合肥研究院全面解析環境監測領域中光譜學的技術進展
2020-12-03 中國科學院近日，中國科學院合肥物質科學研究院安徽光學精密機械研究所劉文清團隊在《光學學報》上發表創刊四十周年特邀綜述，全面解析環境監測領域中光譜學的技術進展。
半個多世紀以來，隨著人類對於光本質認識的提髙和深化，光學技術的巨大進步，特別是雷射器的發明和雷射技術的應用，光與物質相互作用的認識有了根本性的提髙和發展。與此同時，人們對環境汙染問題的認識也不斷提升，開始採用現代的技術手段特別是光學技術研究一些環境物理化學現象和過程，逐漸發展了現代的環境光譜學。
環境光譜學不僅是經典光學的創新發展，也是環境科學的新發展。環境光譜學監測是環境光學的重要組成部分，它利用光學中的吸收、發射、散射以及大氣輻射傳輸等方法，通過建立特徵因子指紋光譜資料庫和定量解析算法，獲取痕量氣體的特性，可用於空氣品質、固定和流動汙染源自動監測，具有實時、動態、快速、非接觸遙測、遙測、監測範圍廣、成本低等優勢，是當今國際環境監測的發展方向和主導技術。
利用光學中的吸收光譜、發射光譜、光的散射以及大氣輻射傳輸等方法，劉文清團隊提出開展光學與環境交叉科學的創新研究，目前已形成了以差分光學吸收光譜（DOAS）技術、傅立葉變換紅外光譜（FTIR）技術、非分光紅外（NDIR）技術、可調諧半導體雷射吸收光譜（TDLAS）技術、雷射雷達（LIDAR）技術、螢光光譜技術、雷射誘導擊穿光譜（LIBS）技術、光腔衰蕩光譜技術（Cavity Ring-Down Spectroscopy，CRDS）、光散射測量技術、光聲光譜技術等為主體的環境光學監測技術體系，實現了對環境痕量成分/多要素的現場快速探測與多維度多平臺監測，已成功應用於大氣、水源及土壤等的監測。
在常規氣體監測方面，主要利用各種光學技術路線：如針對SO2、NO2、O3及THC、CH4、NMHC、BTX等汙染物，DOAS技術利用氣體分子的吸收特性來鑑別成分，並根據窄帶吸收強度反演出微量氣體的濃度；針對溫室氣體CO2，CRDS利用相對較窄的吸收窗口，避免其他組分幹擾，實現較高精度檢測；針對CO，利用TDLAS的波長調諧特性，用單一窄帶的雷射頻率掃描氣體分子的一條或者幾條氣體特徵吸收線，實現CO的定性或定量分析；在大氣氧化性監測方面，可利用氣體擴張雷射誘導螢光技術獲取大氣中最重要的氧化劑——HOx（OH、HO2）自由基，308納米雷射將OH自由基激發至電子激發態，探測激發態OH自由基發出的螢光來確定大氣中OH自由基的濃度；如要測量HO2自由基，則需向轉換裝置中通入一定濃度的NO將HO2自由基轉化為OH自由基，再測OH自由基；在顆粒物監測方面，顆粒物在大氣中的垂直分布不均，且高空的垂直遷移會影響近地面的汙染濃度。雷射雷達系統利用氣溶膠的後向米散射回波信號來探測氣溶膠光學特性如後向散射係數/消光係數的時空分布，可實現對顆粒物的垂直分布探測；在地表水質監測方面，利用水體中多數有機汙染物屬於含螢光團的大分子有機物，在適當波長的激發光作用下發射特徵螢光光譜的原理，利用雷射誘導螢光技術實現對大面積水域的有機物汙染狀況的遙測；在土壤重金屬監測方面，可以利用LIBS技術，分析土壤樣品的表面等離子體輻射譜線，實現土壤有機汙染物的現場快速監測。
在實際運用中，通常將環境光譜和遙感技術結合應用，通過對系統性、區域性和複合性汙染研究和多元信息融合，可以實現在線監測環境複合汙染物、三維立體和流動在線監測，為構建天空地一體化環境複合汙染物觀測、研究、示範平臺奠定技術基礎。
隨著光學、電子、信息、生物等相關領域的技術進步，環境光譜技術正向高精度高靈敏、多組分多平臺、智能化網絡化的趨勢發展。
在大氣複合汙染形成過程監測中的大氣氧化性現場監測、納米級顆粒物在線測量、超低排放汙染源監測，以及水土重金屬在線檢測等方面還存在檢測限低、時間解析度不高等問題，因此需進一步提高檢測精度和靈敏度，使光學監測技術應用於光化學反應機理研究、工業過程控制、生產安全監控；工業迅速發展使得監測的汙染物種類快速增加、組分更加複雜，亟需發展大氣自由基、全組分有機物、重金屬、生物氣溶膠、二次有機氣溶膠示蹤物，水體細菌、浮遊植物以及土壤中殘留農藥和其它有機汙染物的檢測等；發展多平臺、智能化、網絡化，且具有特異選擇性的環境監測儀器，實時獲取環境多要素監測數據，通過對海量數據的深度挖掘、模型分析，利用大數據分析區域、流域汙染源與環境質量的相應關係，構建智能管理決策平臺，使環境管理向精細化、精準化轉變，實現主動預見、大數據科學決策成為發展的新趨勢。
封面文章| 創刊四十周年特邀綜述（劉文清，陳臻懿，劉建國，謝品華，張天舒，趙南京，司福祺，胡仁志，殷高方.環境監測領域中光譜學技術進展[J]. 光學學報,2020,40(5):0500001）
紫外和可見波段部分痕量氣體吸收光譜
多平臺、多維度、多參數融合的環境綜合分析平臺
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