關注環境監測 劉文清院士談光譜技術的研究和應用

2018年11月21日，「第十一屆中國在線分析儀器應用及發展國際論壇暨展覽會」(CIOAE 2018)在南京國際展覽中心舉辦了隆重的開幕式。儀式結束後，來自中國科學院合肥物質科學研究院的劉文清院士成為本屆論壇的第一位報告人。

中國科學院合肥物質科學研究院 劉文清院士

劉文清院士是我國環境光學監測領域專家，成功將光譜學技術應用於環境監測，開拓了中國環境光學監測技術新領域。他發展了高靈敏環境監測新方法、新技術，並達到了國際先進水平。此外，還研發了一系列先進的環境監測設備，促進了中國環境監測技術的進步。作為本屆在線分析儀器論壇的重要嘉賓，劉文清院士為與會人士帶來了題為《環境監測中的光譜學技術進展》的主題報告。

在本次報告中，劉院士從需求背景、技術進展以及發展思路三大方面出發，闡述了環境監測中的光譜技術進展。他首先介紹了二次細顆粒物的主要來源，並指出，目前國內大氣臭氧汙染有惡化和蔓延的趨勢。眾所周知，VOCs是二次顆粒物和臭氧的共同前體物。儘管我國已經推出了一系列大氣汙染控制方案，但是VOCs的控制仍然大大落後於全國大氣環境保護的要求。有研究顯示，VOCs是「大氣十條」實施後排放仍在增長的唯一汙染物。劉院士認為，目前我國城市大氣汙染仍然較為嚴重，區域性汙染問題突出，秋冬季重汙染天氣多發頻發，給環境保護工作帶來了挑戰。

隨後，劉院士重點介紹了當前環境監測技術的研究與應用進展。他首先分別根據專業化程度、測量範圍、技術達到的空間解析度以及技術原理，對環境監測技術進行了分類。比如，根據技術原理來看，環境監測技術可以分為氣相色譜分析(通用型、在線型)、光譜學分析(通用型、在線型、遙感型)、質譜分析(通用型)以及其他監測技術(化學發光、電化學、高性能液相色譜、離子色譜)等等。劉院士以測量時間、靈敏性/選擇性/精確性為兩大維度，對質譜技術、氣相色譜和離子色譜技術、化學&電化學技術、DOAS&FTIR技術、幾種環境監測技術性能進行了比較。此外，他還特別介紹了光學發展與諾貝爾物理獎之間的淵源，尤其是近幾年來以光學成就獲獎的幾位科學家。

談及目前所在單位研發的技術成果，劉院士列舉了主/被動差分光學吸收光譜學(DOAS)、主/被動傅立葉變換紅外光譜學(FTIR)、半導體雷射光譜學(TDLAS)、環境監測雷射雷達(LIDAR、Raman)、光與雷射散射和吸收(LiSA)、雷射誘導螢光光譜學(LIFS)、雷射擊穿光譜學(LIBS)等一系列大氣環境汙染現場監測技術，以及在線現場監測、地基平臺監測、機載平臺監測、球載平臺監測、星載平臺監測等應用領域。

不過就目前而言，大氣氧化性測量相關儀器還存在一些科學問題。劉院士談到，自由基對大氣氧化性的貢獻在90%以上。由於自由基化學活性高、壽命短，而且時空變化劇烈，濃度極低，因此自由基的準確場測量是大氣化學領域最富挑戰性的研究工作之一。他隨後列舉了目前的三大OH自由基探測技術——FAGE(氣體擴張雷射誘導螢光)、DOAS(雷射差分吸收光譜)和CIMS(化學電離質譜)，並分別介紹了三者在探測限分子、時間、精度和性能上的差異。

關於OH氣體擴張雷射誘導螢光，他詳細介紹了技術原理和一些關鍵技術，包括高效低損耗採樣(超音速射流設計)、雷射波長穩頻技術(參考池)、高效螢光收集技術、PMT門控螢光探測以及定標技術。談及OH自由基標定、系統性能，劉院士提出採用同時光解水汽、氧氣來產生OH自由基進行標定，並介紹了FAGE-HOx系統外場測試方面的研究。

報告會現場

劉院士提出，傅立葉紅外幹涉儀有著廣泛的實際應用價值，可以彌補目前例行業務監測手段、內容和範圍的不足。目前的實際應用已經包括危險化學品洩露遙測系統、可攜式VOCs多組份分析儀、汙染源排放車載遙測、固定源VOCs在線分析儀、開放光路VOCs現場監測等等。

就具體的應用案例而言，劉院士介紹了園區全方位、網格化在線監測;甘肅慶陽石化園區對VOC排放實施的預警性監測;採取天地空一體化大氣環境綜合觀測技術，針對大氣重汙染成因與治理進行攻關;掌握汙染狀況和變化規律;在高分五號衛星方面的應用等等。

最後，劉院長談到了環境監測中光譜學技術的發展思路。他從環境技術的國家需求出發，點明了未來的幾大重點發展方向：

影響國家環境安全，涉及重大國際環境問題與履約等環境戰略，國家急需用監測數據來說明問題但還沒有手段的大氣環境監測技術和儀器設備研發;影響生態環境改善，危害人體健康，進而影響國家可持續發展戰略實施的環境問題中涉及的環境監測技術和系統研發;基於地基(點源、面源、移動源、無組織源)、機載、球載和星載平臺的新型環境監測技術與系統研發。此外，還有推進網際網路+智慧環保以及研發小型化輕量化傳感器等發展趨勢。

編輯：趙凡