水质分析测试技术概况
李全保，马小平**
作者简介：李全保，（1985-），男，硕士研究生，主要研究方向：控制理论与控制工程
通信联系人：马小平，（1961-），男，教授，主要研究方向：控制理论及应用，网络控制、计算机技术及
应用. E-mail: xpma@cumt.edu.cn
（中国矿业大学信息与电气工程学院，江苏 徐州 221008）
5 摘要：随着我国经济的快速发展，人们对水资源的疯狂掠夺导致目前国内水资源不断恶化，
同时国内的水质分析方法和测试技术又有待提高，针对上述情况，本文综合论述了水质分析
的方法、测试的技术以及对测量数据的评价，旨在阐述目前国内外水质分析测试的研究现状，
提出水质分析方法和测试技术的未来发展方向。
关键词：化学分析法；光谱法；人工神经网络法

0 引言
随着全世界工业的发展，人类在征服大自然的同时也带来了对大自然的严重破坏，水资
源的恶化问题已经越来越成为广泛关注的焦点。由于我国水质分析测试技术起步较晚，现在
的研究成果在国际上也处于劣势，因此，我们急需提高我们的分析和测试水平，以往我们都
30 是采用实验室测量的传统方法，此方法耗时且不准确，现在随着信息技术、测控技术、计算
机技术、嵌入式技术等等的发展，水质分析技术必然朝着快速、准确、高灵敏度、自动化的
方法迈进[1]。
1 水质测试
1.1 水质测试的检测物
35 在水质测试的过程中，主要测试的物质类别包括金属、非金属和有机物。而需要测定的
金属主要有：铅、砷、镉、铬、汞、铜、铁、锰等；非金属主要有：氨氮、总氰化物、硝酸
氮、亚硝酸氮、磷酸盐等；有机物主要有：水质总有机碳(TOC, Total Organic Carbon)、化学
需氧量(COD, Chemical Oxygen Demand)、生物需氧量(BOD, Bilogical Oxygen Demand)、高
锰酸盐指数、阴离子表面活性剂、酚等。这些所需要监测的指标的超标往往会给环境和人体
40 造成极大的危害，因此对它们的监测是一项很重要的任务。
 1.2 水质测试方法
在水质分析领域，经过多年研究和应用，已经积累了一系列比较成熟的水质测试方法，
其中比较常见的有电化学分析法、离子性选择电极法、两相滴定法、富集方法、容量分析法、
原子吸收光谱法、发射光谱分析法、荧光光谱法、红外光谱法、紫外分光光度法、气相色谱
45 法、液相色谱法、离子色谱法和流动注射分析法等[2]。这些测定的方法大致可以分为基于化
学分析法原理的传统分析法和基于光学原理的新兴分析法。
下面简要介绍上述几种方法的原理：
1. 原子吸收光谱法[3]: 每种物质的原子都具有特定的原子结构和外层电子排列，因此不
同的原子被激发后，其电子具有不同的跃迁，能辐射出不同波长光，就是说，每种元素都有
50 其特征的光谱线。由于谱线的强度与元素的含量成正比，由此可测定元素的含量，作定量分
析。
2. 紫外分光光度法[4]: 许多有机化合物在紫外区具有特征的吸收光谱，分光光度法是通
过测定被测物质在特定波长处或一定波长范围内光的吸收度，对该物质进行定性和定量分析
的方法。
55 3. 色谱法[5]: 色谱过程的本质是待分离物质分子在固定相和流动相之间分配平衡的过
程，不同的物质在两相之间的分配会不同，这使其随流动相运动速度各不相同，随着流动相
的运动，混合物中的不同组分在固定相上相互分离。
4. 重铬酸钾法测定COD: 在强酸性溶液中，准确加入过量的重铬酸钾标准溶液，加热
回流，将水样中还原性物质(主要是有机物)氧化，过量的重铬酸钾以试亚铁灵作指示剂，用
60 硫酸亚铁按标准溶液回滴，根据所消耗的重铬酸钾标准溶液量计算水样化学需氧量。
5. 激光诱导荧光法[6]: 使激光器调谐到所选择的激发跃迁的中心频率后固定不变，然后
用一个光谱仪测量这个能级所发射的荧光光谱来获得这个能级跃迁后的各终止分子能级信
息，因为不同物质的激发能级不同，放出的荧光也是特异的，所以说每种物质的荧光光谱都
是恒定的，即唯一性。根据荧光谱线的波长可以对物质进行定性分析。
65 尽管有些是传统的测量方法，有些是新兴的测量方法，但是未来的发展趋势是将传统方
法与新兴方法相结合，往往会相互补充对方的缺点，实现更高的要求。例如近些年，随着流
动注射分析技术的发展，将流动注射分析技术与上面的化学和光学方法相结合，产生了流动
注射分光光度法、流动注射原子光谱法、流动注射化学发光法[7]、流动注射电化学法等。
1.3 水质测试仪器
70 由于水质测试的原理和方法分为两大类，因此根据其制作出来的水质测试仪器也分为两
大类，一类是基于传统湿化学的原理制作出来的分析仪器，另一类是基于光学原理的分析仪
器。
基于传统化学原理的检测设备往往比较庞大笨重，且需要从现场采集样本带回实验室进
行检验，存在二次污染，测量时间也比较长，比如有机物综合指标中COD 指标和IMn 指标
75 测定，采用的试剂包含有毒重金属硫酸汞、浓硫酸和致癌的重铬酸盐等，测量过程都需要数
个小时，TOC 指标的测定则需要160℃低温和90℃高温两种燃烧氧化环境。现在，随着技
