基于紫外光谱下水质中有机物污染的检测方法研究

基于紫外光谱下水质中有机物污染的检测方法研究

卜丽晶

英德市柏顺自来水有限公司广东清远513000

摘要：紫外光谱法（UV法）是一项检测水质中有机物污染的新型技术，具有检测时间短、实效性好以及数据准确等优点，已经被广泛应用于水质检测领域。本文介绍了紫外光谱检测水质中有机物污染的基本原理和方法，并利用此方法对具体的水质样本进行了试验研究。

关键词：紫外光谱；有机物污染；检测方法

水是生命之源，孕育着地球上数以亿计的生命物种，其品质直接关系着所有生灵的健康。然而随着化肥、农药的大面积使用以及一些化工厂肆意污染，我国重点流域的水质状况正遭受十分严峻的威胁。在2005年至2015年的十年间，我国水污染事件频频发生，其中有机物污染占到了将近40%左右，例如2005年黑龙江某石化公司苯胺车间爆炸泄漏，大量苯系污染物涌入松花江水域，导致下游哈尔滨市水体严重污染，全市被迫停水数天。因此如何迅速准确地检测出水质中有机物含量，实时在线检测水质污染程度，已经成为了当前环保部门亟待解决的问题之一。随着分子光谱技术的大力发展，紫外光谱法具有检测时间短、实效性好以及数据准确等优点，已经开始在水质有机物污染检测方面广泛应用。

一、紫外光谱检测水质中有机物污染的基本原理

（一）吸收光谱的产生

当外部的辐射能量作用于物质的分子或原子时，其内部的运动状态就会发生一定的变化，而这一变化通常是以电磁辐射的形式进行吸收或者释放[1]。当紫外光谱照射通过透明或半透明的物质时，该种物质就会吸收相应的紫外辐射能量，从而由低能态跃迁至高能态，即。其中E2为高能态能级，E1为低能态能级，由于二者皆为定值，那么ΔE也为固定数值，因此分子从E1能级跃迁至E2能级所吸收的光谱波长也应当为定值，也就是说有分子对光的吸收具有选择性，不同分子会根据自身能级跃迁所需要的能量来吸收不同波段的光谱，正由于此，紫外光谱法才能够根据不同的吸收峰对判定水质中有机物污染的含量。

（二）朗伯比尔定律

紫外光谱法测定水质中有机物污染的原理是建立在朗伯比尔定律的基础上，即当某种特定波长的光线照射透明或半透明的物质时，由于上述提到分子吸收光谱的缘故，物质就会产生吸光现象，而后再利用光电探测器对吸收前后的吸光度进行测定，最后遵循郎伯比尔定律计算出光强度的变化量，即可得到水质中有机物污染的含量。图一为朗伯比尔定律的示意图[2]，当一束光强为I0的单色光垂直地透射过某一稀浓度吸光物质时，部分光就会被吸收，透射之后的光强降为I，而透射之后光强的关系满足朗伯比尔定律，即，其中I0为入射前的光强，I为吸收后的光强，K为吸收常数，C为吸收溶液的浓度，L为吸光层的厚度。其中吸收溶液的吸光度A=KCL，带入其中即可得到溶液吸光度与入射前后光强度之间的关系，因此只需要测定出入射前后的光强即可得到吸光度A，那么也就能够得到溶液的吸光浓度。

二、检测水质中有机物污染的紫外光谱分析方法

应用紫外光谱对水质中有机物进行检测时，需要建立物质浓度与吸光度之间的模型，进而达到通过吸光度来测定有机物浓度的目的。通常情况下，检测水质中有机物浓度的紫外光谱分析方法主要包含单波长、偏最小二乘法以及反卷积法等。

