利用紫外可見(jiàn)吸收光譜對(duì)智利生硝樣品中的硝酸鹽的測(cè)量與多元校準(zhǔn)

1、利用紫外可見(jiàn)吸收光譜對(duì)智利生硝樣品中的硝酸鹽的測(cè)量與多元校準(zhǔn)manuel bravoal*, alejandro c. olivier, beatriz oilcakes 分析和環(huán)境化學(xué)實(shí)驗(yàn)室，化學(xué)醫(yī)學(xué)研究所，瓦爾帕萊索天主教大學(xué)，p.o. 4059，瓦爾帕萊索，智利sqm 工業(yè)，阿尼巴爾平托3223，安托法加斯塔，智利分析化學(xué)系，生化和制藥學(xué)院，羅薩里奧化學(xué)研究所及羅薩里奧國(guó)立大學(xué)(conicet) ，suipacha531，racario(2000) 阿根廷。(2008 年 7 月 21 日-2008 年 11 月 3 日) 摘要: 運(yùn)用偏最小二乘法 (pls)的多元校正檢測(cè)紫外可見(jiàn)光譜數(shù)

2、據(jù)的方法，已被應(yīng)用到對(duì)智利生硝樣本硝酸鹽含量的測(cè)定過(guò)程中，可檢測(cè)處的硝酸鈉濃度范圍在1-20之間。采用多元的方法是必要的，因?yàn)闃颖局羞€包含光譜活躍有效波長(zhǎng)區(qū)域（近 301 納米）硝酸定量的未知干擾。建立一組15 個(gè)校準(zhǔn)樣品的多變量模型，選擇使用肯納德石法，以確定實(shí)際硝酸鈉樣品的硝酸鹽含量，以此作為參考標(biāo)準(zhǔn)。此方法建立的多元模式的數(shù)據(jù)優(yōu)勢(shì)是令人滿意的（硝酸鈉檢測(cè)和定量限分別達(dá)到0.04 和 0.12，預(yù)測(cè)硝酸鈉含量的平均誤差為0.3）。然后，將偏最小二乘法模型應(yīng)用到一組獨(dú)立的生硝樣本，所得結(jié)果與一元紫外光譜法比較，并參考確定的實(shí)際硝酸鈉樣品含量參考標(biāo)準(zhǔn)，該參考標(biāo)準(zhǔn)使用線性回歸與參考濃度值，連同橢

3、圓聯(lián)合區(qū)域檢驗(yàn)回歸的斜率和截距的可信度。結(jié)果表明，與多變量模型分析不同，單變量的方法不適合目前研究的樣本。所以，本文所提出的分析方法體現(xiàn)了對(duì)大量的生硝樣品進(jìn)行常規(guī)分析的可靠而便捷的替代作用。關(guān)鍵詞：硝酸鹽的測(cè)定，紫外可見(jiàn)分光光度法; 多元校正；偏最小二乘法引言智利北部擁有世界上已知的最大的生硝沉積礦床，并且是世界上已投入商業(yè)利用的天然硝酸鹽的唯一來(lái)源。生硝是硝酸鈉化肥生產(chǎn)所用的原料名稱。在生產(chǎn)過(guò)程中，生硝礦通過(guò)機(jī)械研磨并轉(zhuǎn)移到大桶浸泡，提取出的硝酸鹽進(jìn)一步處理得到硝酸鈉或硝酸鉀結(jié)晶。因此，運(yùn)用快速準(zhǔn)確的方法估量硝酸鹽含量是評(píng)估原材料質(zhì)量和控制浸出過(guò)程的基礎(chǔ)。有多種實(shí)驗(yàn)方法來(lái)評(píng)估不同種類樣品的氮

4、含量，但凱氏定氮法仍然作為標(biāo)準(zhǔn)的參考方法。盡管這種方法是非常精準(zhǔn)的，但是非常耗時(shí)，凱氏定氮法的數(shù)據(jù)分析需要規(guī)范的制造過(guò)程，這在工業(yè)應(yīng)用方面是一個(gè)缺陷。目前已經(jīng)提出了其他更快的方法，例如，總氮杜馬法，或者是將硝酸鹽還原成氨，在堿性介質(zhì)中加入德瓦達(dá)合金（50鋁， 45銅和 5鋅）與氨作用，利用標(biāo)準(zhǔn)酸滴定蒸餾德瓦達(dá)合金中的氨測(cè)定硝酸鹽的德瓦達(dá)法。德瓦達(dá)法是公認(rèn)的參考方法，可應(yīng)用于不同氮基質(zhì)，并且比凱氏定氮法需要更少的分析次數(shù)。然而，以上提出的這些方法每次使用時(shí)，均需要耗費(fèi)平均約 5 分鐘的時(shí)間，應(yīng)用在我們的項(xiàng)目里，需要每天為幾百個(gè)樣品分析是行不通的。在此背景下，生硝提取的紫外分光光度法測(cè)定硝酸鹽作為

