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本网编辑 0 2021-01-12

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在众多环保监测产品中，微型光纤光谱仪和光谱检测手段以其快速、无损和无需过于复杂的样品制备等特点得到了越来越多的关注。本文介绍了微型光纤光谱仪在大气、烟气和水质监测三个方面的应用。

图1. 差分光学吸收光谱系统图示。

工业现代化进程日益加快，人们的生活水平和生活质量要求不断提高，与此同时，环境日趋恶化，人类对环境保护的关注也在不断地提高。从1995年我国提出《环境保护十一五规划》以来，国家对水、大气、固体废物、生态安全、农村污染防治、海洋、核与辐射环境安全等重点领域的环保工作做出了全面安排，也由此带动了整个环保监测行业的新发展。在众多环保监测产品中，微型光纤光谱仪和光谱检测手段以其快速、无损和无须过于复杂的样品制备等特点得到了越来越多的关注。目前在烟气监测系统（CEMS）、大气监测系统（AQMS）和水质监测仪器中被广泛应用。本文将着重介绍微型光纤光谱仪在大气、烟气和水质监测三个方面的应用。

大气和烟气的监测

在气体监测系统中，目前绝大部分产品的测量原理都基于气体对特定光谱（紫外UV 200~400nm，可见光400~800nm和近红外NIR 800nm~5μm）的吸收特性进行测量和分析。例如检测HC、HCOH、CO、CO2、HCl、HF和H2O等气体成分时，可以采用近红外光谱；有些气体采用紫外差分光谱的方法测量更为适用，如O3、Cl2、BTX等；对于目前污染检测主要关注的 SO2、NOX、NH3等，两种方法都适合。

大气环境监测主要采用差分光学吸收光谱系统及多种激光雷达系统，即以连续宽光谱光源或激光作为探测光源，利用其在大气中传播时的选择性吸收及光散射现象实现对气体浓度的监测，如图1。

对于差分光学吸收光谱系统而言，相比采用红外光谱监测的方法，紫外差分吸收法的监测产品成本更低廉，因此紫外DOAS (Differential Optical Absorption Spectrometry)方法常被应用到大气监测产品当中。DOAS方法，是指用高压氙灯发出的强紫外-可见光作为光源，经过一段长距离传输后，由望远镜接收，通过光谱仪将光信号转成电信号，以获得经过大气吸收后的光谱。由于不同的气体在不同的波段对紫外光的吸收不同，根据Lambert-Beer定律：

其中， I0（l）是光源发出的起始光强，I（l）是经过吸收后的光强，s（l）是气体的吸收截面，L是经过的光程长，C是测量气体的浓度。再通过相应的算法，由计算机进行处理，就可以得出所检测气体的含量。具体可见公式2：

在这种大气监测系统中，通常采用的光谱仪配置有2048像素CCD的微型光谱仪，测定波长范围为200~500nm的光谱吸收特性。微型光谱仪集成了分光系统和探测器，可快速完成光谱采集，数据全部采集到计算机中，与存储的相关气体吸收特性进行比较，再由事先标定的数值进行线性化处理，从而测量出气体含量,量程范围可以从ppb级到百分比级。

图2. SO2的紫外吸收峰。

对于烟气监测而言，主要是针对SO2、HF、HCL、H2O、NH3、CO、CO2、NOX等有害气体的烟气监测，可针对具体烟气监测目标选用相应的光谱监测手段。例如，SO2和NO的紫外吸收峰分别如图2、图3所示。

针对以上气体就可以采用紫外DOAS法来进行吸光度的分析。采用具有一定波长范围宽度的紫外光经透镜折射聚焦进入烟道，穿透烟气再经烟道对面反射镜反射回来，最终经由光纤进入微型光谱仪（200~480nm光谱范围），得到吸光度检测值，并最终得到烟气检测数据。由于微型光谱仪快速全谱采集的优点，在几毫秒内就可得到所要采集的信息。微型光谱仪还可以应用于汽车尾气检测系统当中，海洋光学在汽车尾气检测车的OEM方面也有成功案例。

水质监测

水质监测当中，微型光谱仪在在线的叶绿素荧光监测和紫外-可见吸收光谱水质分析等方法的检测中得到日益广泛的应用。通过微型荧光光谱仪可针对叶绿素荧光进行检测，从而反映水体含氧量等，监测赤潮现象。紫外-可见吸收水质分析法是通过建立紫外-可见吸收光谱数据与水质参数之间的相关关系和数学模型，并在此基础上根据被测水样的紫外-可见吸收光谱数据分析结果而定量地得到相应的水质参数数值的一种方法。

图3. NO的紫外吸收峰。

水体中不同的水质参数和组分所对应的吸收光谱区间不同，例如硝酸盐、亚硝酸盐的吸收光谱区间在200~250nm，低分子化合物、芳香族化合物、蛋白质、有机溶剂等的光谱区间在250~290nm，浊度、总溶解固体区间为380nm，因此采用可探测波段范围在200~700nm之间的紫外-可见光谱仪进行吸光度检测来代替单波长吸光度检测，可清晰地反映出水体中多种物质的分布。传统检测器采用光电倍增管配合单波长扫描机制，体积大、测量时间长、不能适应瞬态过程分析。相对而言，微型光纤光谱仪则能瞬态采集全谱，可实现连续、实时的水质在线监测，更加适用于野外和在线测量。同时，采用微型光谱仪的辐照度测量功能，可在海洋浮标系统上，通过测量海水表面上行光谱辐照度和下行光谱辐照度来实现针对海水近表层弱光辐射的光谱分析。

小结

微型光纤光谱仪体积小巧、操作简单、使用方便、可实时原位测量，这些优点使其在在线环境监测领域得到了广泛应用，高端快速的环境监测系统正从检测向更加实时、瞬态的野外在线检测方向发展，相信我们赖以生存的环境会因我们人类的智慧而得到更为悉心的保护，期待新的技术革命能为我们创造更美好的未来。

内容来源：实验与分析

责任编辑：展源

审　　核：何发