（一）波长法

单波长法指的是以固定波长即单色光照射待测溶液，经过样品吸收之后，通过电探测器对吸收前后的吸光度进行测定，从而得到吸光度的数值。例如在检测水质中COD浓度时，波长为254nm的紫外光经过单色滤光镜垂直照射至样本，构建吸光度同还原性物质浓度之间的关系，从而确定COD的具体数值。然而单波长法适用于单一纯净的水质，一旦水质组成相对比较复杂，各组分间相互影响，那么单波长法所测量的准确性就会大大折扣，此时就衍生出双波长法及多波长法。双波长或多波长法是根据物质对不同波长的吸收程度来对吸光度与浓度关系的修正，从而排除其他离子或者物质对其影响，例如波长为240nm的单色紫外光用于修正卤素离子的干扰。

（二）偏最小二乘法

偏最小二乘法是目前最为常见的检测方法之一，能够作用于复杂水质分析，其原理是构建自变量矩阵X（吸收光谱）同因变量矩阵Y（水质参数）之间的关系，并将整个光谱等比例地分为若干个子区间，每个区间的自变量和因变量都进行线性回归计算，从中找出预测误差最小的均方根区间，然后以此区间为参照点，向中心单向或双向扩充波长变量，最终得到最佳的波长区间，进而构建出新的线性回归模型，并最终确定样品的浓度含量。

（三）反卷积法

发卷积法是一种基于多波长法的建模方法，其原理是将样品中的主成分进行分解，而后分别建立起线性回归模型，之后再根据其吸收光谱以及化学需氧量的贡献率重新对其进行线性叠加，从而得到全新的数据模型。发卷积法广泛应用于污染物明确且种类偏少的水质中，其应用的关键在于对污染物种类的选取和划分，划分区域太广不太容易准确测量特定污染物的含量，数据较为模糊，划分区域太过精细易于造成吸收光谱难以区分，容易形成重叠波峰。

三、基于紫外光谱法对具体样本中有机物污染的实验研究

水质中有机物污染程度通常以化学需氧量（COD）的数值进行衡量，目前检测水质中COD通常选用邻苯二甲酸氢钾作为标准试剂，并通过单波长法（A254）来检测水质中COD的含量。

（1）配置标样

取邻苯二甲酸氢钾（优级纯）固体粉末放置于110℃烘箱中干燥1h，并用分析天平准确称量0.8503g溶解于去离子水中，并定容至1000mL，于是便得到1g/L的邻苯二甲酸氢钾溶液，而后用移液管取出50mL标准溶液，然后稀释至500mL，便得到100mg/L的邻苯二甲酸氢钾溶液。取不同体积的该溶液至50mL比色管中，加入去离子水至刻度，便得到不同浓度的COD标准溶液。

（2）构建线性回归方程

将不同浓度的COD标准溶液分别用254nm的紫外光谱对其进行照射，并用光电探测器对吸收前后的吸光度进行检测，从而得到不同COD浓度溶液下所对应的吸光度。并且以COD外光谱下所对应的吸光度。

从图二的图像上我们可以得到对应的线性回归方程，即Y=0.05202+0.01708X，并得到相关系数R=0.9961.

（3）检测水样

在检测水样前首先需要测定空白样的吸光度A0，而后将检测水样稀释不同的倍数，再通过波长为254nm的紫外光对其进行照射，分别得到不同浓度下的吸光度A1、A2.....An，并将得到的吸光度减去空白样吸光度A0即为检测水样的吸光度，最后将吸光度数值带入到上述的线性回归方程之中，便可得到水样中的COD含量，同时即可掌握水质中有机物污染的情况。

总而言之，紫外光谱法（UV法）是一项检测水质中有机物污染的新型技术，具有检测时间短、实效性好以及数据准确等优点，已经被广泛应用于水质检测领域。相信在不久的将来，这一技术能够实时地监测水质中有机物的含量，从而及早预测并控制有机物污染事故的发生。

参考文献

[1]侯迪波基于紫外-可见光光谱的水质分析方法研究进展与应用[J]光谱学与光谱分析，2013（07）

[2]韩博宇基于紫外吸收光谱法水质检测算法研究及系统设计[D]吉林大学，2014（05）