荧光溶解性有机质EEMs的新旧自组织映射图解析方法比较研究

目前,对地表水体荧光溶解性有机质(Fluorescent Dissolved Organic Matter,FDOM)三维激发发射矩阵(Excitation-Emission Matrices,EEMs)数据的解析仍旧存在挑战.本文结合原始EEMs和从中分离的荧光平行因子分析(Parallel Factor Analysis,PARAFAC)组分,利用自组织映射图(Self-Organizing Maps,SOM),开展了基于传统EEMs-SOM和新型PARAFAC-SOM神经网络模型的复杂荧光数据解析能力对比研究,以此探索和改进EEMs多元解析方法技术体系.模型以已发表论文原始数据为基础构建,研究对象为南太湖重要入湖河流东苕溪水系.结果显示:EEMsSOM模型需依赖常规"摘峰法"对各荧光峰做出主观判断,不能有效识别重叠荧光峰,且人为割裂多激发共发射荧光物质峰之间的联系,从而弱化分析结果的实际环境意义,但神经元的模式荧光光谱可视化效果较佳,且操作简便,耗时较少;PARAFAC-SOM模型克服了上述缺陷,可清除EEMs中的噪声或无用信息,大幅降低输入变量数(从1742个降至4个),缩减运算时间,较大地改善了输出结果的准确性,获得无损可靠且实际环境意义较强的结果,但该法的PARAFAC预处理要求较高,工作量较大;两类模型解析结论大体一致,对前期研究进行了全新的阐述和补充,且生动揭示了FDOM在多级河流水体中的空间赋存变化规律及河流的动态污染过程.综上,推荐在今后研究中综合使用两类优势互补的模型以实现对EEMs的深度解析.

南昌市湖泊水体中不同粒径胶体的三维荧光光谱特征研究

基于切向流超滤系统及三维荧光光谱(3D-EEM)技术,结合平行因子分析法(PARAFAC)及自组织映射神经网络(SOM),对南昌市典型湖泊水体中不同粒径胶体的荧光物质组分、来源及结构等进行分析.通过PARAFAC解谱发现,各粒径胶体主要由5种荧光组分组成,即类腐殖质组分(C1~C3)及类蛋白质组分(C4~C5).其中,类腐殖质组分主要集中在小分子量(1~10 k Da)胶体中,而类蛋白质组分则主要存在于大分子量(100 k Da^0.45μm)胶体中.同时,利用光谱指数(FI、BIX、HIX、UV254)表征胶体组分来源及其特性,结果表明,大分子量胶体以自生源为主,而小分子量胶体的腐殖化程度及芳香性更高,这与其较高比例的类腐殖质组分有关.经SOM训练,探讨了不同粒径分级胶体在SOM映射图中的分布情况,其结果与PARAFAC所得结果一致,即小分子量胶体及大分子量胶体主要分别映射于SOM的下部和上部,而类蛋白质荧光峰强度占总荧光强度的比例为自右上至左下方向递减.PARAFAC与SOM的有效结合,可为了解水体中的物质组成、掌握胶体在水环境中的环境行为及其与污染物在水体中的归趋作用提供数据支持.

利用PARAFAC及SOM研究不同来源及粒径胶体的三维荧光光谱特征

利用三维荧光光谱法(3D-EEM)结合平行因子分析(PARAFAC)和自组织神经网络分析(SOM),解析了不同来源水体中不同粒径胶体的荧光特性,同时与挑峰法进行比较,以期寻找一种更好的分析天然胶体来源、粒径、荧光特性间关系的方法.基于PARAFAC模型,研究区水体中不同粒径胶体共解析出2个类腐殖质荧光峰(C1和C3)及3个类蛋白荧光峰(C2、C4和C5).其中,300 k Da^1μm分级胶体荧光强度最高,C1、C2、C3组分的荧光强度随粒径增大而增强,C4、C5组分的荧光强度随粒径增大而减弱.不同来源胶体(生活污水:进水和出水;农业污水:大盈和天恩桥;天然水体:吴淞口)的荧光强度变化大致规律为:吴淞口>进水>大盈>天恩桥>出水.SOM分析结果与PARAFAC一致,且可视化程度更高,但EEM-SOM模型存在输入变量多、兼具挑峰法缺点的问题.而PARAFAC-SOM模型不仅兼具了前两者的优点,还具有输入变量少、运行时间短、可靠性高等优点.同时,该模型还成功应用于胶体其他理化参数的分析(Parameters-SOM模型),使得前期工作结果系统性更强、更直观.因此,PARAFAC-SOM模型是相对较好的分析天然胶体来源、粒径、荧光特性间关系的方法.