本發(fā)明涉及水溶液中重金屬離子檢測(cè)技術(shù)，具體涉及一種提高多種重金屬離子同時(shí)檢測(cè)靈敏度及準(zhǔn)確度的方法。

背景技術(shù)：

近年來(lái)，隨著工業(yè)化的蓬勃發(fā)展，隨之而來(lái)的污染問(wèn)題也越來(lái)越嚴(yán)峻，環(huán)境保護(hù)被提上日程，防治重金屬污染便是其中重要的一環(huán)。眾所周知，重金屬在環(huán)境中不可降解，且會(huì)在生物體內(nèi)長(zhǎng)期積累，引起多種疾病，是環(huán)境中較為危險(xiǎn)的污染物。如何對(duì)水質(zhì)中的重金屬離子進(jìn)行檢測(cè)顯得尤為重要。

目前，建立了多種傳統(tǒng)重金屬離子檢測(cè)方法。如原子熒光光譜法(AFS)、原子吸收光譜法(AAS)、電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜(ICP-AES)、電感耦合等離子體質(zhì)譜(ICP-MS)等。然而，這些方法大多數(shù)受到一些限制，例如需要昂貴的儀器、實(shí)驗(yàn)室裝置、高操作成本和工作人員熟練的分析技能。

紫外-可見(jiàn)分光光度法具有操作簡(jiǎn)單，響應(yīng)快速，運(yùn)行成本低的顯著優(yōu)勢(shì)，是用于檢測(cè)重金屬的一種方法。近些年來(lái)，我們嘗試采用紫外可見(jiàn)光分光光度法結(jié)合偏最小二乘法對(duì)水溶液中多種重金屬離子進(jìn)行檢測(cè)(卞?；?，孫帥帥，郭玉高，王秋男，譚小耀，一種經(jīng)濟(jì)、智能的水中多種重金屬離子同時(shí)檢測(cè)的方法，中國(guó)發(fā)明專(zhuān)利，2013，ZL201310537969.8)。該方法可以對(duì)水中含量在6.004～85.01毫克/升范圍內(nèi)的重金屬離子很好地預(yù)測(cè)。但是上述檢測(cè)的重金屬離子濃度較高，如果降低重金屬離子濃度就會(huì)導(dǎo)致檢測(cè)準(zhǔn)確度降低。如果在檢測(cè)重金屬之前進(jìn)行預(yù)富集，則可以提高重金屬離子檢測(cè)的靈敏度。

作為一種新興的高效、節(jié)能、環(huán)境友好的分離與富集技術(shù)，膜富集技術(shù)是解決目前資源危機(jī)和環(huán)境惡化問(wèn)題的有效手段，已在許多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。如果采用傳統(tǒng)的紫外分光光度法，需要對(duì)富集到膜上的重金屬離子進(jìn)行洗脫再測(cè)量其透過(guò)率，操作過(guò)程繁瑣。最近發(fā)展起來(lái)的紫外可見(jiàn)漫反射光譜可以直接對(duì)固體樣品進(jìn)行測(cè)量。將重金屬離子先富集到膜上，再采用紫外可見(jiàn)漫反射光譜直接測(cè)量，該方法無(wú)需經(jīng)過(guò)洗脫步驟，操作大為簡(jiǎn)化。杜等(Wang Lei，Cao Peng，Li Wei，Tong Peijin，Zhang Xiaofang，Du Yiping，Simultaneous detection of trace metal ions in water by solid phase extraction spectroscopy combined with multivariate calibration，Spectrochimica Acta Part A：Molecular and Biomolecular Spectroscopy，2016，159：151-156)提出了一種基于膜富集-紫外可見(jiàn)漫反射光譜的痕量重金屬離子測(cè)定方法，該方法一方面采用膜對(duì)重金屬離子富集，另一方面通過(guò)建立偏最小二乘模型對(duì)兩種重金屬離子同時(shí)檢測(cè)。我們(卞希慧，陳曼婷，趙賀，郭玉高，譚小耀，一種基于膜富集-紫外可見(jiàn)漫反射光譜的痕量重金屬離子測(cè)定方法，中國(guó)發(fā)明專(zhuān)利，2015，ZL 201510800259.9)也嘗試了這方面的工作，但是重金屬離子檢測(cè)范圍在0.04～0.50毫克/升之間，依然沒(méi)有達(dá)到微克級(jí)的痕量檢測(cè)范圍。

