关键词： 荧光检测技术   水质检测   实验设计  

摘要： 为进一步探究提升水质检测准确度的有效策略,本次以水质检测工作中的化学需氧量(COD)检测环节为研究对象,以荧光检测技术为核心,初步建立单激发波长下的荧光发射光谱数据PLSR模型,通过数据处理、实际测量和建模等环节,对本次建立的水质检测方法进行探究。结果显示,本次基于荧光检测技术的水质检测方法在实际水样检测中可获得相对更为精准的数据,证明该方法具有潜在的应用价值。

关键词： 氨氮   金纳米颗粒   化学修饰电极   水质检测   石墨烯  

摘要： 氨氮是水产养殖和废水治理中常见的污染物,会对人类的生产生活造成不利影响,已被多国列为水质检测的关键指标之一。目前,我国面向氨氮测定的标准方法存在预处理步骤繁琐、检测时间长、量程范围窄和难以原位应用推广等问题。同时氨氮商业传感器主要依赖进口,但其价格昂贵,而国产氨氮传感器具有精度低、稳定性差、适应性弱等不足。为弥补这些差距,本研究结合纳米科学技术与电化学分析方法,构建了用于测定氨氮浓度的纳米金修饰电极,通过制备条件优化和引入材料修饰等手段,改善材料结构,提升检测性能,并利用一系列材料表征和电化学测试,分析响应机制,验证电极表现,为精准检测水体氨氮提供了新的解决方案,为研发新型氨氮传感器提供了理论支持。主要研究内容和结果如下: （1）采用一锅水热法的金纳米颗粒（AuNPs）原位生长策略,合成碳布负载AuNPs的复合材料（AuNPs/CC）,验证了其对水体氨氮的特异性。在制备过程中优化了添水量、加热时长等影响因素,得到了基于AuNPs/CC的纳米金修饰电极。经多维理化表征,观察到粒径约25 nm的AuNPs致密地分布在碳布表面,为电化学反应提供了丰富的活性位点。该AuNPs/CC电极在氨氮溶液的伏安测试中,显示出良好的电化学响应,其循环伏安法的氧化峰位于0.001 V（vs Hg/Hg O）,研究发现该电化学响应主要归属于AuNPs/CC在碱性环境下,通过AuNPs的电溶解生成金氨络合物的过程。在Cl-、NO2-等无机离子或葡萄糖的干扰下,仍能维持氨氮峰值电流的95%以上。研究结果证明了使用纳米金修饰电极测定氨氮浓度的方案可行。 （2）利用电泳沉积法在AuNPs/CC表面镀上石墨烯纳米片,得到石墨烯包裹AuNPs/CC的复合材料（AuNPs/CC@G）,验证了其在氨氮选择性上的能力提升。在电泳过程中优化了时长和电压,从而获得基于AuNPs/CC@G的纳米金修饰电极。相较于AuNPs/CC而言,AuNPs/CC@G虽然跟氨氮的电化学氧化反应未变,但是其上的局部载流子浓度改变,使得响应电流增大,经电化学表征分析可知,电荷转移电阻降低了0.75倍,以及电化学活性面积增大了0.8倍。在氨氮的循环伏安测试中,AuNPs/CC@G的电极灵敏度提升至644.7686μA·μM-1·cm-2,且最低检测限（Lo D）下降到0.9839 n M。研究结果证实了石墨烯镀层后的纳米金修饰电极在0.001～10000μM浓度范围内提高了对氨氮的敏感程度,有潜力实现氨氮的超痕量测定。 （3）对AuNPs/CC电极和AuNPs/CC@G电极,从定量分析和传感特性方面进行检测性能的综合比较,验证了纳米金修饰电极经石墨烯沉积后的可靠性提升。结合化学计量学方法分析,结果表明LSSVM回归模型预测的效果最佳（R2≥0.9917）,且基于AuNPs/CC@G所测数据集建立的模型表现相对更优。其次,AuNPs/CC@G在单支电极的5次循环伏安测试和5支电极的单次循环伏安测试中的相对标准偏差（RSD）分别为1.15%和1.11%,且在回收三种不同水样时RSD≤2.19%,其不可逆氧化峰位处的电流差异比AuNPs/CC的更小。而且,AuNPs/CC@G电极保存至22天时仍能维持初始电流的97%,比AuNPs/CC在同等情况下所存电流的94%高。故AuNPs/CC@G在重复性、再现性、回收率和稳定性上的突出表现再次证实了石墨烯镀层对AuNPs/CC的优化。 综上所述,本研究制备的纳米金修饰电极有效提升了氨氮的检测性能,并在自来水、湖水和海水样品的检测中得到了成功的应用,从而向水质精准管控又近了一步。