术的进步，市场上也已经出现了基于化学分析法的便携式水质检测仪，在一定程度上排除实
验室分析带来由水样变质造成的测量误差，但是仍需要化学试剂、测量速度缓慢。基于化学
方法原理的便携式分析仪有荷兰的SKALAR SAN++间隔分析仪、德国Novi 公司的便携式
80 多参数COD 测定仪ET99722、美国Hach 公司的紫外法COD 分析仪、氨氯分析仪和荧光法
 溶氧分析仪、意大利Nanna 公司的便携式多参数BOD 测定仪HI9820、美国WQM-IV 水质
测定仪、中国华中科技大学的便携式多参数COD 分析仪MPT-201 等。
化学分析方法的缺点是：水样测试之前需做一定的化学或物理处理，测量时需添化学试
剂，会对环境造成污染，测试步骤繁琐，耗时较长，无法及时准确跟踪水质的变化。这类仪
85 表价格昂贵，维护费用高，不便于大规模大范围推广。
另一种水质分析方法是基于光学光谱原理的，这类仪器测试时不需要化学试剂、测量快
速、操作简单，近年来得到广泛的重视。目前在国内外市场上已推出了多种基于光学分析原
理的便携式水质分析仪，有Azur 公司的InSpectra 分析仪、美国EllA 公司的便携水中有机
物分析仪、上海新仪微波化学科技生产的水中有机物快速测定仪等。
90 基于光学原理的水质便携式分析仪虽然能克服化学分析法的不足，但是现有市场上多是
采用紫外吸光度法，容易受到无机悬浮物的干扰，并且对吸光系数极低的有机物分析误差较
大，不能反映水质真实污染情况，只适用于组分变化不大的水样。
美国的Ametek 公司生产的在线系列光谱仪是小型化、适合现场工作的光谱仪的第一代
代表性产品。该类仪器主要是采用单波长或者双波长的工作方式，利用滤色片得到单色光，
95 并通过测定样品在紫外可见区域内的两种波长光谱的吸收差值来检测和控制工艺过程的。这
种可以应用于现场实时在线检测的仪器，免除了传统的局限于实验室的光谱仪器在应用中所
遇到的许多麻烦[8]。
我国浙江大学于2010 年研制出的以紫外可见吸收光谱和荧光光谱融合为基础的便携式
水质分析仪实现了水质分析仪表快速、准确、使用维护方便、无二次污染、可便携等特性，
100 在与市场上较为先进的法国SECOMAM公司PASTEL-UV便携式水质分析仪的比较中发现，
在测量精度和产品性能上都要优于对方[9]。
随着社会的发展和人们对自身健康的关注以及水资源的日益短缺和恶化，水质分析技术
和仪器需要不断的更新和发展,并且朝着快速、准确、高灵敏度、自动化方向迈进。因此，
原有的传统人工理化分析方法就必须被客观、准确的仪器分析方法代替，过去只能对单一物
105 质逐一测定的方法需要由能同时测定数种物质的方法来代替,但是所有这些方法的更新需要
建立在要比旧方法具有更高的灵敏度和准确性基础上,这样才能满足现如今水样分析的日益
复杂化和微量化。
2 水质数据分析与评价
得到水质测量的数据后，进行数据的分析与评价就成为了一项重要的工作。水质评价的
110 方法主要有：指数评价法、模糊综合评价法、人工神经网络法、综合水质标志指数法、多元
聚类分析法、多源光谱信息融合、灰色聚类法、物元分析法、主成分分析法等等。
指数评价法包括单因子污染指数法和综合污染指数法。单因子评价法是将每个评价因子
与评价标准比较，确定各个评价因子的水质类别；综合指数法是考虑多种水质因子，并采用
加权平均等方法来计算的水质评价法。内梅罗指数法是当前最常用的综合污染指数评价方
115 法。
模糊综合评价法是借助模糊方法，根据模糊集的理论和概念来确定环境质量的归类。模
糊综合评价法的核心内容是确定隶属函数进而求得隶属度以确定水质类别。
人工神经网络(Artificial Neural Networks，简写成ANN) 是由具有适应性的简单单元组
成的广泛并行互连的网络，它的组织能够模拟生物神经系统对真实世界物体所做出的交互反
120 应(T.Kohonen，1984)。
 综合水质标识指数法是在单因子水质标志法的基础上发展起来的，它是在全面分析各类
型水质指标污染状况的基础上，选取有代表性的重点污染因子，结合各水体的功能区标准，
通过计算，用一个综合系数即水质标识指数来反映河流水质状况[10]。
灰色聚类法的基本思路是: 计算水体水质中各因子的实测浓度与各级水质标准的关联
125 度，然后根据关联度大小确定水体水质的级别。对处于同类水质的不同水体可通过其与该类
标准水体的关联度大小进行优劣比较。
物元分析法的思路是: 根据各级水质标准建立经典域物元矩阵，根据各因子的实测浓度
建立节域物元矩阵，然后建立各污染指标对不同水质标准级别的关联函数，最后根据其值大
小确定水体水质的级别。它可以将复杂问题抽象为形象化的模型，并应用这些模型研究基本
130 理论，提出相应的应用方法。
主成分分析法又称定量分析，它是在一组变量中寻找出的方差-协方差特征量，然后由
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