綜上，本發(fā)明一方面引入膜富集的方法，結(jié)合紫外可見(jiàn)漫反射光譜，進(jìn)一步提高重金屬離子檢測(cè)的靈敏度，可以實(shí)現(xiàn)微克數(shù)量級(jí)離子濃度的檢測(cè)。另一方面，在建立偏最小二乘回歸模型的同時(shí)，對(duì)光譜進(jìn)行預(yù)處理和變量選擇，可以提高離子檢測(cè)的準(zhǔn)確性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是針對(duì)上述存在的問(wèn)題，引入膜富集技術(shù)，采用紫外-可見(jiàn)漫反射光譜作為檢測(cè)手段，同時(shí)利用一系列化學(xué)計(jì)量學(xué)方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行建模，從而提供一種提高多種重金屬離子同時(shí)檢測(cè)靈敏度及準(zhǔn)確性的方法。

為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明所提供的技術(shù)方案包括以下步驟：

1)膜富集-紫外可見(jiàn)漫反射用于單個(gè)重金屬離子檢測(cè)條件的優(yōu)化

選擇某種重金屬離子作為研究對(duì)象，合適的絡(luò)合劑作為被測(cè)金屬離子的絡(luò)合劑，在含有重金屬離子的溶液中加入絡(luò)合劑，形成金屬絡(luò)合物。然后將溶液抽濾，使絡(luò)合物富集到膜上，測(cè)定膜表面的紫外可見(jiàn)光漫反射光譜。確定金屬絡(luò)合物的最佳分析波長(zhǎng)，pH值，絡(luò)合劑的用量，絡(luò)合反應(yīng)時(shí)間，樣品體積。在最優(yōu)的條件下的對(duì)金屬標(biāo)準(zhǔn)溶液進(jìn)行測(cè)定，得到不同質(zhì)量濃度重金屬離子的標(biāo)準(zhǔn)曲線，超純水作為空白溶液測(cè)定多次，計(jì)算方差S，按3倍方差估算該離子的檢出限(3S/k)。

2)多種重金屬同時(shí)檢測(cè)的數(shù)據(jù)集的測(cè)定

配置一定數(shù)目的同時(shí)含有多種痕量重金屬離子的實(shí)驗(yàn)樣品，為提高重金屬絡(luò)合物的分散性，加入表面活性劑，并考察表面活性劑用量的影響。在最佳反應(yīng)條件下，將每個(gè)樣品溶液抽濾，使重金屬離子絡(luò)合物富集到混合纖維素膜上，待膜干燥后，測(cè)定膜表面的紫外可見(jiàn)漫反射光譜。對(duì)數(shù)據(jù)集進(jìn)行分組，2/3的樣品作為訓(xùn)練集，1/3的樣品作為預(yù)測(cè)集。

3)偏最小二乘方法因子數(shù)的確定

根據(jù)蒙特卡羅交叉驗(yàn)證的交叉驗(yàn)證均方根誤差(RMSECV)隨因子數(shù)(LV)的變化確定偏最小二乘模型的因子數(shù)，RMSECV最小值對(duì)應(yīng)的因子數(shù)為偏最小二乘回歸模型的最佳因子數(shù)。

4)預(yù)處理方法的選擇

考察多元散射校正(MSC)、標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)變量(SNV)、SG平滑、SG一階導(dǎo)數(shù)、小波變換(CWT)等數(shù)據(jù)預(yù)處理方法以及它們之間的組合對(duì)信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理的效果。

