器本身紧密的联系在一起，让分 析方法指导仪器的构建成为了一个非常具有研究前景的方向，因为现实中巨 大的现场分析测试需求使得分析人士将问题的中心从如何获取信息转移到如 何最大限度的挖掘已掌握的数据信息，并在最大程度上降低探测仪器的开发 成本，显然在特定场合下，对一种或几种重点关注对象的分析测试中合理权 衡各方面的条件，确定出最优的解决方案不仅是确实可行而且是非常具有意 义的。面对上述首个问题，一门新兴的学科一一化学计量学应运而生，并逐 步成为非常活跃的研究领域之一心1 1 ，化学计量学的发展有力的解决了分析测 试领域内的瓶颈问题。 1 1 化学计量学的发展过程和研究对象 化学计量学综合运用数学、统计学和计算机科学以及其他相关科学理论 和方法，设计最优测试方案，通过数据分析从量测数据中最大限度提取有用 的化学信息及其他信息，也可以说化学计量学是分析测试、数学、统计学和 计算机科学等学科的一个接口托1 1 。1 9 7 1 年瑞典化学家w o l d 初次提出了化学 计量学这一新学科，随后在l9 7 4 年w o l d 和美国的k o w a l s k i 共同创立了国际 化学计量学学会，极大的促进了化学计量学的研究和应用推广。化学计量学 家们借鉴和灵活运用数学、统计学、计算机科学和人工智能等许多学科的优 秀成果，并根据所研究问题的特点发展了一系列用于分析测试数据的化学计 量学方法，编写了大量的优秀化学计量学软件。两种专业学术期刊j o u r n a lo f c h e m o m e t r i c s ( 化学计量学杂志) 和c h e m o m e t r i c sa n di n t e l l i g e n tl a b o r t a t o r y s y s t e m s ( 化学计量学与智能实验室系统) 进一步推动了该学科的发展。 经过3 0 多年的历练，化学计量学的基础理论和方法已经基本上形成了一 个完整的体系，成为一门内涵相当丰富的学科分支，其研究领域主要包括： 采样理论与方法、实验方案设计、过程控制与优化、多元校正、多元分辨、 西南科技大学硕士研究生学位论文第2 页 化学信号处理及模式识别、人工智能与化学专家系统等。分析测试学科已经 从单纯的提供数据上升到从数据中获取有用的信息，为生产和科研中实际问 题提供解决方案的强大工具h ，其应用范围覆盖了食品科学、环境科学、材 料科学等，但凡涉及到化学量测及其数据分析的领域都能看到化学计量学的 应用。 化学计量学的研究内容大致包括两个方面t a ，：一是化学计量学在分析测 试及其他相关领域的应用研究，这是化学计量学实现其实际价值的基础，在 众多的在线现场检测与控制过程中已经得到了广泛的应用，其研究范围大大 超过了原先的化学分析领域，解决了传统方法无法解决的问题，体现了化学 计量学的强大优势。另一方面是化学计量学基础理论与方法的研究。化学计 量学的本质在于从多变量的角度看待仪器测得的数据。因此可以讲其他领域 中的许多理论和方法引入化学计量学并结合其独有的特征，建立适合于解决 实际问题的化学计量学算法。这两方面的内容是相互促进和关联的，实际问 题的解决促进了化学计量学在各分析测试相关或者相邻领域的应用；另一方 面随着实际研究问题的复杂化，对化学计量学提出了更高的研究，使得新方 法不断涌现。抓住问题的本质：化学计量学研究和处理的对象始终依赖于分 析仪器产生的数据进行最大限度的挖掘和利用其相关信息，这部分内容也构 成了化学计量学的核心部分。 下面将重点介绍本文研究工作相关的化学计量学领域内多元校正技术的 发展。 1 2 多元校正技术 随着环境科学和食品科学等学科的高速发展，对各种复杂多组分体系进 行快速的定性和定量分析已经成为分析测试领域内的主要研究内容。化学计 量学中的多元校正技术为上述问题解决提供了一个很好的途径，并且已经许 多领域内获得了广泛的应用和认同，多元校正技术主要研究如何从量测数据 中提取分析体系中的定性和定量分析信息，是整个化学计量学方法体系中的 核心内容阳，。 