Page 15 - 理化检验-化学分册2025年第三期

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试验与研究 DOI：10. 11973/lhjy-hx230237

基于可见-近红外光谱技术快速检测水质酸度

苏涵君，李丽娜 *
（华侨大学 机电及自动化学院，厦门 361021）

摘 要：为了满足快速、准确、在线持续检测水质酸度（pH）的需求，基于可见-近红外光谱（Vis-
NIRS）技术，结合化学计量学方法，提出了一种水质酸度的快速检测方法。采集 60 个不同酸度
水溶液样本的 Vis-NIRS 原始数据，分别采用 Kennard-Stone（K-S）算法和光谱 - 理化值共生距离
（SPXY）算法进行样本集划分，运用Savitzky-Golay（S-G）卷积平滑、标准正态变量变换（SNV）、
一阶导数（1D）、二阶导数（2D）和正交信号校正（OSC）等方法对原始光谱数据进行预处理，并使
用连续投影算法（SPA）、竞争性自适应重加权（CARS）算法进行特征波长筛选，建立并比较了不
同的偏最小二乘法（PLS）定量分析模型，以确定最佳模型效果。结果表明，利用 SPXY算法划分
样本集，并经过 SNV 预处理和 CARS 筛选出特征波长，建立的水质酸度 PLS 定量分析模型性能
较优，其预测集决定系数和预测均方根误差分别为 0. 978 6 和 0. 380 3。参与建模的波长变量数由
2 860 个减少至 45 个，极大地提高了模型的运算速率，方法能够实现对水质酸度的快速、准确
检测。
关键词： 可见-近红外光谱（Vis-NIRS）；水质酸度；预处理；竞争性自适应重加权算法；偏最小二乘
法（PLS）；定量分析模型
中图分类号：O657. 33 文献标志码：A 文章编号：1001-4020(2025)03-0249-08

近年来随着人类社会的快速发展，食品安全和 的波长范围内产生基频振动的基团主要为含氢基团
环境污染等问题已成为人们重点关注的话题。水是 （C―H、O―H、N―H等），水中O―H的吸收频率
生命之源，是人体生命健康不可或缺的重要组成成 特性强，容易被可见-近红外光吸收。因此，通过将
分，水质安全问题不容忽视。酸度（pH）作为判断水 Vis-NIRS技术与化学计量学方法相结合，可以对水
质的重要指标之一，它涉及到自然界化学变化及工 质酸度进行定量分析，实现在线持续检测。
业生产过程，掌握水质酸度的变化有利于监测生物 在Vis-NIRS检测过程中，光谱数据除了包含待
体的代谢水平，有助于推进水污染的治理和水资源 测成分相关的变量信息外，还存在大量无关信息和
的保护。因此，快速、准确、在线持续检测水质酸度 噪声等干扰因素，如果采用全光谱建模，会出现光谱
的意义重大。 波长变量过多而导致的信息冗余和重叠现象，影响
传统的酸度检测方法如pH试纸法，存在测量精 模型的预测精度，同时还会导致模型复杂度高、训练
度不够，易造成二次污染等问题，电位测定法虽然测 和预测速率慢等。因此，为了去除波长变量中的冗
量精度高，但是测量周期长，难以满足持续检测需 余信息，降低光谱噪声和模型复杂程度，提高模型预
求 [1-3] 。可见-近红外光谱（Vis-NIRS）是近几十年 测速率，有必要在预测模型建立前进行预处理和特
发展起来的先进分析技术，具有环保、灵敏、快速、 征波长的筛选。文献[10]分别建立了城市污水和养

在线检测的特点，在石化 、食品 、农产品 [6-7] 、医 殖废水中生化需氧量（BOD）、化学需氧量（COD）
[4]
[5]
药 [8-9] 等众多领域得到了广泛的应用。在Vis-NIRS 以及酸度的偏最小二乘法（PLS）模型，验证了Vis-
NIRS技术可以实现水质多参数测量的可行性。文
收稿日期：2023-09-18 献[11]利用变量标准化结合标准正态变量变换
基金项目：国家自然科学基金青年科学基金项目（51805177） （SNV）对采集的光谱进行预处理，建立生化废水中
作者简介： 苏涵君，硕士研究生，主要从事近红外光谱分析研究
COD的PLS定量分析模型，预测值与实测值之间的
*通信作者：李丽娜，副教授，博士，主要从事光谱分析技术研
相关系数为0. 934 8。文献[12]采用平滑算法对采集
究，lilina@hqu.edu.cn
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