摘要： 现将绵阳市城区2024年第二季度城市供水水质检测结果公示如下：2024年第二季度，我委牵头组织绵阳市疾控中心、游仙区疾控中心、安州区疾控中心每月定期对绵阳城区34个监测点的末梢水水质进行了监测，监测项目为菌落总数、总大肠菌群、浑浊度、色度、耗氧量、氨氮等，检测结果均符合《生活饮用水卫生标准》（GB5749-2006）有关要求。

关键词： 水质检测   光纤传感器   光热效应   聚二甲基硅氧烷(PDMS)   倏逝场  

摘要： 工业和城市化的快速发展造成了严重的水资源污染,如何做到快速、准确地检测水资源中的有机物对保护化境和人体健康具有重要意义。光纤传感器经过五十多年的发展,衍生出不同的传感结构,结合其自身抗电磁干扰能力强、体积小等特点,凭借强倏逝场的优势而被广泛应用于水污染检测。光热检测法具有良好的分子选择性,检测的光热信号仅来源于待测物本身,避免了光的散射和反射损耗对待测信号的干扰,因此测量结果更加精确。本文将光纤传感器与光热效应相结合,使用新型聚合物及二维材料实现了水中有机物的高灵敏度检测,该光纤光热传感器在食品安全和水质检测等领域具有重要的应用价值。 本文主要研究内容如下: 1、首先阐述了常规光纤结构的制备方法及传感原理。研究了基于光热效应的光纤法布里-珀罗干涉仪,并将其用于β-胡萝卜素的检测。分析了聚二甲基硅氧烷(PDMS)聚合物的物理化学特性对于光热信号的高灵敏度响应,其中PDMS不仅充当法布里-珀罗干涉仪的腔,更作为直接传感区域,有利于提高传感器对β-胡萝卜素的灵敏度。实验结果表明,传感器的灵敏度为0.05nm/(mg/L),线性度为0.99,检测限为0.4mg/L相比于常规检测法降低了一个数量级。 2、设计了一种基于染料有机物光热效应的U型微光纤耦合器,结合PDMS和六方氮化硼(HBN)实现了亚甲基蓝的特异性检测。结果表明,传感器的灵敏度为1.098nm/(μg/m L),相比未涂覆HBN二维材料,灵敏度提高了1.36倍。 3、设计了一种用于检测刚果红的Sagnac环微光纤耦合器。把单模光纤拉锥制成一个Sagnac环微光纤传感器,光两次通过微光纤腰区增强了光与外界环境的相互作用有助于提升传感器的灵敏度。该传感器利用光纤本身的强倏逝场可直接探测外界待测物,实验结果表明,结合刚果红的光热效应,该传感器的检测灵敏度为9.49nm/(mg/L)。

