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儀表網(wǎng) 儀表研發(fā)】近日，中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所劉文清團(tuán)隊(duì)在《光學(xué)學(xué)報(bào)》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(cè)領(lǐng)域中光譜學(xué)的技術(shù)進(jìn)展。
半個(gè)多世紀(jì)以來，隨著人類對(duì)于光本質(zhì)認(rèn)識(shí)的提髙和深化，光學(xué)技術(shù)的巨大進(jìn)步，特別是激光器的發(fā)明和激光技術(shù)的應(yīng)用，光與物質(zhì)相互作用的認(rèn)識(shí)有了根本性的提髙和發(fā)展。與此同時(shí)，人們對(duì)環(huán)境污染問題的認(rèn)識(shí)也不斷提升，開始采用現(xiàn)代的技術(shù)手段特別是光學(xué)技術(shù)研究一些環(huán)境物理化學(xué)現(xiàn)象和過程，逐漸發(fā)展了現(xiàn)代的環(huán)境光譜學(xué)。
環(huán)境光譜學(xué)不僅是經(jīng)典光學(xué)的創(chuàng)新發(fā)展，也是環(huán)境科學(xué)的新發(fā)展。環(huán)境光譜學(xué)監(jiān)測(cè)是環(huán)境光學(xué)的重要組成部分，它利用光學(xué)中的吸收、發(fā)射、散射以及大氣輻射傳輸?shù)确椒，通過建立特征因子指紋光譜數(shù)據(jù)庫(kù)和定量解析算法，獲取痕量氣體的特性，可用于空氣質(zhì)量、固定和流動(dòng)污染源自動(dòng)監(jiān)測(cè)，具有實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)、快速、非接觸遙測(cè)、遙測(cè)、監(jiān)測(cè)范圍廣、成本低等優(yōu)勢(shì)，是當(dāng)今環(huán)境監(jiān)測(cè)的發(fā)展方向和主導(dǎo)技術(shù)。
利用光學(xué)中的吸收光譜、發(fā)射光譜、光的散射以及大氣輻射傳輸?shù)确椒ǎ瑒⑽那鍒F(tuán)隊(duì)提出開展光學(xué)與環(huán)境交叉科學(xué)的創(chuàng)新研究，目前已形成了以差分光學(xué)吸收光譜(DOAS)技術(shù)、傅里葉變換紅外光譜(FTIR)技術(shù)、非分光紅外(NDIR)技術(shù)、可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜(TDLAS)技術(shù)、
激光雷達(dá)(LIDAR)技術(shù)、熒光光譜技術(shù)、激光誘導(dǎo)擊穿光譜(LIBS)技術(shù)、光腔衰蕩光譜技術(shù)(Cavity Ring-Down Spectroscopy，CRDS)、光散射測(cè)量技術(shù)、光聲光譜技術(shù)等為主體的環(huán)境光學(xué)監(jiān)測(cè)技術(shù)體系，實(shí)現(xiàn)了對(duì)環(huán)境痕量成分/多要素的現(xiàn)場(chǎng)快速探測(cè)與多維度多平臺(tái)監(jiān)測(cè)，已成功應(yīng)用于大氣、水源及土壤等的監(jiān)測(cè)。
在常規(guī)氣體監(jiān)測(cè)方面，主要利用各種光學(xué)技術(shù)路線：如針對(duì)SO2、NO2、O3及THC、CH4、NMHC、BTX等污染物，DOAS技術(shù)利用氣體分子的吸收特性來鑒別成分，并根據(jù)窄帶吸收強(qiáng)度反演出微量氣體的濃度；針對(duì)溫室氣體CO2，CRDS利用相對(duì)較窄的吸收窗口，避免其他組分干擾，實(shí)現(xiàn)較高精度檢測(cè)；針對(duì)CO，利用TDLAS的波長(zhǎng)調(diào)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(shí)現(xiàn)CO的定性或定量分析；
