A multi-component heavy metal detection method using UV-Vis superimposed spectrum and deep learning

组分(热力学) 金属 深度学习 人工智能 光谱(功能分析) 重金属 计算机科学 化学 环境科学 材料科学 环境化学 物理 冶金 量子力学 热力学
作者
Hailong Zhang,Qiannan Duan,Lehan Sun,Jianchao Lee,Weidong Wu,Chi Zhou,Hongfang Zhang,Zhongming Guo,Xiaodan Zhang,Xiang Tang,Duo Yun,Liang Yan,Lei Huang,Peng Wang,Baoxin Zhai
出处
期刊:Journal of Hazardous Materials [Elsevier BV]
卷期号:496: 139187-139187 被引量:1
标识
DOI:10.1016/j.jhazmat.2025.139187
摘要

In the field of environmental monitoring, traditional spectroscopic techniques, despite their high sensitivity in heavy metal (HM) detection, are plagued by complex equipment and high costs. The emergence of artificial intelligence (AI) has driven the digitalization and intelligence of spectral analysis. However, the complexity of environmental samples and spectral overlap remain a major challenge. This study proposes a multi-component HM detection method that integrates ultraviolet-visible (UV-Vis) superimposed spectra with deep learning to address the issue of spectral overlap. By using combinatorial chemical probes to enhance the specificity of colorimetric reactions and conducting high-throughput experiments to collect spectra, a Transformer model is trained to extract qualitative and quantitative information in an end-to-end manner. During the method development phase, the model was trained using five representative HMs (Sb, Fe, Ni, Cd, Cu) to verify its recognition ability under complex conditions (average R² = 0.936, RMSE = 0.132 mg L-1, MAE = 0.054 mg L-1). The method was then extended to detect ten HMs in real-world samples, demonstrating its scalability and robustness (average R² = 0.681, RMSE = 0.189 mg L-1). These results show that the method can simultaneously analyze multiple HMs and transition from spectral fingerprints to quantified ecological risk profiles. Additionally, the AI analysis software developed in this study automates the entire process from spectral input to multi-index detection and risk assessment, providing environmental regulatory authorities with minute-level response capabilities and facilitating proactive early warning for HM pollution control.
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