关键词： 氙灯电源   功率因数校正   交错并联Buck   粒子群优化模糊   PID控制  

摘要： 随着工业发展和城市化进程加快,对水体生态系统的影响日益突显,水体污染治理和水资源保护的任务变得更为紧迫。水质检测是保障人类健康、维护环境生态、促进经济发展和社会稳定的重要手段之一。通过持续监测和评估水质状况,可以及时发现问题、采取措施,保障水资源的可持续利用和发展。在现阶段,脉冲氙灯在水质检测仪器中扮演着关键的角色,由于其高亮度、稳定、多波长的光源,可提供稳定的光能量,并可应用于多种检测方法。然而,脉冲氙灯需要稳定的电压供应才能正常工作,过高或过低的电压都会影响脉冲氙灯的亮度和稳定性。所以设计一种稳定的电源控制系统可以确保脉冲氙灯提供稳定的光谱输出,使得水质检测仪器能够高效、准确地进行水质分析和监测。 本文着重分析了脉冲氙灯在水质检测中的关键作用及氙灯电源的设计和优化,首先分析了脉冲氙灯的放电过程和工作条件,建立了脉冲氙灯电源的工作模型。设计了一款基于开关电源的两级式脉冲氙灯电源,前后级分别采用功率因数校正电路和两路交错并联Buck电路,以提高系统的能效和稳定性。进一步地,为了解决电源在负载变化时的动态响应问题,设计了一种基于粒子群优化的模糊PID控制策略,该控制策略主要通过粒子群算法优化模糊控制器的量化因子和比例因子,再通过模糊控制来动态调整PID参数,仿真实验结果表明这种方法能够有效改善电源系统的稳定性和动态性能,同时有效地减少了输出电流纹波。最终,通过硬件电路设计与软件控制相结合,构建了完整的实验平台,对设计的电源系统进行了测试和功能验证。 实验结果表明,所设计的电源能够稳定地驱动脉冲氙灯,且能满足水质检测的技术标准,证明了系统的稳定性和高效性,在水质检测领域具有一定应用价值。

关键词： 矿井水   水质检测   单片机   离子电极  

摘要： 针对煤炭产区缺水和矿井水排放产生环境污染这两大难题，本文设计了一种基于单片机的矿井水质检测仪。该检测仪的特点是便携、快速且可以较全面地测出矿井水中所含各类物质的浓度。本矿井水质检测仪的检测方法为离子电极法。离子电极法是基于能斯特方程，使用离子电极对水质中的某些离子浓度进行检测。离子电极属于电位型传感器的一种，其测量原理为利用电极的响应电位求得特定离子的活度。矿井水质检测仪采用宏晶科技生产的STC89C58RC单片机作为主控单片机，该单片机是一种速度快、资源多、低功耗且具有超强抗干扰能力。其他主要芯片选取了模数转换芯片ADS1100、运算放大器芯片INA116等。

关键词： COD浓度检测   双波长光谱法   浊度补偿   紫外-可见光谱法   LabVIEW系统开发  

摘要： 作为生命之源的水,是生物生命活动所必需的重要资源之一。工业革命初期,不加节制的污染物排放引起了水体质量污染问题。如今,更好的水质成为实现人类美好生活的必然条件。化学需氧量（COD）是检测污染物排放量与评判水质好坏的重要标准。传统的COD浓度检测技术存在检测速度慢、过程复杂、需要二次污染等缺点,而利用光谱法检测COD浓度具有检测速度快、实时显示、无需二次污染等优点。本文基于光谱检测技术进行光机电系统控制设计及水质COD浓度检测开发研究。其中,光谱检测分析部分采用双波长光谱法建立浊度补偿模型,能够较好地补偿浊度微粒在近紫外波段对COD溶液吸光度的干扰,具有一定的实际应用价值。本文主要研究内容如下: （1）阅读与学习相关文献和光谱检测原理,分析当前基于紫外-可见光谱法的水质COD检测方法的国内外研究现状。设计水质检测实验,并根据实验要求选择实验器件,完成光谱水质检测机电系统硬件搭建。 （2）配制标准COD浓度梯度溶液,利用光谱检测系统进行光谱扫描,采用SG滤波法、归一化分析法处理并分析光谱信息,最终选取特征波长355nm。根据355nm处的吸光度与浓度关系建立线性拟合模型,此模型决定系数R2为0.99596。通过该模型对高浓度COD溶液进行拟合确定本系统在COD浓度达到250mg/L左右时开始发生负偏离。为保证系统检测准确性,设置本系统的检测上限为200mg/L。 （3）研究浊度微粒对COD溶液在近紫外波段的吸光度干扰,根据光谱扫描结果选取浊度溶液特征波长为623nm,利用623nm处的吸光度与浓度关系建立线性模型,决定系数R2为0.9962。利用355nm和623nm处的吸光度与COD和浊度的浓度之间的关系,根据双波长光谱法对浊度建立补偿模型,模型决定系数R2为0.98335,预测结果相对误差为3.5%,证明该模型具有较好的补偿效果。 （4）设计光谱水质检测机电系统的软件部分。基于Lab VIEW开发了COD实时检测控制系统,包括控制操作人员登录与注册的用户权限管理模块;检测光纤光谱仪连接情况和设置各项参数的光谱仪检测与控制模块;显示实时光谱信息和保存当前光谱信息的光谱数据存储与显示模块;提醒操作人员当前检测水样COD浓度超出本系统检测上限的样品浓度适应性判断模块;根据建立拟合模型输出实时COD检测浓度的原理运算及结果显示模块。