多元校正技术的本质在于建立两类测量变量的数量关系，利用其中易于 获取的变量来预测另一类比较难以获取的变量( 费时如物理化学分离等) ，例 如用光谱测量数据预测感兴趣的组分含量信息，即可用简便快速的光谱测量 代替传统的化学分析方法。与传统的单变量校正方法相比，多元校j 下不仅可 西南科技大学硕士研究生学位论文第3 页 以有效提高定量分析的选择性，而且可靠性更高，这是因为测试通道往往比 较多，获得的谱线范围更宽。该方法已经被广泛的应用于荧光光谱、近红外 光谱、核磁共振、光谱成像、色谱和质谱等多元数据分析中。由于大多数光 谱量测过程都可以近似认为服从比尔定律以及考虑到线性模型的优点，两种 线性多元回归校正方法主成分回归( p r i n c i p a lc o m p o n e n tr e g r e s s i o n ，p c r ) 1 2 ) 【1 3 】 和偏最小二乘回归( p a r t i a ll e a s ts q u a r e sr e g r e s s i o n ，p l s r ) t “】【”成为最常用的方 法，主成分回归和偏最小二乘回归都属于隐变量回归方法，即用隐变量对数 据进行提取和压缩，用原始测量变量的线性组合构成一组隐变量对来预测响 应变量的值。隐变量的优势在于保留了预测变量中的相关信息而去除了那些 不相关和不稳定的信息，经验和理论研究都表明隐变量方法能够改善模型的 预测性能。另外由于所有的预测变量都被投影到少量的隐变量中，数据的维 数明显降低，在p c r 中所有主成分( 隐变量) 在向量空间上相互正交，并且 依次按方差的大小顺序排列，p l s 和p c r 的不同之处在于p l s 在构造因变 量是还考虑了响应变量的信息，所提取的隐变量与响应变量之间的协方差最 大，与主成分相比p l s 的隐变量与响应变量有更直接联系且计算速度较p c r 相比更快，所以p l s 在多元校正中获得了最为广泛的应用。有研究表明在某 些假设下，偏最小二乘的隐变量指向分析测试信号的最大信噪比方向”，这 样就不难理解为何隐变量方法能够提高分析预测精度的问题了。但是在实际 的校正过程中还有许多关键问题，如代表性训练集样品的选择、预测模型中 波长变量的选择以及信号预处理都会都会对最终校正模型的准确性和稳定性 有很大的影响。 光谱变量即波长变量的选择是多元校正技术中的一个热点问题，理论研 究的结果”表明，无论数据的误差如何分布，在多元校正模型中引入无信息 的变量都会产生负面的效果，大量的实际经验也表明 1 s - 2 0 ，把那些不含定量信 息的预测变量排除在多元校正模型之外，可以有效的改善模型的预测能力， 这部分内容详见第四章。在实际的多元光谱校正中，考虑到荧光光谱数据具 有一定的连续性，即邻近波长变量具有相似的性质，则可按波长区间进行变 量的选择，即把全光谱波段分成若干个子举荐进行操作比对全部的波长变量 进行操作更加简单，而且保持了可能存在的局部数据结构。另外选择较多的 波长变量有助于保持校正的多通道优势和校正模型的稳定性。间隔偏最小二 乘( i n t e r v a lp a r t i a ll e a s ts q u a r e s ，i p l s ) 模型幢可以形象地显示出基于每个波 长子区间的校正模型预测能力，在这个基础上分为可以选择向前和向后两种 波长区间选择方法”。另外发展了更高级的基于遗传算法的间隔偏最小二乘 西南科技大学硕士研究生学位论文第4 页 瞳3 2 模型。窗口移动偏最小二乘( m o v ew i n d o wp l s ，m w p l s ) 模型m ，通过在 一个不断移动的波长窗口上建立校正模型，记录连续的波长区间上不同隐变 量数目的p l s 模型的预测误差，通过灵活的改变窗口宽度和变量间隔大小 2 6 - 2 a ) ，最终选择出使模型预测误差最小和稳定性最高的波段组合来建立校正模 型。 