具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

本实施例提供一种电芬顿过程溶解性有机物在线定量的分析方法，以解决电芬顿过程中由于含铁干扰物的存在对溶解性有机物定量难的问题，可适用于提供电芬顿过程中的溶解性有机物的在线高精度监测，也可以适用于类似的对激发光和荧光同时存在干扰的情形。

电芬顿过程溶解性有机物在线定量的分析方法包括：按照以下步骤执行：

S1：在单波长λ₁激发光条件下，建立双波长处的接收光强与被测含有铁干扰物的溶解性有机物(下文中简称为被测溶解性有机物)的浓度关系的表达式如下所示：

ln(k₂·c_Trp)+k₃·c_Trp＝k₁·A_λ1-B_λ2 (1)；

A_λ1＝-lnT_λ1,T_λ1＝I_λ1/I₀；

B_λ2＝-lnη_λ2,η_λ2＝I_λ2/I₀；

其中，λ₁是激发光波长，λ₂是被测含有铁干扰物的溶解性有机物的荧光特征波长，I₀是激发光光强，I_λ1是接收原波长光强度，I_λ2是接收荧光强度，T_λ1是水样对激发光的透过率，η_λ2是测得的荧光转换效率，c_Trp是被测含有铁干扰的溶解性有机物浓度，k_i(i＝1,2,3)是待标定的仪器常数，本实施例中是以色氨酸为例的。

本步骤中，以一定体积的溶液(如比色皿中的溶液)为研究对象，综合朗伯比尔定理和荧光定量分析方法，考虑两方面的光吸收：

第一个方面为：激发光被溶解性有机物和含铁干扰物质的吸收。第二方面为溶解性有机物光致发光，辐出的荧光被含铁干扰物质吸收。

假设样品池中装有某一浓度的含有随机浓度的含铁干扰物质的溶解性有机物的水样，一束平行的激发光束沿着直线方向通过样品池，经过推导计算，在单波长λ₁激发光条件下，接收原波长光强度I_λ1和接收荧光强度I_λ2与溶解性有机物的浓度之间关系的上述表达式。通过上述表达式准确地反映了接收原波长光强度I_λ1和接收荧光强度I_λ2与溶解性有机物的浓度之间的关系。

利用紫外可见分光光度法分析溶解性有机物浓度是基于朗伯比尔定律。假设溶解性有机物在水体中的浓度为c_Trp，依据朗伯比尔定律：

c_Trp＝ζ₁·A_λ1

其中，ζ₁是一个待标定的仪器常数，由标准溶液标定得到。T_λ1是被测水体在激发光波长下的透过率，即T_λ1等于T_λ1除以参考入射光强I₀。参考入射光强I₀是在当水样为纯水时由探测λ₁的探测器测得的。

荧光定量分析方法是依据在某一特定波长的紫外光照射下，不同种类的溶解性有机物会辐射特定波长的荧光。为了消除光源波动对测量的影响，定义荧光转换效率η_λ2，η_λ2等于荧光发射光强I_λ2除以参考入射光强I₀。在应用荧光定量分析方法分析溶解性有机物浓度时，溶解性有机物c_Trp在一定的浓度范围内与荧光转换效率η_λ2成正比。令：

