化學(xué)需氧量（COD）和濁度（TURB）分別代表水體中還原性有機(jī)物和懸濁物的含量，是水質(zhì)污染的重要監(jiān)測(cè)指標(biāo)。

光譜分析方法響應(yīng)靈敏、分析速度快、重復(fù)性好，其中紫外光譜法因其檢測(cè)原理成熟，可以間接反映水中有機(jī)物、懸浮物等理化參數(shù) ，從而受到廣泛關(guān)注應(yīng)用。在實(shí)際檢測(cè)中，濁度散射會(huì)對(duì) COD 的紫外吸收光譜造成嚴(yán)重干擾，從而影響光譜法檢測(cè)精度；

針對(duì)紫外光譜法同步檢測(cè)化學(xué)需氧量（COD）和濁度時(shí)存在特征耦合及譜峰重疊干擾，進(jìn)而嚴(yán)重影響檢測(cè)精度的問(wèn)題。快速、精準(zhǔn)地實(shí)現(xiàn)水體中多種污染物的耦合干擾解析及含量檢測(cè)對(duì)野外水質(zhì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)具有重要意義。

檢測(cè)原理：

水質(zhì)檢測(cè)的原理是通過(guò)各種物理、化學(xué)和生物方法對(duì)水樣中的污染物和水質(zhì)參數(shù)進(jìn)行定性和定量分析，以評(píng)估水體的純凈度和安全性。

通常而言，光譜法檢測(cè)的原理是基于物質(zhì)與光的相互作用。當(dāng)光照射到物質(zhì)上時(shí)，物質(zhì)中的分子或原子會(huì)吸收特定波長(zhǎng)的光，從而產(chǎn)生特征吸收光譜。不同的物質(zhì)具有不同的光譜特征，因此可以通過(guò)分析光譜來(lái)識(shí)別和定量分析水樣中的各種成分。

朗伯比爾定律指出，當(dāng)一束平行光通過(guò)均勻的吸光物質(zhì)時(shí)，溶液的吸光度 A 與溶液中吸光物質(zhì)的濃度 c 和光程長(zhǎng)度 l 的乘積成正比。即：

                    A=ε?c?l

其中：

A 是吸光度（Absorbance），

ε 是摩爾吸光系數(shù)（Molar Absorptivity），單位為 L·mol^?1·cm^?1，

c 是吸光物質(zhì)的濃度，單位為 mol·L^?1，

l 是光程長(zhǎng)度，單位為 cm。

當(dāng)光程一定時(shí)，特定波長(zhǎng)的光的吸收取決于對(duì)應(yīng)待測(cè)成分的濃度。

除吸收光譜外，也有部分應(yīng)用通過(guò)物質(zhì)對(duì)光的激發(fā)或散射特性來(lái)識(shí)別和定量分析水中的化學(xué)物質(zhì)，如熒光光譜法：基于某些物質(zhì)在特定波長(zhǎng)的光激發(fā)下發(fā)出熒光的特性，通過(guò)檢測(cè)熒光強(qiáng)度和波長(zhǎng)來(lái)分析物質(zhì)的含量。

實(shí)驗(yàn)思路：

常用水質(zhì)指標(biāo)：

水體中不同的水質(zhì)參數(shù)和組分所對(duì)應(yīng)的吸收光譜區(qū)間不同，例如硝酸鹽、亞硝酸鹽的吸收光譜區(qū)間在200~250nm，低分子化合物、芳香族化合物、蛋白質(zhì)、有機(jī)溶劑等的光譜區(qū)間在250~290nm，濁度、總?cè)芙夤腆w區(qū)間為380nm，因此采用可探測(cè)波段范圍在200~800nm之間的紫外-可見(jiàn)光譜儀進(jìn)行吸光度檢測(cè)來(lái)代替單波長(zhǎng)吸光度檢測(cè)，可清晰地反映出水體中多種物質(zhì)的分布。

測(cè)量原理：紫外-可見(jiàn)吸收法（分光光度法）；熒光光譜法；

光譜儀型號(hào)：ATP2000系列（高信噪比、高像素、高集成度）

傳統(tǒng)檢測(cè)器采用光電倍增管配合單波長(zhǎng)掃描機(jī)制，體積大、測(cè)量時(shí)間長(zhǎng)、不能適應(yīng)瞬態(tài)過(guò)程分析。相對(duì)而言，微型光纖光譜儀則能瞬態(tài)采集全譜，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)、實(shí)時(shí)的水質(zhì)在線監(jiān)測(cè)，更加適用于野外和在線測(cè)量。