在光谱量测数据受到较高的测量误差、背景、和基线漂移等不利因素影 响时，为了获得稳定的校正模型，对原始光谱量测数据进行适当的预处理时 非常有必要的。多元校正中的光谱数据预处理方法包括平滑和求导2 9 、多元 散射校正( m u l t i p l i c a t i v es c a t t e rc o r r e c t i o n ，m s c ) n ”、标准正态变量( s t a n d a r d n o r m a lv a r i a t e ，s n v ) 和正交信号校正( o r t h o g o n a ls i g n a lc o r r e c t i o n o s c ) b 2 】 等，其中平滑是分析信号预处理中最常用的去噪声和提高信噪比的方法，其 中的窗口移动多项式平滑方法窗口大小越多，多项式次数越低使得平滑的程 度越大乜”，但是过多的平滑会使信号变形和分辨率下降；窗口宽度越小，拟 合次数越高，则拟合的程度越大，过多的拟合不能充分的去除噪声，因此窗 口的宽度和多项式的次数都是影响结果的重要参数。采用导数光谱能够在一 定程度上消除背景和增强光谱差异，但同时也会使光谱信号的信噪比降低， 可能造成模型的不稳定性。于此类似m s c 、s n v 和o s c 等方法都可以在一 定程度上消除与定量分析无关的光谱信息，但是任何基于数据变换的预处理 方法都可能会造成信息的丢失，另外由于光谱数据本身的复杂性，选择最合 理的预处理方法需要多次的尝试和经验知识才能确保提高模型的预测性能。 1 3 荧光光谱分析中的化学计量学方法 二维化学测试数据分析中的化学计量学作为一种强有力的工具已广泛应 用于分析测试学科中的光谱和波谱的研究领域，尤其在荧光光谱分析中发挥 着重要作用。根据光激发原理，当用一种特定波长的光( 如紫外光) 照射具 有吸收光子能力的物质时，在一瞬间( 1 0 - s s ) 可发射出比激发光波长长的光， 即荧光。因此，可以用此荧光的强度束表征被测物质的浓度，用其荧光谱差 异来鉴别被测物质的种类。在光吸收过程中，荧光物质有几个吸收峰带，但 发射的荧光谱只有一个峰带。不同荧光物质由于分子结构和能量分布的差异 各自显现出不同的吸收谱和荧光谱，这就决定了荧光测量法具有良好的选择 性和鉴别性。多环芳烃( p o l y c y c l i ca r o m a t i ch y d r o c a r b o n s ，p a h s ) 是荧光效 率较高的荧光物质，所以用荧光强度法来实现p a h 污染含量的测量是有严格 二是光谱的定性和定量校正方法，主要是采用模式识别分类方法以及建立多 元校正模型。常用的方法主要包括主成分分析、马氏距离、聚类分析、多元 线性回归、偏最小二乘法、人工神经网络方法以及近年来提出的支持向量机 和特征参量提取方法等，目的在于利用这些化学计量学方法建立稳定可靠的 定性或定量分析模型，以对荧光光谱进行快速准确的实时定性定量分析；三 是模型传递技术的研究，也称为光谱仪器的标准化，目的是将一台仪器上建 立的定性或定量校正模型可靠的移植到其他相同或相似的仪器上使用，从而 减少建模所所需要的时间和费用。化学计量学方法用于荧光光谱中使得荧光 的独特优势得到了充分的发挥，很多光谱预处理方法以及经典的定性定量分 析模型都被写成方面的软件“。总之化学计量学已经成为荧光光谱分析中的 重要组成部分。 由于化学计量学本身的优越性，同时现代计算机技术及信息科学的发展 为化学计量学提供动力，使化学计量学方法的应用越来越广泛，涉及到化学 量测的大多数领域，如食品工业、环境化学、生物工程、临床诊断、药物化 学、海洋化学等等，并对这些领域带来了深远的影响。下面主要介绍近年来 化学计量学方法在环境分析领域中的若干应用。 