MicroNIR/化学计量学平台用于水中三氯甲烷在线监测的可行性：反射与透射多模式评估

《Analytica》：Innovative Technologies for the Online Monitoring of Chloroform in Water by MicroNIR/Chemometrics Systems

　　

本研究评估微型近红外光谱（MicroNIR）/化学计量学平台作为快速工具监测三氯甲烷（chloroform）的可行性；三氯甲烷是三卤甲烷（THMs）类代表性消毒副产物（DBPs）。对两台MicroNIR设备在三种配置中进行测试：玻璃样品瓶中的反射测量，以及静态和流动模式下的透射测量。实验使用加标蒸馏水，浓度范围为1–200 μg/L，与法规相关。主成分分析（PCA）在所有配置中为空白与含三氯甲烷样品提供清晰分离。偏最小二乘判别分析（PLS-DA）实现100%特异性（SP%）和无错误率（NER%），静态和流动测量的预测均方根误差（RMSEP）约为0.06–0.08，样品瓶模式约为0.09–0.10。在1–20 μg/L范围内，偏最小二乘回归（PLSR）在静态和流动测量中表现出相当性能（R² = 0.91；RMSEP = 2.3 μg/L），而流动模式提供最低的估计检出限（LOD）和定量限（LOQ）（分别为2.6 μg/L和7.9 μg/L）。在20–200 μg/L范围内，流动模式表现出最高定量性能。结果支持MicroNIR/化学计量学作为水中三氯甲烷快速筛查工具的可行性，并可补充参考方法。未来工作将聚焦于改善跨实验活动（inter-campaign）可迁移性、将该方法扩展至所有受监管的三卤甲烷，并在真实基质中验证。

在One Health（同一健康）和联合国可持续发展目标（SDGs 3、6、9）框架下，绿色分析化学（Green Analytical Chemistry）原则日益强调可持续、快速、低环境影响的环境监测。近红外光谱（NIRS）及便携、微型化MicroNIR设备可在900–1700 nm范围利用低能跃迁进行快速、无损、无试剂分析，但NIR谱严重重叠，需借助化学计量学进行解释。PCA、PLS-DA、SIMCA和PLSR常用于定性分类与定量校准。MicroNIR/化学计量学已用于生物科学、制药、食品、非法药物、植物材料、燃料与聚合物、文化遗产、法医和环境等领域，但在饮用水及游泳池等娱乐水中毒性DBPs监测方面仍探索不足。娱乐水基质复杂，含天然有机物、源水微量污染物、沐浴者来源物质和微生物；消毒是控制微生物风险的必要措施，但消毒剂可与水中物质反应生成DBPs，部分DBPs与过敏、呼吸问题、代谢改变、生殖毒性及潜在致癌、致突变、遗传毒性、细胞毒性和内分泌干扰相关。已识别1000多种DBPs，包括THMs、卤乙酸（HAAs）、卤乙腈（HANs）、卤醛（HALs）、卤酮（HKs）、亚硝胺（NAs）及无机物种；然而法规仅覆盖有限DBPs。欧盟和美国总THMs限值分别为100 μg/L和80 μg/L，总HAAs为60 μg/L；游泳池水DBPs监管不足，WHO指南非约束性，国家限值异质，4THMs从德国推荐20 μg/L到日本200 μg/L，荷兰50 μg/L、法国100 μg/L等，部分游泳池THM限值甚至严于饮用水。现有GC-MS/ECD、HPLC-DAD/MS、离子色谱、超临界流体色谱、毛细管电泳-MS及USEPA方法灵敏准确，但需繁琐前处理、昂贵仪器、危险溶剂和实验室操作；DBP形成动态受源水、消毒剂类型和剂量、pH及沐浴负荷影响，难以快速实时现场监测。膜进样质谱（MIMS）、开路傅里叶变换红外光谱（open-path FTIR）、电化学传感器及在线THM分析仪虽有进展，但受操作条件敏感性、成本、干扰、饮用水验证为主、游泳池研究少等限制。因此需要快速、可靠、环境可持续、用户友好的现场筛查工具。研究人员评估微型非接触MicroNIR/化学计量学平台监测作为模型THM的三氯甲烷，在三种配置下测试两台设备，浓度水平反映法规限值差异；该工作是开发饮用水和娱乐水DBPs快速现场筛查与早期预警工具、补充常规实验室方法的第一步。研究结果表明，三种配置均可区分空白和含三氯甲烷样品；PLS-DA实现稳健分类，PLSR实现低浓度和高浓度范围定量；流动透射在低浓度获得最低LOD/LOQ，在高浓度定量性能最好；该方法不意在替代参考色谱方法，而可作为快速筛查和早期预警的补充工具，具有重要意义。

