机器学习水质高锰酸盐指数化学芯片构建与新型检测方法

发布时间：2020-09-15 07:21

　　 环境废水是当前人类社会发展过程中不可避免的副产物,不同来源的环境废水其中包含的污染物质组成差异巨大,每种环境废水中都包含着多种复杂化学物质。可以说,每一种环境废水都是一种复杂化学体系。在复杂化学体系当中,包含了大量的线性独立反应和非线性耦合反应,因此各物质的组合关系非常复杂。在当前的发展阶段,社会公认的方法是通过水质指标来评价环境废水的水质。以水质高锰酸盐指数为例,通过高锰酸钾氧化法测定生活污水水质化学需氧量,以氧化水质中有机物所消耗的氧量来评价水质受污染的程度。可以通过常规水质指标来判断水质质量,但是不同来源、化学组分相差较大的环境废水,也可能出现相似的水质指标,这对于深入了解环境废水的内部信息,有着很大的局限。由于缺少适用的技术手段,对于这类复杂化学体系内部的复杂化学关系几乎无法开展符合其内部化学特征的大数据信息的研究。目前关于复杂溶液的研究主要集中在两个方向:一方面是通过简化关系来模拟单个组分与某几种组分之间的相互作用和影响,例如对环境废水中的某种污染物质与其他几种化学物质的反应关系。另一方面是复杂溶液某一类指标的检测。例如针对环境废水中COD指标的测定。一般我们可以凭借化学知识对其中的某几类主要包含物质做化学反应分析,但整体复杂溶液的综合性质是无法呈现的。例如:对于环境中污水或者大气中污染物的研究,现在的先进设备已经可以做到对多种物质精确地测定其含量,但实际上,仍然无法做到对环境中污染物化学性质更精确的把握,其原因就在于环境中的污染物质会受到介质中复杂化学体系的影响。针对这种复杂化学体系问题,我们希望设计一种方法,既可以做到对复杂体系中的复杂反应平衡关系进行精确地内部信息呈现,又可以做到对这种内部信息的呈现进行记录以进行量化分析的可能,并尝试将这种方法应用于环境废水的高锰酸盐指数的指标的测定上来。通过一系列的研究与探索,我们创立了一种方法。基于高通量的实验思想与化学打印技术,设计出一种化学芯片,通过化学芯片上复杂的化学扰动实验,将负载于化学芯片的复杂溶液的内部信息可视化呈现出来。通过高通量技术的思想与实验方法,对可以与复杂溶液发生反应的化学扰动试剂进行有规律的排布,并利用化学打印技术将这种排布组合打印在化学芯片上。芯片上每个化学反应点间相互独立,将与均匀负载于化学芯片上的复杂溶液发生化学扰动反应,其中每个反应单元的反应是相互独立的。通过负载基于酸碱反应显色原理可以使化学扰动剂显色的显色剂于化学芯片,可以将负载溶液的扰动反应情况可视化呈现出来。通过对于图案的收集、数字化处理,利用环境废水复杂溶液进行实验设计,可以对环境废水的内部信息进行可视化呈现与进一步分析。同时,利用机器学习对收集到的图案信息进行数据分析。我们以环境废水复杂溶液的高锰酸盐指数指标为例,通过机器学习分析图案的内部信息特征,来创建一种新型的高锰酸盐指数测定方法。主要结论:(1)对环境废水复杂溶液的内部信息的存储方法的建立。通过利用高通量实验思想与化学打印方法,将环境废水复杂溶液的内部信息通过化学扰动平衡反应的形式以图案的形式呈现在化学芯片,并对图案进行收集和记录。(2)复杂溶液显色反应装置的建立。首先通过有规律的排列组合方式确定环境废水的加样方法。利用超声喷雾技术、数码相机对图案的记录方式与黑暗反应箱实验方法,通过对环境废水的超声喷雾,实现环境废水与化学芯片反应的发生,从而实现对环境废水的反应内部信息图案的记录。(3)实验结果的数字化处理。对实验结果的反应图案进行RGB值的分析,并通过等高线绘制的方式对反应图案进行数字化处理,实现反应结果的记录。通过对图案像素数值的栅格叠置方式,将反应结果图与化学芯片原图像素数值进行叠减,利用等高线的方式将叠减后的数据结果进行记录。(4)针对环境废水复杂溶液的内部信息初步探索。在数据收集与图案数字化处理的过程中,针对不同环境废水样品,对各类样品的化学扰动结果进行分析与探讨。(5)对水质高锰酸盐指数指标的新型测定方法的建立。通过收集图案数据与反应样品的水质高锰酸盐指数的对应关系,利用机器学习的方式进行图案深度学习,寻找一种数据图案与水质高锰酸盐指数的变化关系公式。从而建立一种新型水质高锰酸盐指数指标测定方式。
【学位单位】：陕西师范大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：X832
【部分图文】：

逡逑来构思的。如下图２－１所示。逡逑％，逡逑Ａｃｉｄ邋ｃｈａｎｎｅｌ逦Ａｌｋａｌｉ邋ｃｈａｎｊｉｅｌ逦ｏｆｆｓｅｔ邋ｃｈａｎｎｅｌ逡逑图２－１扰动剂打印模板逡逑Ｆｉｇ．２－１邋Ｄｉｓｔｕｒｂａｎｃｅ邋ａｇｅｎｔ邋ｐｒｉｎｔ邋ｔｅｍｐｌａｔｅ逡逑三种扰动剂分别沿着三个不同的方向按照0％－！00％－0％的方向排布，基于组合逡逑化学的原理，在化学芯片上每个反应单元内，扰动剂的配比各不相同，即每一个逡逑像素单元格都是一个配比不同的微小反应器。同时保证扰动剂的配比范围足够宽，逡逑可以对样品的扰动反应起到较好的结果显示，保证了整个实验信息的丰富性。逡逑２．４．２显色剂模板的设计逡逑向化学芯片上负载的扰动剂可以与样品发生扰动反应，但是由于扰动剂与样逡逑品本身的颜色较浅，无法对扰动结果进行有效的显示。通过选取显色剂按照模板逡逑打印在化学芯片上

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３．３．１反应装置的搭建逡逑实验设计需要将环境废水复杂溶液可以定量、均匀地负载于化学芯片，实验逡逑组根据实验要求，自行搭建一套实验反应装置。反应装置示意图如下图３－１所示。逡逑Ｍ邋／－■邋．逡逑Ｉ逦ＨＨｏｉ0邋ｔ邋0邋１１邋ｔ邋ｉｏｎ逡逑：１逡逑Ａｎａｌｙｔｉｃａｌ邋ｂａｌａｎｃｅ逡逑图３－１反应装置示意图逡逑Ｆｉｇ．３－１邋Ｒｅａｃｔｉｏｎ邋ｄｅｖｉｃｅ邋ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋ｄｉａｇｒａｍ逡逑２０逡逑

【参考文献】

相关期刊论文 前1条

1 张莘民,高明慧;化学需氧量的分析[J];环境化学;1989年02期

本文编号：2818680