5、一種更快速，更便捷的替代法出現(xiàn)。硝酸根離子在水中具有兩個(gè)不同的兩個(gè)紫外吸收帶：在220 nm處的廣泛和較強(qiáng)頻帶，和在301 nm 的較弱頻帶。然而，在這兩個(gè)光譜區(qū)域還有一些其他無(wú)機(jī)陰離子的紫外吸收輻射光譜，因此采用單變量校準(zhǔn)法時(shí)，檢測(cè)出的硝酸鹽含量會(huì)偏高。吸收光譜數(shù)據(jù)的多元校正法正在越來(lái)越多地應(yīng)用于分析復(fù)雜混合物。幾種化學(xué)計(jì)量學(xué)工具已在光譜數(shù)據(jù)的文獻(xiàn)中有所報(bào)道，但最流行的是主成分回歸（pcr ），偏最小二乘回歸（ pls ）和最近推出的基于凈分析信號(hào)（nas ）的概念的混合線性分析的變異（ hla ）。所有這些技術(shù)都擁有全光譜信息的優(yōu)勢(shì)，他們?cè)试S快速測(cè)定往往沒(méi)有事先分離混合成分，而且校準(zhǔn)可以做

6、到忽略所有元件的濃度，除分析復(fù)雜樣品中的利益。這使得這些方法在生硝中硝酸鹽的測(cè)定上特別有吸引力，其基質(zhì)成分在分析中將會(huì)顯示嚴(yán)重重疊的吸收光譜。一些多元的方法，從古典最小二乘法（ cls ）的和偏最小二乘法，已被用來(lái)評(píng)估污水處理廠的過(guò)濾和未過(guò)濾的水樣中的硝酸鹽濃度，取得了令人滿意的結(jié)果。在本文中，我們通過(guò)測(cè)定紫外- 可見(jiàn)吸收光譜數(shù)據(jù)和pls多元校正報(bào)告硝酸鈉樣品硝酸鹽的測(cè)定。后者的方法，預(yù)計(jì)將提供其他樣品組分重疊嚴(yán)重的光譜與樣品中的硝酸鹽定量預(yù)測(cè)模型，對(duì)比經(jīng)典的單因素單一波長(zhǎng)的紫外線校準(zhǔn)。經(jīng)過(guò)由化學(xué)計(jì)量學(xué)方法精心挑選的樣品協(xié)助，多元的偏最小二乘的方法被應(yīng)用到一套真正的生硝樣本，同時(shí)預(yù)測(cè)的硝酸鹽含

7、量將與devarda 方法參考比較。應(yīng)當(dāng)注意到，生硝樣品分析中，硝酸鹽含量在1 和 20之間變化。而通常的單變量方法采用兩個(gè)獨(dú)立的校準(zhǔn)，一個(gè)用于低濃度范圍和另一個(gè)用于較大的濃度范圍，在這兩個(gè)相當(dāng)廣泛的濃度范圍內(nèi)，使用單一的校準(zhǔn)測(cè)量，多元方法提供了良好的預(yù)測(cè)結(jié)果。此外，每個(gè)樣品的總分析時(shí)間不到1 分鐘，這表明該方法非常適合在常規(guī)實(shí)驗(yàn)室的分析應(yīng)用。實(shí)驗(yàn)儀器通過(guò) unicam紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)型號(hào) 530（德?tīng)柨ㄆW分析，智利圣地亞哥），采用 1.00 厘米石英的單元格，獲得紫外可見(jiàn)吸收光譜。對(duì)于所有的樣品，每隔 1nm記錄 190 到 500nm之間光譜數(shù)據(jù)（每頻譜311 數(shù)據(jù)點(diǎn)），以 ascii