对化学计量学与荧光光谱技术的结合应用，国内外都有连续大量的文献 报道。r f e r r e r ，j l b e l t r a7 n ，j g u i t e r a s h 引采用同步荧光光谱对十组分共存的 多环芳烃体系进行分析，利用p l s r 解析获得的光谱数据，p l s 1 和p l s 2 同时用来对数据进行处理以获得更加准确的模型。待测组分的含量在 4 2 0 n g m l ，预测结果良好，回收率：8 0 1 2 0 ，旨在用数学分离来代替复杂 的化学分离程序，虽然效果不如常用的色谱分析方法，但这将是多组分混合 体系分析的最佳选择。同年，上述作者采用三维荧光光谱( e e m ) 的多元回 归校正的方法分析了十组分的多环芳烃体系，采用p a r a f a c 和t r i p l s 方 法同时对荧光光谱数据进行处理，结果表明t r i p l s 方法获得的效果更好。 此外b e l t r a n 7 1 等考察了p a r a f a c 和p l s r 处理多环芳烃的混合物实际样品 的能力，发现p a r a f a c 用于实际样品分析存在一些缺点，计算过程比较冗 长，更重要的是，非线性的瑞利散射对其有较严重的干扰，而p l s r 比 西南科技大学硕士研究生学位论文第6 页 p a r a f a c 效果要好。作者将p l s 法用于苯酚、对甲基酚和邻苯二酚这三种 内源荧光光谱严重重叠的混合物同时测定，对实际样品分析获得了满意的结 果。l e e c k 引等将激光诱导荧光和化学计量学中的偏最小二乘法( p l s ) 结 合起来，对土壤中的p a h 污染物进行研究。通过人工制样，选择嵌二萘和菲 为p a h 典型污染物，同时采集土壤的荧光光谱和漫反射率，经过p l s 数据 分析，发现荧光强度和土壤中p a h 浓度之间有很好的线性关系( 菲：r = 0 9 6 ； 嵌二萘：r = 0 9 0 ) ，指出激光诱导荧光强度和漫反射率都与土壤的属性有关， 研究结果表明：对于p a h 污染的土壤样品，激光诱导荧光光谱可以对其进行 分类和定量。g u n d u l aw o l f , j o n a ss a l m e i d a 阳们等人用主成分分析和人工神经 网络方法相结合对生物反应器中的多组分体系进行二维荧光光谱解析。利用 主成分分析的结果作为人工神经网络的输入向量，进行相应的训练。实验表 明：每个荧光谱图进行主成分分析后的6 个主成分囊括了该光谱9 9 5 的信 息，以此6 个主成分作为神经网络的输入向量，使得人工神经网络的复杂性 降低并提高了训练速度，且预测获得了良好的效果( 相关系数大于等于o 7 ) 。 o d i v y a ，a s h o kk m i s h r a 们介绍了p a r a f a c 和n p l s 方法在柴油和煤 油的混合体系荧光光谱数据处理中的应用，校正集由不同含量的柴油和煤油 混合而成，预测则采用留一交互验证的方法，采用最小均方预测误差 ( r m s e p ) 来评估模型的精度，实验表明n p l s 方法获得的r m s e p 比 p a r a f a c 要小。张卉枫，吴海龙，夏阿林等采用平行因子分析和自加权交 替三线性分解二阶校正法与三维荧光光谱相结合，对葸( a n t ) 和菲( p h e ) 进行 直接定量测定。测量体系的成分数预估计值选择3 ，两种方法分辨后的回收 率分别为( 1 0 6 3 1 2 ) 、( 1 0 2 3 1 8 ) 和( 1 0 6 5 8 1 。0 0 ) 、( 1 0 2 2 6 1 8 3 ) 。 对在未知干扰存在下，土壤提取液中加人的a n t 和p h e 含量进行测定。