关键技术方法：采用OnSite-W手持光谱仪反射和PAT-L光谱仪透射，设玻璃瓶反射、静态透射和流动透射（2 mL/s）三种配置；908–1676.2 nm、6.25 nm分辨率、125点，每等分10次重复、每样30谱。主数据集为新鲜制备1–200 μg/L加标蒸馏水及甲醇匹配空白，每浓度三份独立等分；前期独立数据集含无甲醇/水-甲醇匹配空白及10–200 μg/L三氯甲烷，用于甲醇贡献和初步跨实验活动评估。在Unscrambler X 10.4中进行PCA、PLS-DA和PLSR，比较基线校正、Savitzky–Golay一/二阶导数、SNV和均值中心化；按等分划分训练/测试，SPSS进行ANOVA、Levene、Welch、Dunnett或Games–Howell检验；LOD/LOQ由空白预测响应标准差估算。

3.1 浓度范围1–200 μg/L
3.1.1 NIR光谱：通过三种模式原始谱和重复采集评估。CHCl₃在NIR区主要含C–H振动组合与倍频，C–Cl伸缩倍频不出现；水和甲醇的O–H、C–H强吸收重叠，原始谱中CHCl₃直接贡献难以视觉分辨，仅瓶反射数据集可见部分视觉分离。流动测量等分内光谱标准差最低，静态次之，瓶反射较高，说明连续样品更新下重复采集一致性更好。
3.1.2 主成分分析：每个采集模式分析360条谱（270条CHCl₃谱和90条甲醇匹配空白谱）。空白与含CHCl₃样品在低阶主成分上分离，PC1解释方差分别为瓶77%、静态99%、流动97%；载荷主要位于水O–H、水基质坐标（WAMACS）及甲醇相关区域，不能唯一归因于CHCl₃。ANOVA显示浓度相关差异显著，如流动PC1的η² = 0.992、PC2为0.886，瓶PC1为0.973，静态PC1为0.745，表明存在浓度相关多变量信息，但其分布依赖采集几何和预处理。
3.1.3 PLS-DA：采用等分水平内部预测，三种配置均实现空白与含CHCl₃样品完全判别，SP%和NER%为100%，内部预测无误分类；静态和流动RMSEP约0.06–0.08，静态最低为0.06–0.07，瓶反射需D1预处理和4个潜变量（LV），RMSEP约0.10。跨实验活动预测需调整预处理，透射配置保持较好，瓶反射较差（18个空白中9个、54个含CHCl₃样品中3个错分），说明内部分类强但直接跨批次迁移有限。

3.2 浓度范围1–20 μg/L
3.2.1 PCA：分析1、2.5、5、10、20 μg/L五个浓度共150条谱及30条空白谱；瓶用D1、静态用基线校正、流动用均值中心化。瓶PC1/PC3解释86.0%/2.7%，静态99.4%/0.1%，流动94.0%/0.8%；流动浓度组分布最明确，静态和瓶重叠较多，表明低浓度下流动配置的浓度相关结构较清晰。
3.2.2 PLSR分析：用120条谱建模（含20条空白）、60条谱内部预测（含10条空白）。静态和流动模型预测性能相当，R² = 0.91、RMSEP = 2.3 μg/L；流动模型LOD/LOQ最低，为2.6/7.9 μg/L；静态模型预测相对标准偏差（RSD）为24.4%、回收率109.0%，流动RSD为29.2%、回收率98.7%；瓶模型R² = 0.75、LOD/LOQ为4.6/15.7 μg/L。低浓度下静态和流动定量性能相当，流动检测能力较好，静态存在约9%正偏；跨实验活动评估仅为探索性，定量迁移有限。