5)變量選擇方法的選擇

在最佳預(yù)處理基礎(chǔ)上，進(jìn)一步結(jié)合無(wú)信息變量消除(UVE)、蒙特卡羅無(wú)信息變量消除(MCUVE)、隨機(jī)檢驗(yàn)(RT)等變量選擇方法的效果，選取最佳預(yù)處理-變量選擇方法。

6)最終定量分析模型的建立及對(duì)未知樣品的預(yù)測(cè)

采用最佳預(yù)處理-變量選擇方法，建立偏最小二乘回歸模型。將未知樣品的光譜代入到模型中，預(yù)測(cè)重金屬離子組分的含量。

本發(fā)明的優(yōu)勢(shì)在于一方面引入膜富集技術(shù)將重金屬離子進(jìn)行富集，提高了重金屬離子檢測(cè)的靈敏度；另一方面，采用一系列光譜預(yù)處理及變量選擇方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理及變量選擇，建立偏最小二乘回歸模型，提高了多種重金屬離子同時(shí)檢測(cè)的準(zhǔn)確度。

附圖說(shuō)明

圖1是銅離子的標(biāo)準(zhǔn)曲線

圖2是鈷離子的標(biāo)準(zhǔn)曲線

圖3是銅離子和鈷離子混合液的紫外可見(jiàn)漫反射光譜

圖4是銅離子最佳預(yù)處理結(jié)合不同變量選擇方法保留變量的分布圖

圖5是鈷離子最佳預(yù)處理結(jié)合不同變量選擇方法保留變量的分布圖

圖6是銅離子的預(yù)測(cè)值與真實(shí)值關(guān)系圖

圖7是鈷離子的預(yù)測(cè)值與真實(shí)值關(guān)系圖

具體實(shí)施方式

為更好理解本發(fā)明，下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步地詳細(xì)說(shuō)明，但是本發(fā)明要求保護(hù)的范圍并不局限于實(shí)施例表示的范圍。

實(shí)施例：

本實(shí)施例以水溶液中銅離子及鈷離子為研究對(duì)象，采用膜富集-紫外可見(jiàn)漫反射光譜結(jié)合化學(xué)計(jì)量學(xué)建模對(duì)痕量銅離子及鈷離子同時(shí)檢測(cè)。