实 验结果表明，将三维激发发射荧光光谱与平行因子分析算法和自加权交替三 线性算法相结合，可以解决多环芳烃光谱重叠引起的难分辨问题，能够在未 知干扰共存条件下进行各待测物各组分的同时快速定量分析。用于实际环境 中多环芳烃的定量分析，结果可靠快速。金丹h 2 1 运用三维荧光光谱法对葸、 芘、荧葸和菲四种多环芳烃的荧光光谱进行了解析，实验显示菲与葸均有三 个较强的荧光区域：芘有多个荧光区域；荧蒽有两个荧光区域。菲、葸、芘和 荧葸的最大荧光峰分别位于2 5 0 3 6 4n m 、2 5 0 4 0 2n m 、2 4 0 3 7 2n m 及2 8 6 4 6 2 n m 。本实验室的职统兴师兄3 1 通过岛津r f 5 3 0 1 荧光光谱仪，准确测定了葸 和芘的二维荧光光谱数据，并应用主成分回归方法分析了蒽芘两组分混合体 系的荧光光谱数据，获得了很好的效果。 西南科技大学硕士研究生学位论文第7 页 由于物质的荧光光谱相对荧光强度较低，而且谱带重叠严重，在荧光光 谱分析使用的化学计量学方法中，光谱预处理和波长选择方法相当重要，荧 光光谱的定性、定量分析都是在这个基础上建立起来的。其中波长变量的选 取对建模模型的预测能和稳健性影响很大，波长选择的物理依据和意义主要 包括以下几点，：( 1 ) 有些光谱区域的样品的有效光谱差异小，不能提供样品 结构信息；( 2 ) 在一些波段范围内，样品的光谱与其组成或性质之间缺乏线性 相关关系；( 3 ) 由于荧光光谱数据通常存在严重的波峰重叠现象，使得多组分 体系中有些波动的光谱信息的选择测量性和灵敏度较差而直接影响模型的预 测精度；( 4 ) 仪器的影响，一些波段的样品的光谱信噪比较低，光谱质量差； ( 5 ) 外界的干扰因素对样品成分在某些波长处的光谱吸收特性影响较大，这样 会降低模型的稳健性，这对于信号本身就十分微弱的荧光而言十分不利；( 6 ) 当波长变量数目过多时，模型计算复杂，而且会在很大程度上引进误差，降 低模型的预测精度；( 7 ) 波长优化选择可以减少波长变量的个数，提高测量速 度，节省系统资源。在其他的多变量光谱数据分析中也存在以上的问题，如 紫外、近红外光谱等。因此波长选择是光谱数据分析中建立稳定可靠的多变 量校正模型所面临的一个重要问题。 1 4 本文的主要研究目的、意义及内容 本文旨在通过对化学计量学的发展方向和难点问题的追踪分析，利用成 熟的化学计量学方法快速准确的实现多组分多环芳烃体系的荧光光谱数据解 析，并提出基于波段优化的光谱信息冗余技术，为化学计量学方法推动环境 监测中光谱技术的应用提供新思路。结合实际项目需要，选取了多环芳烃 p a h s 的二维荧光光谱数据解析中几个较为重要的问题进行了探讨，研究所 涉及的内容可以大概分为以下几个方面： ( 1 ) 多环芳烃的荧光光谱特性研究 用实验室通用荧光光谱仪对几种典型多环芳烃( p a h s ) 进行二维荧光光 谱测量，获得它们的荧光光谱原始数据资料，为后续多环芳烃的荧光分析提供 技术依据。 ( 2 ) 化学计量学方法在多组分多环芳烃体系中的应用研究 应用化学计量学多元校正领域内的多元线性回归( m l r ) ，主成分回归 ( p c r ) 、偏最小二乘法( p l s ) 、人工神经网络( a n n ) 以及特征参量提取 方法对通过实验获取的多组分多环芳烃荧光光谱数据进行分析和比较。结果 西南科技大学硕士研究生学位论文第8 页 显示特征参量提取方法可以很好的提取出蒽和芘的敏感特征参量供定性识别 研究使用，主成分回归、偏最小二乘法和人工神经网络方法可以很好的反演 出被测体系各组分的浓度信息，并通过比较各自的预测残差平方和得到结论： 应用主成分回归可以实现混合体系的各组分精确预测，但是没有考虑到因变 量的因素其效果略差于偏最小二乘法；神经网络则比较适合线性关系不佳的 体系，总体上获得比较满意的结果。 ( 3 ) 二维光谱数据分析中的波长选择方法和光谱信息冗余问题的研究 由于获得的光谱数据中含有几百甚至几千个波长变量。