平行因子分析在赤潮藻滤液三维荧光光谱特征提取中的应用.pdf

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1、第38卷分析化学(FENXIHUAXUE)研究报告第8期2010年8月ChineseJoumMofAn~iealChemistry1144—1150DOI：10．3724／SP．J．1096．2010．O1l44平行因子分析在赤潮藻滤液三维荧光光谱特征提取中的应用吕桂才赵卫红王江涛(中国科学院海洋研究所海洋生态与环境科学重点实验室，青岛266071)(中国海洋大学海洋化学理论与工程技术教育部重点实验室，青岛266100)摘要在实验室条件下培养我国沿海常见的10种赤潮藻，测定了赤潮藻生长过程中藻滤液的三维荧光光谱。用平行因子分析对光谱进行分解，获得每种

2、赤潮藻滤液荧光峰的个数及类型，即每种赤潮藻的特征光谱。在此基础上比较每种藻特征光谱的相似性和差异性，并分析了赤潮藻生长过程中滤液的荧光峰强度和生长阶段的关系，为基于赤潮藻滤液三维荧光光谱的赤潮藻种类识别测定技术提供依据。结果表明：不同赤潮藻的特征光谱之间存在差异。在指数生长期，类蛋白和类腐殖质荧光峰强度与藻密度呈正相关，说明两类有机物在水体中不断积累；在稳定期和衰亡期，两类有机物的荧光强度迅速增大，这可能是衰老和死亡细胞的破碎释放，以及细菌降解作用所致。平行因子分析可以有效提取赤潮藻的荧光特征，考察了赤潮藻荧光峰强度和生长阶段的关系。关键词平行因子分

3、析；三维荧光光谱；赤潮藻1引言荧光溶解有机物是海洋溶解有机物中的重要组成部分，来源主要是江河携带人海和降水等外源以及生物活动和海洋沉积间隙水释放等内源。钟润生等⋯将三维荧光指纹光谱用于污染河流溶解性有机物来源示踪研究。海洋浮游植物是荧光溶解有机物重要的生物来源，在赤潮发生过程中，曾发现较强的荧光_2]。目前，关于微藻本体的荧光特性已有诸多研究，但对藻体生长过程所产生的荧光溶解有机物的研究比较少，赵卫红等_8发现微藻生长过程中的溶解有机物会产生类蛋白荧光和类腐殖质荧光，藻种不同，所产生的光谱特征也不同；任保卫等发现硅藻的FDOM在三维荧光光谱中显示出较

4、强的类腐殖质荧光，而甲藻在指数增长期类蛋白荧光较强，进入消亡期后类蛋白荧光和类腐殖质荧光强度迅速增大，对同属微藻，光谱特征相似，但具体荧光峰的位置有所差别。对溶解有机物荧光的研究多采用手动挑选的方式确定荧光峰的位置，费时费力，且误差较大。本研究采用平行因子分析对赤潮藻生长过程中滤液的三维荧光光谱进行分解，直接获得每种赤潮藻滤液荧光峰的个数及类型，即每种赤潮藻的特征光谱。在此基础上可以方便地比较每种藻特征光谱的相似性和差异性，并分析赤潮藻生长过程中滤液的荧光峰强度和生长阶段的关系，为基于赤潮藻滤液三维荧光光谱的赤潮藻种类识别测定技术提供依据。平行因子分

5、析通过模型分析确定峰位置，可直接获得每种赤潮藻滤液荧光峰的个数和类型以及每个样品中荧光峰的荧光强度信息，无需在每个三维谱图中手动挑选荧光峰。整个过程都可程序化，简单快捷，在此类研究中有着很好的应用前景。2理论部分平行因子(Parallelfactor，PARAFAC)分析被广泛应用于三维和高维数据的分析及应用。平行因子分析是基于三线性分解理论，采用交替最小二乘算法实现的一种数学模型，它将一个三维数据矩阵分解为得分矩阵，载矩阵和C。分解模型可表示为：拈=五Ⅱbyci=1，⋯，，；：1，⋯，．，；k=1，⋯，K(1)将平行因子分析模型应用到溶解有机物三维

6、荧光光谱中时，式(1)中代表第i个样品、发射波长、激2Ol0_02_08收稿；2010-o4~7接受本文系国家863计划(No．2006AA09Z180)项目资助E-mail：whzhao@ms．qdio．ae．cn第8期吕桂才等：平行因子分析在赤潮藻滤液三维荧光光谱特征提取中的应用发波长处的荧光强度值；F为载荷矩阵列数，代表因子数；8为残差矩阵，表示变量不能被模型解释的大小；nbc，分别为载荷矩阵A，B，C中的元素，分别代表了组分浓度、发射光谱和激发光谱信息。与二维数据模型(如主成分分析)不同，平行因子分析的解是唯一的。理想情况下，平行因子模型的因

7、子数应该等于混合物中的组分数。每个因子的载荷代表了一种纯组分对混合物荧光的贡献。现实应用中，由于某些组分化学结构很相似或者产生的荧光峰共变性很好，模型很难将这些物质分离成各自相应的组分。因此，平行因子分析的组分数是对混合物中实际荧光组分数的估计。这种技术在纯化学组分未知的复杂体系研究中是非常有用的。近年来，平行因子分析被成功地用于解析三维荧光光谱¨。刘海龙等。。用平行因子分析对绿茶样品的三维荧光光谱进行分解，通过因子光谱特征分析确定了绿茶的三种主要成分；2003年，Stedmon等⋯首先将平行因子分析用于解析天然水体中溶解有机物的三维荧光光谱，得到了

8、5个组分，并根据各组分的组成分析了溶解有机物的来源；2005年，Stedmon等_1又用平行因子分析解析围隔