光譜儀測(cè)量吸光度的方法是將某一波長(zhǎng)范圍的平行光通過(guò)裝有樣品的比色皿，對(duì)透過(guò)的光束進(jìn)行檢測(cè)。通過(guò)樣品吸收前后的譜圖對(duì)比，即可得到樣品對(duì)于該波長(zhǎng)范圍的吸收光譜。

通過(guò)測(cè)量整個(gè)紫外/可見(jiàn)范圍的吸收，建立化學(xué)計(jì)量模型，可實(shí)現(xiàn)對(duì)水質(zhì)中多種參數(shù)含量進(jìn)行同時(shí)檢測(cè)。

光譜采集：

實(shí)驗(yàn)所用光譜采集系統(tǒng)由ATP2000P光譜儀、ATG1020 脈沖氙燈、中控器、比色皿、光纖衰減器及顯示器等組成。

光譜儀測(cè)試波長(zhǎng)范圍為180~1000 nm，分辨率為2.3nm，信 噪 比>500∶1。

采用10mm石英比色皿作為樣品池，通過(guò)光纖衰減器對(duì)脈沖光源的輸出光功率進(jìn)行調(diào)節(jié)，以保證吸收光譜的穩(wěn)定性，避免光飽和失真和波動(dòng)噪聲。

實(shí)驗(yàn)樣品：COD標(biāo)準(zhǔn)溶液：國(guó)家有色金屬及電子材料分析測(cè)試中心提供，以鄰苯二甲酸氫鉀為溶質(zhì) ，質(zhì)量濃度為500 mg/L；

福爾馬肼濁度標(biāo)準(zhǔn)溶液：杭州齊威儀器有限公司提供，400 NTU；

光譜數(shù)據(jù)采集：

分別采集不同質(zhì)量濃度梯度的COD和濁度標(biāo)準(zhǔn)溶液吸收光譜。

有效光譜范圍為180~400 nm，積分時(shí)間9 ms，采樣間隔為500 ms，平均掃描次數(shù)為 20 次。每個(gè)樣品采集5次光譜數(shù)據(jù)后取平均值，光譜圖如下所示。

標(biāo)準(zhǔn)溶液紫外吸收光譜，(a)COD; (b)濁度;

混合溶液紫外吸收光譜,(a) COD+濁度干擾; (b)濁度+COD 干擾;

通過(guò)對(duì)比各標(biāo)準(zhǔn)溶液樣本光譜譜線可以看出 ，COD 和濁度的主要吸收特征集中在180~400 nm范圍。

1. COD特征峰范圍在180~300 nm之間，隨著質(zhì)量濃度增大紫外光譜吸光度逐漸增大，兩個(gè)特征吸收峰明顯向上抬升；

2. 濁度光譜吸收特征峰范圍在180~400nm之間，隨著濁度增大吸光度整體增大。

3. 混合樣本中，濁度干擾增強(qiáng)使得 COD 吸收譜線向上抬升，主吸收峰向右偏移，COD 干擾增強(qiáng)使得濁度吸收峰向上明顯抬升，在 300~400 nm 段受干擾影響較小。

光譜數(shù)據(jù)預(yù)處理：

由于在光譜法測(cè)量過(guò)程中，外部環(huán)境、測(cè)量條件以及儀器本身的特點(diǎn)對(duì)測(cè)量結(jié)果有較大的影響。采集的原始數(shù)據(jù)通常包含大量的冗余和共線性數(shù)據(jù)，顯著影響后期模型精度及數(shù)據(jù)處理效率。為減弱或消除該影響，通常需對(duì)采集到的光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，如特征波長(zhǎng)選擇以及相應(yīng)算法優(yōu)化，從而得到有效的光譜數(shù)據(jù)，提升模型檢測(cè)準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性。

特征波長(zhǎng)選取, (a) COD; (b)濁度;

客戶通過(guò)SPA提取特征波長(zhǎng)，簡(jiǎn)化了光譜數(shù)據(jù) ，排除了無(wú)關(guān)的冗余變量，極大地減少了干擾信息。通過(guò)SVR算法進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，成功構(gòu)建出了優(yōu)化模型，能夠有效降低COD和濁度同時(shí)存在的特征耦合及譜峰重疊干擾，實(shí)現(xiàn)水樣中 COD 含量和濁度的精確同步預(yù)測(cè)，且對(duì)低量程濁度溶液同樣具有較高的檢測(cè)精度，有效實(shí)現(xiàn)了COD 和濁度紫外光譜法的同步檢測(cè)。