如果采用全光谱 建立多变量校正模型时，计算工作量很大。而且这些波长变量中很多是冗余 的，存在着严重的共线性问题和噪声问题。光谱分析中的波长选择方法就是 从所有光谱中提取最有效的波长变量，简化数据运算，提高预测模型对待测 组分的预测能力。在此基础上提出了光谱信息冗余这一概念，选择合适的数 据处理方法并用于多组分定量分析中，对光谱重叠严重的多组分多环芳烃体 系进行分析，证明这一设想的可行性。 本课题受到国家8 6 3 计划项目“土壤多环芳烃污染的光纤传输激光诱导 荧光直接探测技术”( 2 0 0 6 a a l 0 2 2 1 4 ) 的资助。 西南科技大学硕士研究生学位论文第9 页 2 荧光光谱分析的理论基础 一些物质从外界吸收并储存能量而进入激发态，当其从激发态再回到基 态时，过剩的能量以电磁辐射的形式放射( 即发光) 称之为荧光。可产生荧光 的分子或原子在接收能量后即刻引起发光，当激发光停止照射后，发光过程 几乎立即停止，荧光发光过程在激发光停止后1 0 - 9 - - 1 0 - 6 s 内停止。 当物质分子结构不同时，分子所吸收光的波长和发射的荧光波长也有所 不同，即不同的物质荧光峰的位置不同，以此可以定性鉴别物质。同一种分 子结构的物质，用同一波长的激发光照射，可发射相同波长的荧光。若该物 质的浓度不同，则浓度大时，所发射的荧光强度亦强，利用这个性质可以进 行定量测定。用荧光进行定性、定量分析的方法称为荧光分析法，亦称为荧 光光谱法。 2 1 荧光产生机理 当物质的原子、分子吸收了某一光谱区如紫外、可见光区电磁辐射时， 它的原子、分子产生能级跃迁，跃迁到高能态，然后又通过辐射弛豫到一种 激发态的最低振动能级，则最低振动能级的原子回到基态时发射光子，即荧 光。根据量子理论，吸收的光子能量可由下式表示： e l e n = h v = h c 允 ( 2 1 ) 式中：e r 吸光物质的基态能级 e ，一吸光物质较高的能级 办一普朗克( p l a n k ) 常数 一光的频率 a 一光的波长 卜真空中的光速 吸收光谱和荧光光谱能级跃迁如图2 1 所示。分子具有一系列的能级， 当自某一能级转移至能量较高的其它能级时，它吸收了相当于这两个能级之 差的能量。在光线照射下，一小部分的分子吸收了能量，跃迁至较高能级而 成为激发分子。而这部分激发分子是不稳定的，在很短暂的时间内( 约1 0 - 8 s ) ， 它们首先因撞击而以热的形式损失掉一部分能量，从所处的激发能级下降至 第一电子激发态的最低振动能级，然后再由这一能级下降至基态的任何振动 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 0 页 能级。在后一过程中，激发分子以光的形式放出它们所吸收的能量，发出的 光称为荧光。因荧光所发出的能量比从入射光所吸收的能量略小，所以荧光 的波长比入射光稍长。 2 1 矿1 0 岛 2 1 矿= 0 置 3 2 1 矿= 0 晶 l jl i c jl l i i i t v r i + +i s c 。v r l i 、二1 i 也 ， li c p i ， i 1 r ，r l r r 1f r r1r 图2 1分子能级跃迂示意图【4 4 1 a i ，a 2 ：吸收；f ：荧光；p ：磷光；i c ：内转化；i s c ：体系间窜跃；v r ：振动松弛 f i g 2 1d i a g r a mo fe n e r g yi e v e it r a n s f e ro f1 1 1 0 l e g u ia r 2 2 荧光激发和发射光谱 2 2 1 荧光激发光谱 通过扫描激发单色仪以使不同的入射光激发荧光体，然后让所产生的荧 光通过固定波长的发射单色仪而照射到检测器上，由检测器检测相应的荧光 强度，最后记录荧光强度对激发光波长的关系曲线，即为激发光谱。