关键词： 紫外-可见光谱法   化学需氧量   预测模型   水质检测  

摘要： 随着人类经济活动的不断增加,水环境污染问题日益严重,环境监测和水质分析在海洋环境保护、防灾减灾、海洋经济发展中发挥着重要的作用。化学需氧量(Chemical Oxygen Demand,COD)是评价水体污染程度的重要指标之一,但传统的化学分析COD的监测方法耗时、耗资,且需要大量的化学试剂,对环境造成二次污染,因此迫切需要一种快速、准确、环保的COD监测方法。 近年来,光谱技术因其非破坏性、快速、高灵敏度的特点,成为现代分析领域中不可或缺的工具。然而,光谱数据常受背景噪声、光谱信号重叠以及环境干扰等因素影响,直接应用于水质参数分析建模时可能会降低预测精度和稳定性。因此,对光谱数据进行预处理、补偿环境干扰并优化建模方法是提高COD预测精度和稳定性的重要研究内容。本文基于紫外-可见光谱法(UV-Vis spectroscopy)的水质COD预测方法展开研究,主要内容包括光谱预处理、特征波长选取、浊度补偿以及基于集成学习算法的COD预测模型建立与优化。本文的主要研究内容如下: (1)在青岛市内海域采集海水样本并进行光谱采集,研究Savitzky-Golay平滑处理、多元散射校正、标准正态变换预处理和过滤差值浊度补偿方法对海水COD光谱数据的适用性,其中标准正态变换能更好地消除干扰,过滤差值浊度补偿方法能去除浊度影响,确保光谱准确反映COD含量变化。 (2)提出一种基于双循环收缩和C指数排序选择的收缩蛙跳(DC-CRF)算法,通过在偏最小二乘过程中使用C指数中的RMSECV相关系数排序评估变量重要性,加快收敛速度,并将随机蛙跳(Random Frog,RF)与收缩衰减函数融合,采用外层循环接受非最优解策略,动态平衡算法的收敛性与执行效率。该方法通过实验验证,可有效提升UV-Vis测定海水COD的工作效率,适用于复杂海水光谱优化问题。 (3)提出改进的Stacking预测模型,通过预处理和特征选择后,采用支持向量机、多元线性回归和随机森林作为基模型,将预测结果加权和归一化后输入元模型,最终使用PLS建立Stacking预测模型。实验结果表明,该方法在确保结果准确性的基础上,提高了模型的稳定度,可减少过拟合风险。 本研究通过优化光谱数据的处理方法、特征波长选择技术和集成模型建立,以提高海水COD光谱分析的准确性和效率。通过标准正态变换和过滤差值浊度补偿方法改进光谱数据预处理,DC-CRF算法优化特征波长选择,而改进的Stacking预测模型增强结果的稳定性和精确性,为海水COD测定提供了更加可靠的解决方案。

摘要： 水是生命之源。对环境水质和病原体污染进行实时监测，可以有效控制食源性疾病的扩散，保护公众健康。近日，香港城市大学联合北京航空航天大学、大连理工大学等设计出一种不用电池的小型无线软体电磁游泳机器人（soft electromagnetic swimmer,SES），能在水环境中完成多种监测任务。