8、 格式保存并轉(zhuǎn)移到計(jì)算機(jī)做后續(xù)操作。生硝樣品中硝酸鹽的測(cè)定參考程序改編自aoac 官方方法 892.01 肥料中對(duì)氮的測(cè)定。這些分析通過(guò)格哈特蒸餾系統(tǒng)模型vapodest6（格哈特，德國(guó)）對(duì)12個(gè)樣品自動(dòng)分析進(jìn)行。氮濃度以硝酸鈉百分比顯示（% nano3 ）。試劑所有的實(shí)驗(yàn)都是用分析純級(jí)試劑，購(gòu)自默克公司s.a. （智利圣地亞哥）。硼酸和氫氧化鈉，均為0.1mol l-1 ，是為每天硝酸鹽定量問(wèn)題準(zhǔn)備的解決方案。單因素紫外檢測(cè)法單變量方法的標(biāo)準(zhǔn)，是由超純水溶解硝酸鈉。兩個(gè)獨(dú)立的校準(zhǔn)例行進(jìn)行，一個(gè)硝酸鹽濃度低，另一個(gè)硝酸鹽濃度高。第一個(gè)校準(zhǔn)使用三個(gè)一式三份標(biāo)準(zhǔn)溶液從0.20-1.00g l-1范

9、圍內(nèi)完成，結(jié)果如下：斜率=0.0910(8) ，截距 =-0.0023(5) ，r2= 0.9994（標(biāo)準(zhǔn)偏差為括號(hào)中的數(shù)字）。第二個(gè)校準(zhǔn)使用五個(gè)一式三份標(biāo)準(zhǔn)溶液從 2.00-10.00g l-1范圍內(nèi)進(jìn)行，斜率 =0.0845(4) ，截距 =0.0058(3) ，r2= 0.9997。偏最小二乘法校正和測(cè)試校正集由十五組生硝樣本硝酸鹽含量在1 到 20% 之間組成（以 %nano3 表示），由 devarda 方法作為先前評(píng)估。他們選擇收集了從2006 年 9 月 - 2007年 2月期間在智利的阿塔卡馬沙漠中的sqm 設(shè)施中的一套 70 份生硝樣本。接地材料（100微米），均勻擺放在聚乙

10、烯袋內(nèi)直到分析使用。樣本的選擇依據(jù)肯納德石法適用于紫外光譜在250-350nm有關(guān)區(qū)域范圍內(nèi)（詳細(xì)實(shí)施細(xì)則見(jiàn)下文）?；瘜W(xué)計(jì)量學(xué)的過(guò)程采用標(biāo)準(zhǔn)樣品之間的距離作為標(biāo)準(zhǔn)。其余55 個(gè)樣本組成測(cè)試集，因此比校準(zhǔn)采用的不同。對(duì)于紫外可見(jiàn)光譜的測(cè)量，2.00 g 的接地生硝樣本與色譜純水 50 毫升放置在 100 ml 錐形瓶中。將泥漿機(jī)械動(dòng)搖五分鐘，并用濾紙42 重力過(guò)濾器過(guò)濾。過(guò)濾的解決方案是直接通過(guò)如下所述的紫外可見(jiàn)分光光度法分析。理論和軟件pls是一個(gè)眾所周知的多元校正方法，并且它的詳細(xì)實(shí)施細(xì)則是很容易做到的。該方法涉及兩個(gè)步驟：1）校準(zhǔn)，從一套標(biāo)準(zhǔn)樣品中建立光譜和參考組分濃度之間的關(guān)系； 2）預(yù)

11、測(cè)，用校準(zhǔn)結(jié)果來(lái)估計(jì)未知樣品的主分濃度。在pls-1 版本中，所有的模型參數(shù)將用每個(gè)分析物測(cè)定一次來(lái)優(yōu)化。在模型訓(xùn)練步驟，用與使用所謂的“逆”的模式校準(zhǔn)數(shù)據(jù)相關(guān)的分解迭代算法校準(zhǔn)數(shù)據(jù)。這里提供了一系列的載荷（ p，大小 ja，其中 j 是波長(zhǎng)的數(shù)量， a是潛在的 pls的變量數(shù)），重量負(fù)荷（w ，大小 ja）回歸系數(shù)被應(yīng)用到一個(gè)新的樣本（v，大小 a1）。由于未知樣品的頻譜 xu（大小 j1），后者預(yù)計(jì)將提供測(cè)試樣品分?jǐn)?shù)tu 的載荷和重量負(fù)荷的空間：tu=(ptw)-1ptxu (1) 樣本分?jǐn)?shù)再乘以回歸系數(shù)用以估計(jì)分析物的濃度y: y=vt tu (2) 在校準(zhǔn)之前，它通常是評(píng)估潛在變數(shù)的最