3.3 浓度范围20–200 μg/L
3.3.1 PCA：分析20、50、100、150、200 μg/L共150条谱及30条空白谱。瓶用D1时PC1/PC3约81%/2%，仍存在重叠；静态用均值中心化时PC1解释99.7%但浓度组重叠明显；流动PC1/PC3为98.5%/0.3%，浓度相关分布更明确，表明高浓度下流动配置的PCA结构最清晰。
3.3.2 PLSR分析：用120条谱建模（含20条空白）、60条谱内部预测（含10条空白）。流动模型预测R² = 0.91、RMSEP = 15.7 μg/L、回收率96.1%、RSD为25.9%，定量性能最高；瓶模型居中；静态模型正偏明显并出现预测范围压缩，低浓度高估、高浓度低估。回归系数信息分布于多个光谱区而非单一CHCl₃吸收带；跨实验活动定量迁移有限。

3.4 讨论：三氯甲烷在痕量下NIR响应弱，且与水-甲醇基质强重叠，分析响应不能解释为直接检测独特CHCl₃光谱指纹；分类和预测依赖弱CHCl₃贡献叠加于主导水-甲醇响应及可能的基质调制。PCA载荷与纯CHCl₃谱部分重叠，但主要载荷位于水O–H和WAMACS区域，不能唯一归属。三种配置均含可判别多变量信息，方差分布随采集几何和预处理不同。重复谱显示PAT-L透射变异低于瓶反射，流动最稳定，等分内光谱标准差约10^?4 AU，静态约10^?3 AU。PLS-DA内部判别强，但跨实验活动需预处理调整，需多批次独立校准。低浓度静态和流动R² = 0.91、RMSEP = 2.3 μg/L，流动LOD/LOQ最低；但LOQ约7.9–9.2 μg/L，近低端定量需谨慎；静态回收率109.0%对应约9%正偏，在5 μg/L约0.45 μg/L，与RMSEP 2.3 μg/L相比不可忽略。高浓度流动定量最佳；静态正偏和范围压缩可能与挥发性CHCl₃的空气-水分配及静态非动态采样有关，但原文认为这些机制未独立量化，应视为合理贡献而非已证明原因。剔除波长实验表明预测信息分布在整个MicroNIR范围；后续需多批次校准、真实基质验证、减少甲醇使用并以参考色谱方法验证。

研究结论（原文结论部分翻译）：本研究支持便携式MicroNIR光谱联用化学计量学用于水中三氯甲烷快速筛查的可行性。在所有研究的配置中，空白与含三氯甲烷样品在1–200 μg/L范围内均被成功区分，该范围与饮用水和娱乐用水法规相关。PLS-DA实现稳健分类，PLSR在低浓度和高浓度范围内实现定量预测。在1–20 μg/L范围内，流动透射提供最低的估计LOD和LOQ（分别为2.6和7.9 μg/L）。此外，流动测量提供最大的光谱一致性，并在20–200 μg/L范围内表现最强的定量性能。所提方法并非意在替代参考色谱方法，而可能作为水中DBPs实时筛查和早期预警监测的有价值补充工具。未来工作将聚焦于通过更大规模多批次校准数据集改善跨实验活动可迁移性、减少甲醇使用以进一步提高分析绿色性、将平台扩展至全部受监管THMs，并在真实水基质中针对参考技术验证平台，以支持更高效、可持续和主动的水质管理。