则荧光定量分析方法可以写成：

ln(ζ₂·c_Trp)＝-B_λ2

其中ζ₂也是一个待标定的仪器常数，由标准溶液标定得到。

S2：利用已知参考浓度的标准溶液建立分析数据模型，确定S1的表达式的k_i(i＝1,2,3)；

基于上述表达式(1)，对具体被测的含随机干扰的溶解性有机物建立分析模型，具体方法如下：

首先，建立被测混有随机含铁干扰物的系列梯度浓度样本，确定激发光波长λ₁和荧光接收波长λ₂，这些标准溶液的浓度c_Trp是已知的。例如：以典型溶解性有机物色氨酸代表溶解性有机物，对其标准溶液浓度和电芬顿降解过程的浓度进行测量。激发光源波长和探测波长根据电芬顿过程中水体中的各类物质的吸收光谱和被测溶解性有机物的荧光发射光谱确定。参照图1所示，通过测定色氨酸、Fe²⁺、Fe³⁺、STPP、Fe²⁺_TPP、Fe³⁺_TPP的吸收光谱，综合考虑到色氨酸是一种类蛋白类溶解性有机物，在λ₁＝270nm紫外光照射下可以发射出λ_Em<38Onm的荧光，且含铁干扰物质在λ₂＝315nm附近具有相近的摩尔消光系数，所以优选地采用λ₁＝270nm和λ₂＝315nm为探测波长。通过实验获得不同混有随机含铁干扰物的系列梯度浓度色氨酸溶液对应的接受光强度I_λ1和接收荧光强度I_λ2，利用溶解性有机物紫外吸收-荧光在线分析仪对这一批标准溶液进行测定，分别计算确定A_λ1和B_λ2，将这些数据作为训练集。

然后，采用最小二乘法和Levenberg-Marquardt算法，进行优化拟合，从而确定公式(1)中的参数k_i(i＝1,2,3)。

Levenberg-Marquardt算法综合了最速下降法和泰勒级数线性化方法，通过求解 优化模型，获取搜索方向。

由此建立双波长处的接收原波长光强与被测溶解性有机物的浓度关系的分析模型。这一分析模型在很宽的浓度范围内均有效，并且其中的常数在实验中都一致，可以确定。

上述进行具体测量中的吸光度-荧光定量分析，包括：测量荧光的同时测量吸光度，同时以A_λ1和B_λ2建立和溶解性有机物浓度c_Trp的精确定量关系，这一定量关系可以有效排除含铁干扰物对荧光光谱的影响。具体的，在运用无损高效的光谱法分析溶解性有机物浓度时，传统常用的方法有紫外可见分光光度法和荧光定量分析方法。但由于铁干扰物对激发光有吸收，同时对溶解性有机物发射的荧光也存在吸收，仅用紫外可见分光光度法或仅用荧光定量分析方法都不能排除含铁干扰物的影响，通过选取两个波长处的吸收和荧光信息，综合解析将含铁干扰物对光谱的吸收部分剔除，从而得到精确的定量关系。

S3：基于以上接收原波长光强度I_λ1和接收荧光强度I_λ2与溶解性有机物的浓度之间的关系，将上述的分析模型应用于电芬顿降解过程中溶解性有机物的在线高精度定量监测。

本实施例另一方面提供一种电芬顿过程溶解性有机物在线定量的分析系统，并将该系统用于上述电芬顿过程溶解性有机物在线定量的分析方法中，以实时得出水样中的溶解性有机物的含量。

电芬顿过程溶解性有机物在线定量的分析系统包括：电芬顿分反应器、控制单元和紫外吸收-荧光在线分析仪。

其中，电芬顿分反应器利用电化学机制生成H₂O₂和Fe²⁺为电芬顿降解过程提供反应物，实现对水样中的溶解性有机物进行降解。电解是在保持恒定的电流密度下进行的。电芬顿反应器的反应池的有效体积为500mL。利用小型气泵以600mL/min的平均流量向反应池中泵入氧气。作为一优选方式，在电芬顿反应器中安装pH计探头在线监测反应过程中的pH值。在电芬顿反应器的底部安装机械混合装置。