12、佳數(shù)量，以避免過(guò)擬合，運(yùn)用眾所周知的由 haaland 描述的交叉驗(yàn)證方法（見(jiàn)下面）。根據(jù)國(guó)際化聯(lián)的建議，對(duì)數(shù)字的優(yōu)異度進(jìn)行了評(píng)估。對(duì)于一個(gè)給定的分析物k 的靈敏度可用下式計(jì)算 : sen=1/ b (3) 其中表示歐幾里德范數(shù)，bk 是 pls-1 模型提供的回歸系數(shù)的載體。選擇性表示由于光譜重疊，總信號(hào)的未丟失部分，并可以通過(guò)nas的計(jì)算，在多元的情況下定義：sel= 未知樣品的凈分析信號(hào)/ 未知樣品的總信號(hào) (4) 其中靜分析信號(hào)通過(guò)正交于除了利益分析之外涵蓋所有其它成分的空間的未知樣本的頻譜來(lái)計(jì)算。最后，檢測(cè)限（ lod ）和定量（ loc ）被評(píng)估為：lod=3.3s0 (5) lo

13、c=10s0 (6) 其中 s0 是低濃度或接近零的濃度下樣品分析物的標(biāo)準(zhǔn)錯(cuò)誤，并且有：s0=hsc2+h(s1/sen)2+(s1/sen)21/2 (7) 其中 h 是樣本充分利用，將未知樣品相對(duì)于校準(zhǔn)空間的一個(gè)參數(shù),sc 是校準(zhǔn)濃度的標(biāo)準(zhǔn)誤差 ,s1 是儀器的噪音電平 ,sen是儀器的靈敏度。pls-1 算法被應(yīng)用于使用mvc1 工具箱的 matlab25 編寫，因?yàn)檫@些例程允許我們基于 nas理論去評(píng)價(jià)優(yōu)異的數(shù)字。應(yīng)當(dāng)注意到，紫外可見(jiàn)光譜測(cè)定在一個(gè)相當(dāng)廣泛的光譜范圍內(nèi)，可以在見(jiàn)圖1 中的 a，在非常高和非常低的吸光度區(qū)域都是顯而易見(jiàn)的。據(jù)了解，多變量模型可能會(huì)受益于適當(dāng)波長(zhǎng)的選擇，從而

14、避開(kāi)了噪音或高吸收的地區(qū)，以及嚴(yán)重重疊的光譜區(qū)。雖然在 250 至 350 nm之間可以直觀地確定一個(gè)有用的光譜區(qū)域，通過(guò)mvc1 提供的工具實(shí)現(xiàn)微調(diào)是可能的。在此工具箱實(shí)現(xiàn)一個(gè)移動(dòng)的窗口戰(zhàn)略，允許我們通過(guò)一個(gè)給定的波長(zhǎng)和光譜窗口，在一組光譜區(qū)域定義，執(zhí)行留一逼近交叉驗(yàn)證策略。進(jìn)行一個(gè)對(duì)于最佳的交叉驗(yàn)證方差的全面查詢，作為第一波長(zhǎng)和視窗寬度的函數(shù)。這使得對(duì)于一個(gè)合適的工作區(qū)域位置的校準(zhǔn)結(jié)果是最優(yōu)的。mvc1 工具箱在網(wǎng)上是免費(fèi)提供的。使用內(nèi)部嵌套了matlab 套路的肯納德石算法。結(jié)果與討論光譜硝酸根離子在水中呈現(xiàn)兩個(gè)紫外吸收帶：在220nm處廣泛且非常強(qiáng)烈的吸收帶和在 301nm處強(qiáng)度較弱的吸收帶。圖1a 顯示確定了硝酸鹽信號(hào)的整套70 份生硝樣本的光譜。從這個(gè)圖的檢測(cè)和放大窗口（圖1b，250 至 350 nm 之間），可以很明顯看到，一些樣品中存在一個(gè)強(qiáng)烈的波段重疊，歸因于硝酸根離子和至少一個(gè)最大吸收波長(zhǎng)