1)膜富集-紫外可見(jiàn)漫反射用于單個(gè)重金屬離子檢測(cè)條件的優(yōu)化

膜富集-紫外可見(jiàn)漫反射用于銅離子檢測(cè)條件的優(yōu)化：選擇[1-(2-吡啶偶氮)-2-萘酚](PAN)作為被測(cè)金屬離子的絡(luò)合劑，在含有銅離子的溶液中加入絡(luò)合劑，形成金屬絡(luò)合物Cu-PAN。然后將溶液抽濾，使絡(luò)合物富集到膜上，測(cè)定膜表面的紫外可見(jiàn)光漫反射光譜。絡(luò)合物Cu-PAN的可見(jiàn)漫反射光譜波長(zhǎng)記錄在400-800納米范圍內(nèi)。光譜圖中，在波長(zhǎng)475納米處，PAN有強(qiáng)吸收峰；在555納米處，絡(luò)合物Cu-PAN有吸收峰，因此選擇555納米作為銅離子的分析波長(zhǎng)。實(shí)驗(yàn)考察了pH為4.3、6、7、7.5、8、8.5、9、9.5時(shí)對(duì)絡(luò)合物Cu-PAN吸光度的影響。在酸性條件下，絡(luò)合物吸光度較低；在堿性條件下，絡(luò)合物吸光度逐漸增大，在pH為9.0時(shí)吸光度達(dá)到最大值。因此，實(shí)驗(yàn)選擇絡(luò)合反應(yīng)的最佳pH值為9.0。實(shí)驗(yàn)對(duì)加入量在0.2-1.4毫升范圍內(nèi)的PAN溶液對(duì)Cu-PAN吸光度的影響進(jìn)行了研究。對(duì)于銅離子，隨著PAN用量由0.2毫升增加至1.2毫升，絡(luò)合物Cu-PAN的吸光度逐漸增加，當(dāng)PAN加入量達(dá)到1.2毫升時(shí)，Cu-PAN的吸光度達(dá)到最大值。因此，實(shí)驗(yàn)選擇PAN用量為1.2毫升。實(shí)驗(yàn)考察了不同反應(yīng)時(shí)間(2、5、7、12、15、20分鐘)對(duì)絡(luò)合物Cu-PAN吸光度的影響。當(dāng)絡(luò)合反應(yīng)時(shí)間為5分鐘時(shí)，絡(luò)合物Cu-PAN的吸光度最高。5分鐘之后，隨著時(shí)間的不斷增加，可能會(huì)因?yàn)閿嚢枳饔脤?dǎo)致已經(jīng)生成的絡(luò)合物分解，Cu-PAN絡(luò)合物的吸光度逐漸下降。因此，實(shí)驗(yàn)選擇檢測(cè)的最佳絡(luò)合反應(yīng)反應(yīng)時(shí)間為5分鐘。實(shí)驗(yàn)考察了6微克/升銅離子標(biāo)準(zhǔn)溶液的不同樣品體積(25、50、75、100、125、150毫升)對(duì)絡(luò)合物Cu-PAN的吸光度的影響。對(duì)于銅離子，隨著樣品體積由25毫升增加到100毫升時(shí)，絡(luò)合物Cu-PAN的吸光度不斷升高，在體積為100毫升時(shí)達(dá)到最大值，當(dāng)體積繼續(xù)增加到150毫升時(shí)，吸光度基本保持不變。因此，實(shí)驗(yàn)選擇檢測(cè)的最佳樣品體積為100毫升。在最優(yōu)的條件下對(duì)一系列銅標(biāo)準(zhǔn)溶液進(jìn)行測(cè)定，當(dāng)銅離子的濃度在2-12微克/升范圍內(nèi)時(shí)，吸光度與濃度的線性關(guān)系如圖1所示，從圖中可以看出，銅離子濃度與吸光度線性相關(guān)度很高，線性關(guān)系為：Y＝0.00143X+0.04831；R＝0.9909。采用超純水為空白溶液測(cè)定7次，計(jì)算方差S，按3倍方差估算方法的檢出限(3S/k)，檢出限為0.2262。

按照同樣的方法進(jìn)行優(yōu)化，鈷離子選取的最佳分析波長(zhǎng)為625納米，絡(luò)合反應(yīng)pH為9.0，PAN用量為1毫升，絡(luò)合反應(yīng)時(shí)間為7分鐘，樣品體積為100毫升。在最優(yōu)的條件下對(duì)一系列鈷標(biāo)準(zhǔn)溶液進(jìn)行測(cè)定，當(dāng)鈷離子的濃度分別在0.2-3.0微克/升，3.0-10.0微克/升范圍內(nèi)時(shí)，它與吸光度呈線性關(guān)系。實(shí)驗(yàn)選取鈷離子的濃度在3.0-10.0微克/升范圍內(nèi)做標(biāo)準(zhǔn)曲線。吸光度與濃度的線性關(guān)系如圖2所示，從圖中可以看出，鈷離子濃度與吸光度呈線性關(guān)系，線性關(guān)系為：Y＝0.0043X+0.02615；R＝0.9872。(Y：分別為555納米和625納米處絡(luò)合物Cu-PAN和Co-PAN的吸光度值；X：被測(cè)離子的質(zhì)量濃度；R：相關(guān)系數(shù))。按照實(shí)驗(yàn)方法，采用超純水為空白溶液測(cè)定7次，計(jì)算方差S，按3倍方差估算方法的檢出限(3S/k)，檢出限為0.023微克/升。