控制单元用于将电芬顿分反应器的水样实时的输送至紫外吸收-荧光在线分析仪。

紫外吸收-荧光在线分析仪用于对水样进行测量，测量出激发光波长的接收光强I_λ1和被测溶解性有机物的荧光特征波长处的接收光强I_λ2。在一优选实施例中，为了更好地实现荧光强度和吸光度同时测量，紫外吸收-荧光在线分析仪的结构图如图2所示。包括：样品池11，用于存放水样；第一光路设置于样品池11第一侧，第一光路包括由内向外依次设置第一窄带滤光片4、准直透镜3和光阑2；激发光源1，由激发光源1发出的光经过光阑2后由准直透镜3变换成平行光束，平行光束经过第一窄带滤光片4后垂直照射样品池11中的水样，其中一部分光水样吸收，另一部分光透射；第二光路设置于样品池11第二侧的，第二光路包括由内向外依次设置第二窄带滤光片8、第一聚焦透镜9及第一光电探测器10，从样品池11透射出的一部分透射光经第二窄带滤光片8后，由第一聚焦透镜9聚焦并被第一光电探测器10接收转换为电信号；第三光路设置于样品池11第三侧，且第三管路与第一管路相垂直，第三光路由内向外依次设置第三窄带滤光片5、第二聚焦透镜6及第二光电探测器7，水样中的溶解性有机物被激发光激发后向四周发射荧光，选取与激发光垂直的方向收集荧光，该方向上的荧光经过所述第三窄带滤光片5后，由第二聚焦透镜6聚焦并被第二光电探测器7接收转换为电信号。并将测量得到的参数将用于紫外吸收-荧光双波长定量分析方法。

在具体实施时，电芬顿降解过程在电芬顿反应器中进行，对水样中的溶解性有机物进行降解。实验用的水基质取自位于上海交通大学校内的致远湖，其水源主要来源于天然降水和渗流，该湖泊有丰富的物种多样性。水基质经过0.45μm的玻璃纤维滤纸过滤后，浊度约为3NTU左右，即可用于实验。降解过程的水样被实时地送入溶解性有机物紫外吸收-荧光在线分析仪进行在线分析。由测得的接收原波长光强度I_λ1和接收荧光强度I_λ2结合所建立的双波长处的接收原波长光强与被测溶解性有机物的浓度关系模型实时计算出水样中的溶解性有机物的含量。

为了更好说明本发明提出的电芬顿过程溶解性有机物在线定量的分析方法，以下结合具体的应用例来进行描述，以便了解实现的细节，但是应当理解的是，以下应用例并不用于限定本发明。