在大氣氧化性監(jiān)測(cè)方面，可利用氣體擴(kuò)張激光誘導(dǎo)熒光技術(shù)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(cè)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(cè)量HO2自由基，則需向轉(zhuǎn)換裝置中通入一定濃度的NO將HO2自由基轉(zhuǎn)化為OH自由基，再測(cè)OH自由基；在顆粒物監(jiān)測(cè)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(huì)影響近地面的污染濃度。
激光雷達(dá)系統(tǒng)利用
氣溶膠的后向米散射回波信號(hào)來探測(cè)氣溶膠光學(xué)特性如后向散射系數(shù)/消光系數(shù)的時(shí)空分布，可實(shí)現(xiàn)對(duì)顆粒物的垂直分布探測(cè)；在地表水質(zhì)監(jiān)測(cè)方面，利用水體中多數(shù)有機(jī)污染物屬于含熒光團(tuán)的大分子有機(jī)物，在適當(dāng)波長(zhǎng)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(dǎo)熒光技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)大面積水域的有機(jī)物污染狀況的遙測(cè)；在土壤重金屬監(jiān)測(cè)方面，可以利用LIBS技術(shù)，分析土壤樣品的表面等離子體輻射譜線，實(shí)現(xiàn)土壤有機(jī)污染物的現(xiàn)場(chǎng)快速監(jiān)測(cè)。
在實(shí)際運(yùn)用中，通常將環(huán)境光譜和遙感技術(shù)結(jié)合應(yīng)用，通過對(duì)系統(tǒng)性、區(qū)域性和復(fù)合性污染研究和多元信息融合，可以實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)環(huán)境復(fù)合污染物、三維立體和流動(dòng)在線監(jiān)測(cè)，為構(gòu)建天空地一體化環(huán)境復(fù)合污染物觀測(cè)、研究、示范平臺(tái)奠定技術(shù)基礎(chǔ)。
隨著光學(xué)、電子、信息、生物等相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步，環(huán)境光譜技術(shù)正向高精度高靈敏、多組分多平臺(tái)、智能化網(wǎng)絡(luò)化的趨勢(shì)發(fā)展。
在大氣復(fù)合污染形成過程監(jiān)測(cè)中的大氣氧化性現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)、納米級(jí)顆粒物在線測(cè)量、超低排放污染源監(jiān)測(cè)，以及水土重金屬在線檢測(cè)等方面還存在檢測(cè)限低、時(shí)間分辨率不高等問題，因此需進(jìn)一步提高檢測(cè)精度和靈敏度，使光學(xué)監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)用于光化學(xué)反應(yīng)機(jī)理研究、工業(yè)過程控制、生產(chǎn)安全監(jiān)控；工業(yè)迅速發(fā)展使得監(jiān)測(cè)的污染物種類快速增加、組分更加復(fù)雜，亟需發(fā)展大氣自由基、全組分有機(jī)物、重金屬、生物氣溶膠、二次有機(jī)氣溶膠示蹤物，水體細(xì)菌、浮游植物以及土壤中殘留農(nóng)藥和其它有機(jī)污染物的檢測(cè)等；發(fā)展多平臺(tái)、智能化、網(wǎng)絡(luò)化，且具有特異選擇性的環(huán)境監(jiān)測(cè)儀器，實(shí)時(shí)獲取環(huán)境多要素監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，通過對(duì)海量數(shù)據(jù)的深度挖掘、模型分析，利用大數(shù)據(jù)分析區(qū)域、流域污染源與環(huán)境質(zhì)量的相應(yīng)關(guān)系，構(gòu)建智能管理決策平臺(tái)，使環(huán)境管理向精細(xì)化、精準(zhǔn)化轉(zhuǎn)變，實(shí)現(xiàn)主動(dòng)預(yù)見、大數(shù)據(jù)科學(xué)決策成為發(fā)展的新趨勢(shì)。
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