2)多種重金屬同時(shí)檢測(cè)的數(shù)據(jù)集的測(cè)定

綜合考慮銅離子與鈷離子的最佳反應(yīng)條件，選擇兩種重金屬離子同時(shí)測(cè)定的最佳條件：pH為9.0，PAN用量為1.2毫升，絡(luò)合反應(yīng)時(shí)間為5分鐘。配置29組同時(shí)含有銅離子和鈷離子的實(shí)驗(yàn)樣品，選擇銅離子和鈷離子同時(shí)存在時(shí)與PAN反應(yīng)的最優(yōu)條件。為提高重金屬絡(luò)合物的分散性，加入表面活性劑，表面活性劑Brij-30溶液體積從0毫升到0.5毫升范圍內(nèi)時(shí)，絡(luò)合物Cu-PAN和絡(luò)合物Co-PAN的吸光度均上升，而0.5毫升之后絡(luò)合物Cu-PAN和絡(luò)合物Co-PAN的吸光度基本保持不變，所以實(shí)驗(yàn)選擇表面活性劑Brij-30的最佳用量為0.5毫升。在最佳反應(yīng)條件下，將100毫升含有不同濃度的銅離子和鈷離子的水溶液(銅離子和鈷離子的濃度在各自的線性范圍內(nèi)隨機(jī)排列)pH調(diào)至9.0，加入1.2毫升PAN，絡(luò)合反應(yīng)劇烈攪拌5分鐘，加入0.5毫升Brij-30溶液通過(guò)混合纖維素酯膜后，樣品溶液通過(guò)膜過(guò)濾富集成金屬-PAN絡(luò)合物。待膜在空氣中干燥后，測(cè)定膜表面的漫反射光譜，得到的光譜如圖3所示。對(duì)數(shù)據(jù)集進(jìn)行分組，2/3的樣品作為訓(xùn)練集，1/3的樣品作為預(yù)測(cè)集，即19個(gè)樣本用于建立偏最小二乘模型，10個(gè)樣本用于預(yù)測(cè)。

3)偏最小二乘方法因子數(shù)的確定

首先根據(jù)蒙特卡羅交叉驗(yàn)證的均方根誤差(RMSECV)隨因子數(shù)的變化確定偏最小二乘模型的因子數(shù)。RMSECV最小值對(duì)應(yīng)的因子數(shù)為偏最小二乘回歸模型的最佳因子數(shù)。銅離子和鈷離子的因子數(shù)分別為8和5。

4)預(yù)處理方法的選擇

首先使用平滑、標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)變量(SNV)、多元散射校正(MSC)、一階導(dǎo)數(shù)、二階導(dǎo)數(shù)和連續(xù)小波變換(CWT)等單一的預(yù)處理方法及其組合對(duì)訓(xùn)練集光譜進(jìn)行預(yù)處理。對(duì)于銅離子，不同預(yù)處理方法的建模結(jié)果顯示在表1中。從表1中可以看出，并不是所有預(yù)處理方法都可以提高預(yù)測(cè)效果。在可以提高預(yù)測(cè)效果的方法中，S-G平滑產(chǎn)生較小的RMSEP值和最大的相關(guān)系數(shù)。所以對(duì)于銅離子，S-G平滑是最好的預(yù)處理方法。

表1不同預(yù)處理方法對(duì)銅離子預(yù)測(cè)結(jié)果的比較

對(duì)于鈷離子，不同預(yù)處理方法的建模結(jié)果顯示在表2中。從表2中可以看出，標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)變量和多元散射校正兩種預(yù)處理方法分別得到最小的RMSEP以及最大的相關(guān)系數(shù)，選擇這兩種預(yù)處理方法都可以作為鈷離子最佳的預(yù)處理方法。在后續(xù)變量選擇中，使用多元散射校正作為鈷離子最佳的預(yù)處理方法。

表2不同預(yù)處理方法對(duì)鈷離子預(yù)測(cè)結(jié)果的比較

5)變量選擇方法的選擇

在最佳預(yù)處理基礎(chǔ)上，進(jìn)一步結(jié)合無(wú)信息變量消除(UVE)、蒙特卡羅無(wú)信息變量消除(MCUVE)、隨機(jī)檢驗(yàn)(RT)等變量選擇方法的效果，選取最佳預(yù)處理-變量選擇方法。