本应用例中，一种电芬顿过程溶解性有机物在线定量的分析方法，包括：按照以下步骤进行：

第一步，搭建电-芬顿过程中溶解性有机物在线定量的双波长分析系统。

本步骤中采用的荧光测量系统的结构图如图2所示。为了测量色氨酸的浓度，溶解性有机物紫外吸收-荧光在线分析仪系统的具体结构参数选择和测量过程为：

1)激发光源1采用270nm的紫外LED，270nm激发光是常用的溶解性有机物的激发光源1，其激发色氨酸可以产生340±40nm荧光。

2)激发光源1发出的紫外光经过一个孔径为φ＝5mm的圆形光阑2被一平凸透镜3准直，变成一束平行的高斯光束作为激发光束。

3)LED光源有效光功率为2mW。

4)选择光程为L＝10mm的四面通光石英比色皿为样品池11，用于盛装色氨酸溶液。

5)激发光入射前经过第一窄带滤光片4，该第一窄带滤光片4的中心波长为270nm，使激发光为更加纯净的单色光。

6)激发光出射方向上的第二窄带滤光片8也是中心波长为270nm的窄带滤光片，用于滤除水样中产生的荧光。

7)第一光电探测器10接收的光强度I_λ1可以计算色氨酸溶液的吸光度A_λ1。

8)垂直于激发光方向上的荧光接收光路上放置第三窄带滤光片5，第三窄带滤光片5是中心波长为315nm的窄带滤光片，用于滤除散射的激发光。

9)第一会聚透镜9和第二会聚透镜6(平凸透镜)，用于会聚光。

10)第三光电探测器7用于接收荧光强度I_λ2可以计算参数B_λ2。

第二步，为了确定色氨酸溶液的双波长处的接收原波长光强与被测溶解性有机物的浓度关系模型中的参数，进行以下操作：

1)配置用于建模的17组不同浓度梯度的含随机铁干扰的色氨酸溶液，每一浓度配置10个样本，以此为标准溶液，在个别标准溶液中随机混入含铁干扰物。

2)170个样本被随机划分为训练集和测试集，测试集被用于测试已确定参数的模型是否具有泛化能力和仪器对含铁干扰的色氨酸荧光发色团的反应能力。

3)各组测量的标准溶液的成分配置如图5的表1所示。

4)所有样本溶液均被盛装在15mL的试剂管中，并在4℃暗处存放48小时后进行分析。

5)48小时后，被测试溶液被允许拿到黑暗的恒温室内达到25℃，随后被转移到石英比色皿中用于分析测试。

6)每一样本测试结束后用去离子水清洗石英比色皿五次，并待其水分挥发后加入下一组样本进行测试。

7)每一样本的测试时间确保在1min以内，以减小荧光漂白给测量带来的影响。

第三步，测试得到的原始数据经以下进行预处理。

1)去除光电探测器在测量中由电信号漂移和暗电流所产生的基线，确保每次的光谱具有相同的基底。

2)依据拉依达准则，剔除含有粗大误差的测量数据，拉依达准则表示式： (b＝1,2,…,n)。式中，x_b∈{x_I,i∈1,2,…,n}表示每一浓度中的一个样本数据；表示样本的算术平均值；|v_b|表示剩余误差的绝对值；σ是由贝塞尔公式算出的标准偏差。如果样本满足上式则认为x_b是含有粗大误差值的坏值，应予以剔除。

上述应用例的结果分析：

测量了17组不同浓度梯度的含随机铁干扰的色氨酸溶液，每组包含10个样本。

由这些浓度梯度溶液测量得到的接收强度I_λ1和I_λ2对样本中的色氨酸浓度的变化情况，可以用双波长处的接收原波长光强与被测溶解性有机物的浓度关系式来拟合。

对于同一激发光源、相同荧光接收范围、相同的探测器积分时间来说，双波长处的接收原波长光强与被测溶解性有机物的浓度关系式给出的表达式(1)对实验数据拟合得很好。

在1.2-10mg/L的色氨酸浓度范围，在95％置信限下用Levenberg-Marquardt算法进行优化拟合最大迭代次数为1000轮。

参照图3所示，紫外吸收-荧光双波长分析法能够高精度地定量随机干扰下的色氨酸浓度，解析表达式(1)对预测集的定量分析线性回归结果达到R²＝0.9942的拟合优度。相较于常用的紫外可见分光光度法和荧光定量分析法，紫外吸收-荧光双波长分析法的定量分析结果明显较优。该紫外吸收-荧光双波长分析法解析表达式(1)也可以用于类似荧光定量分析中存在干扰的场景。

对于实际电芬顿降解过程的色氨酸浓度的在线监测，其结果参照图4所示。通过Fe₃O₄纳米粒子嵌入碳毡电极，为电芬顿过程提供铁源，而且从具有丰富裂纹的Fe₃O₄嵌入结构中提供了丰富的活性中心，有利于提高电芬顿降解反应的速率。

使用紫外可见分光光度法、荧光定量分析方法和紫外吸收-荧光双波长分析法分别对电芬顿降解反应进行在线监测，其结果如图4所示。色氨酸初始浓度为C_Trp0＝3.5mg/L，初始的pH值为4.7。每间隔5min记录一次在线监测浓度C_Trp。电芬顿法降解色氨酸是遵循伪一阶化学反应动力学的，其表观速率常数k_app＝(4.496±0.150)×10^-2min^-1(图4实线所示)。

方形数据点和圆形数据点的数据点分别为紫外可见分光光度法和荧光定量分析方法在线监测的预测结果。紫外可见分光光度法在含有变化的含铁干扰物的影响下已经完全无法定量分析色氨酸的浓度，荧光定量分析方法可以大致监测到色氨酸降解的变化趋势而无法做到准确的定量。本文所提出的紫外吸收-荧光双波长分析法为图中的三角形数据点，对其纵坐标取负对数后能够达到线性拟合优度R²＝0.9882，在线监测的均方根误差RMSE＝0.0131mg/L，具有很高的监测精度。

在此在线监测的过程中，也证明了Fe₃O₄纳米粒子嵌入碳毡电极改变了水体中的含铁量，同时也从另一个角度证明了Fe²⁺_TPP配合物对色氨酸的降解是有贡献的。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质。