激发光 谱反映了不同波长激发光引起荧光的相对效率，可供鉴别荧光物质，在进行 荧光测定时供选择适宜的激发波长。理论上说，荧光物质吸收能量的过程也 就是激发过程，所以激发光谱的形状和吸收光谱的形状极为相似，但事实上 不完全等同于物质的吸收特性。 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 1 页 2 2 2 荧光发射光谱 保持激发光的波长和强度不变，使荧光物质所发射的荧光通过单色仪照 射在探测器上，调整发射单色仪至各种不同波长并探测出荧光强度，然后以 荧光强度对照荧光波长所绘成的曲线称为荧光发射光谱，即荧光光谱。它反 映了在相同的激发条件下，物质分子在不同波长上发射荧光的相对强度。可 供鉴别荧光物质，作为荧光分析时选择适当的测定波长或滤光片的根据”。 荧光光谱一般具有以下特征 ( 1 ) 斯托克斯位移在溶液荧光光谱中，所观察到的荧光的波长总是大于 激发光的波长，即在激发与发射之间存在着一定的能量损失。 ( 2 ) 荧光发射光谱的形状与激发波长无关荧光发射发生于第一激发态的 最低振动能级，与荧光物质分子被激发至哪个电子态无关，因此荧光光谱的 形状通常与激发波长无关，见图2 2 。 蜊 蕊 栗 球 茛 罂 发射波长( n m ) 图2 2蒽在不同激发光下的荧光光谱 fig 2 - 2fiu o r e s c e n c es p e c t r ao fa n t h r a c e n ea tdif f e r e n te x cit a tjo n l 疋= 3 6 6 n m ，2 丸= 3 4 7 n m ，3 以= 3 7 5 n m ( 3 ) 与吸收光谱的镜像关系，荧光物质的荧光发射光谱和它的吸收光谱之 间一般存在着“镜像对称”关系，见图2 3 。 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 2 页 3 0 0 3 2 0 3 4 03 6 03 8 0 波长( n 帕 a ) 蒽的吸收光谱b ) 蒽的荧光光谱 图2 3 蒽的吸收光谱和荧光光谱 fig 2 - 3 a b s o r p t io na n dfiu o r e s c e n c es p e c tr a o fa n t h r a c e n e 但是对于荧光光谱来说，其特征还需要进一步的研究讨论，以便能解释 光谱发射过程中出现的各种微观现象。一是由于荧光辐射跨越的是从激发态 的亚稳态到基态之间的能级差，斯托克斯红移不仅是由于激发态分子的无辐 射振动弛豫消耗了部分能量，更重要的是较高的基态能级使得受激发的分子 未能以无辐射形式释放全部能量，所以斯托克斯现象的荧光谱红移程度还直 接与基态的能级结构( 及其微环境) 密切相关，红移不是线性平移。二是复杂 结构的大分子或混合物的荧光光谱与激发波长有明显的关系，只是在有限波 长扫描范围内才与激发波长无关。诸如多环芳烃等有机化合物分子的荧光谱 的形状随着激发波长不同而变化，不同激发波长下的两个发射光谱会有显著 差别。其原因是复杂混合物中不同分子的吸收波长不同，使得混合物整体对 于不同的激发波长产生了不同的荧光谱。三是荧光物质的吸收特性在能量谱 方面涵盖了荧光发射特性，能量转换过程不是双向等价的，因而吸收特性和 发射特性曲线不是完全对称关系h 5 4 “。 2 3 荧光参量 2 3 1 荧光分子的平均寿命 荧光寿命是指当去掉激发光以后，分子的荧光强度降到最大荧光强度的 1 e 所需要的时间，对于处于s 1 电子态的荧光体来说，其平均寿命( f ) 可用 下式表示： 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 3 页 弘赢kk q 。2 ，+ 式中，0 为荧光发射的速率常数，k 为各种单分子的非辐射去活化过 程的速率常数的总和。 荧光发射是一种随机过