[发明专利]一种经济、智能的水中多种重金属离子同时检测的方法

说明书

技术领域

本发明属于环境分析化学领域，涉及水中重金属离子含量的检测问题。

背景技术

重金属污染正严重威胁着人们的生命财产安全。近年来不断出现的重金属污染事件，使重金属污染治理成为我国当前治污工作的重点。重金属(如铜、铅、锌、镉、汞、金、银等)通过采矿、冶金、电池、电镀等途径进入环境后不能被生物降解，只能发生迁移和形态转化，往往参与食物链循环并最终在生物体内富集，对生态环境和人体健康危害极大，因此，水体重金属污染的防护和治理工作迫在眉睫。对水体重金属进行有效的监测是提高环境防护能力、保障水安全的有效途径，因此，开发快速、经济的重金属离子含量的检测方法，具有重要的方法学意义和应用价值。

重金属离子的检测方法经历了从单一检测手段到多种的技术手段相结合，从传统的分析方法到仪器分析方法的发展过程。目前，检测重金属离子的技术主要有电化学方法(电导分析法、电位分析法、极谱法、伏安法等)、光谱方法(原子吸收光谱法、电感耦合等离子体原子发射光谱法、紫外-可见分光光度法、荧光光谱法)和色谱法等。以上方法各有各的优缺点，如原子吸收光谱法具有仪器装备简单，分析速度快，干扰少等优点，但是对于多种元素同时测定的要求它还达不到；电感耦合等离子体原子发射光谱法检出限低、选择性好、线性范围宽，能同时检测出多种元素，但是仪器价格、运转费用以及对环境要求都很高；荧光光谱法灵敏度高、线性范围宽、可同时进行多种元素测定，但是由于荧光淬灭效应，在检测复杂基体以及高含量的试样时尚有一定困难。紫外可见分光光度法仪器价格便宜、操作简单，在检测重金属离子时一般通过加入显色剂，使重金属离子与显色剂发生络合反应，灵敏度较高，是应用最普遍的方法之一，尤其适合工业上的应用。但是当多种重金属离子同时存在时，需要选择显色剂，并且生成的络合物峰往往重叠，没有办法找到单个测量峰和某一组分之间的对应关系，因而无法实现多种重金属离子的同时检测。

化学计量学建模方法是运用数学、统计学、计算机科学以及其他相关学科的理论与方法，优化化学量测过程，并从化学量测数据中最大限度地获取有关物质系统的成分、结构及其他相关信息的方法。在多种金属离子同时存在的复杂体系中，如果采用化学计量学中的多元校正技术，以“数学分类”代替复杂的“化学分离”，建立测量光谱数据和组分浓度间的校正模型，则可实现重金属离子快速、智能的测定。

综上所述，开发经济、智能的重金属离子检测方法是提高环境防护能力的有效途径。而本发明以紫外可见分光光度计作为检测手段，采用多元校正技术，无需添加显色剂，实现水中多种重金属离子的同时定量。

发明内容

本发明的目的是针对上述存在的问题，提供一种水中重金属离子经济、智能的测定方法，对于多种重金属离子同时存在的情况下也可以适应，以使重金属的污染问题得到更好的防护。

为实现本发明所提供的技术方案包括以下步骤：

1)收集一定数目(m)含有多种重金属离子的水样，测定其紫外可见吸收光谱，建立重金属离子检测的建模数据集X(m₀×n)，其行数m₀为样品个数，列数n为波长点数，所对应的重金属离子的浓度矩阵为Y(m₀×p)，其行数m₀为样品个数，列数p为波长点数。

2)采用奇异样本检测方法，去掉奇异样本，得到建模数据集X1(m×n)。所采用的预处理方法有主成分分析、3倍标准偏差方法、蒙特卡罗交叉验证方法，去掉3种方法检测出的奇异样本，保证在X1、Y以及模型中都不存在奇异样本。

3)采用不同的预处理方法对光谱数据X1进行预处理，包含标准正态变量(SNV)、多元散射校正(MSC)、SG平滑、SG一阶导数、SG二阶导数、连续小波变换(CWT)以及它们的组合方法，通过交叉验证均方根误差(RMSECV)确定最优的预处理方法，预处理后的光谱记为X2。

4)在光谱X2和浓度Y之间建立偏最小二乘(PLS)回归模型，其中PLS模型的因子数通过蒙特卡罗交叉验证(MCCV)确定。

5)对于待测样品，直接采用紫外光谱仪测定其光谱数据，代入到(1)-(4)步建立好的模型中，计算得到预测浓度。