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儀表網 儀表研發(fā)】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(fā)表創(chuàng)刊四十周年特邀綜述，全面解析環(huán)境監(jiān)測領域中光譜學的技術進展。
半個多世紀以來，隨著人類對于光本質認識的提髙和深化，光學技術的巨大進步，特別是激光器的發(fā)明和激光技術的應用，光與物質相互作用的認識有了根本性的提髙和發(fā)展。與此同時，人們對環(huán)境污染問題的認識也不斷提升，開始采用現(xiàn)代的技術手段特別是光學技術研究一些環(huán)境物理化學現(xiàn)象和過程，逐漸發(fā)展了現(xiàn)代的環(huán)境光譜學。
環(huán)境光譜學不僅是經典光學的創(chuàng)新發(fā)展，也是環(huán)境科學的新發(fā)展。環(huán)境光譜學監(jiān)測是環(huán)境光學的重要組成部分，它利用光學中的吸收、發(fā)射、散射以及大氣輻射傳輸等方法，通過建立特征因子指紋光譜數據庫和定量解析算法，獲取痕量氣體的特性，可用于空氣質量、固定和流動污染源自動監(jiān)測，具有實時、動態(tài)、快速、非接觸遙測、遙測、監(jiān)測范圍廣、成本低等優(yōu)勢，是當今環(huán)境監(jiān)測的發(fā)展方向和主導技術。
利用光學中的吸收光譜、發(fā)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(huán)境交叉科學的創(chuàng)新研究，目前已形成了以差分光學吸收光譜(DOAS)技術、傅里葉變換紅外光譜(FTIR)技術、非分光紅外(NDIR)技術、可調諧半導體激光吸收光譜(TDLAS)技術、
激光雷達(LIDAR)技術、熒光光譜技術、激光誘導擊穿光譜(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(huán)境光學監(jiān)測技術體系，實現(xiàn)了對環(huán)境痕量成分/多要素的現(xiàn)場快速探測與多維度多平臺監(jiān)測，已成功應用于大氣、水源及土壤等的監(jiān)測。
在常規(guī)氣體監(jiān)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等污染物，DOAS技術利用氣體分子的吸收特性來鑒別成分，并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，避免其他組分干擾，實現(xiàn)較高精度檢測；針對CO，利用TDLAS的波長調諧特性，用單一窄帶的激光頻率掃描氣體分子的一條或者幾條氣體特征吸收線，實現(xiàn)CO的定性或定量分析；
在大氣氧化性監(jiān)測方面，可利用氣體擴張激光誘導熒光技術獲取大氣中重要的氧化劑——HOx(OH、HO2)自由基，308納米激光將OH自由基激發(fā)至電子激發(fā)態(tài)，探測激發(fā)態(tài)OH自由基發(fā)出的熒光來確定大氣中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(jiān)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污染濃度。
激光雷達系統(tǒng)利用
氣溶膠的后向米散射回波信號來探測氣溶膠光學特性如后向散射系數/消光系數的時空分布，可實現(xiàn)對顆粒物的垂直分布探測；在地表水質監(jiān)測方面，利用水體中多數有機污染物屬于含熒光團的大分子有機物，在適當波長的激發(fā)光作用下發(fā)射特征熒光光譜的原理，利用激光誘導熒光技術實現(xiàn)對大面積水域的有機物污染狀況的遙測；在土壤重金屬監(jiān)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(xiàn)土壤有機污染物的現(xiàn)場快速監(jiān)測。
在實際運用中，通常將環(huán)境光譜和遙感技術結合應用，通過對系統(tǒng)性、區(qū)域性和復合性污染研究和多元信息融合，可以實現(xiàn)在線監(jiān)測環(huán)境復合污染物、三維立體和流動在線監(jiān)測，為構建天空地一體化環(huán)境復合污染物觀測、研究、示范平臺奠定技術基礎。
隨著光學、電子、信息、生物等相關領域的技術進步，環(huán)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(fā)展。
在大氣復合污染形成過程監(jiān)測中的大氣氧化性現(xiàn)場監(jiān)測、納米級顆粒物在線測量、超低排放污染源監(jiān)測，以及水土重金屬在線檢測等方面還存在檢測限低、時間分辨率不高等問題，因此需進一步提高檢測精度和靈敏度，使光學監(jiān)測技術應用于光化學反應機理研究、工業(yè)過程控制、生產安全監(jiān)控；工業(yè)迅速發(fā)展使得監(jiān)測的污染物種類快速增加、組分更加復雜，亟需發(fā)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、浮游植物以及土壤中殘留農藥和其它有機污染物的檢測等；發(fā)展多平臺、智能化、網絡化，且具有特異選擇性的環(huán)境監(jiān)測儀器，實時獲取環(huán)境多要素監(jiān)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(qū)域、流域污染源與環(huán)境質量的相應關系，構建智能管理決策平臺，使環(huán)境管理向精細化、精準化轉變，實現(xiàn)主動預見、大數據科學決策成為發(fā)展的新趨勢。
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