圖4給出了銅離子訓(xùn)練集的平均光譜和最佳預(yù)處理結(jié)合不同變量選擇方法保留變量的分布。從圖中可以看出，UVE、MCUVE和RT方法選擇的波長(zhǎng)區(qū)域非常相似。這種相似性說(shuō)明了波長(zhǎng)選擇結(jié)果的合理性。因?yàn)橐粋€(gè)具體組分的信息變量應(yīng)該是化學(xué)結(jié)構(gòu)的體現(xiàn)而非與選擇方法相關(guān)。表3顯示了最佳預(yù)處理方法結(jié)合不同變量選擇方法對(duì)銅離子的預(yù)測(cè)結(jié)果，從表中可以看出，MCUVE變量選擇的結(jié)果要略?xún)?yōu)于UVE及RT變量選擇的結(jié)果。因此，選擇SG-MCUVE作為最佳的預(yù)處理-變量選擇方法。

表3最佳預(yù)處理方法結(jié)合不同變量選擇方法對(duì)銅離子預(yù)測(cè)結(jié)果的比較

圖5給出了鈷離子訓(xùn)練集的平均光譜和最佳預(yù)處理結(jié)合不同變量選擇方法保留變量的分布。從圖中可以看出，UVE、MCUVE和RT方法選擇的波長(zhǎng)區(qū)域非常相似。對(duì)比圖4和圖5的變量選擇區(qū)間，可以發(fā)現(xiàn)兩種離子選擇的變量區(qū)域有很大差別，這是因?yàn)椴煌x子的化學(xué)性質(zhì)不同，其光譜圖上的主要吸收也就相應(yīng)地不同。表4顯示了最佳預(yù)處理方法結(jié)合不同變量選擇方法對(duì)鈷離子的預(yù)測(cè)結(jié)果，從表中可以看出，MCUVE變量選擇的結(jié)果要略?xún)?yōu)于UVE及RT變量選擇的結(jié)果。因此，選擇MSC-MCUVE作為最佳的預(yù)處理-變量選擇方法。

表4最佳預(yù)處理方法結(jié)合不同變量選擇方法對(duì)鈷離子預(yù)測(cè)結(jié)果的比較

6)最終定量分析模型的建立及對(duì)未知樣品的預(yù)測(cè)

對(duì)于銅離子，采用最佳預(yù)處理-變量選擇方法SG-MCUVE，建立偏最小二乘回歸模型。將未知樣品的光譜代入到模型中，預(yù)測(cè)重金屬離子組分的含量。

對(duì)于鈷離子，采用最佳預(yù)處理-變量選擇方法MSC-MCUVE，建立偏最小二乘回歸模型。將未知樣品的光譜代入到模型中，預(yù)測(cè)重金屬離子組分的含量。

圖6顯示了銅離子預(yù)測(cè)值與真實(shí)值的關(guān)系圖，從圖中可以看出，銅離子有很好的線性相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.9568。對(duì)比表1中沒(méi)有采用任何預(yù)處理的PLS方法，相關(guān)系數(shù)只有0.8878，由此可以看出，采用最佳的SG-MCUVE方法處理后，再建立PLS模型，可以使預(yù)測(cè)準(zhǔn)確度大幅度提高。

圖7顯示了鈷離子預(yù)測(cè)值與真實(shí)值的關(guān)系圖，從圖中可以看出，鈷離子有很好的線性相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.9808。對(duì)比表2中沒(méi)有采用任何預(yù)處理的PLS方法，相關(guān)系數(shù)只有0.9402，由此可以看出，采用最佳的MSC-MCUVE方法處理后，再建立PLS模型，可以使預(yù)測(cè)準(zhǔn)確度大幅度提高。

通過(guò)采用最佳預(yù)處理-變量選擇方法，建立偏最小二乘回歸模型，銅離子以及鈷離子的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確度都得到了較大提高。