光學(xué)分析方法在水質(zhì)檢測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用
隨著時(shí)代而發(fā)展的光纖通訊和光電子信息技術(shù)被應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測(cè)中，成為了檢測(cè)空氣污染物質(zhì)的最合適光源，下面是小編搜集整理的一篇相關(guān)論文范文，歡迎閱讀參考。
隨著現(xiàn)代科技的不斷更新與物質(zhì)生活的高度發(fā)達(dá)，環(huán)境污染物的排放量日益增多，人們?cè)谙硎苤S富物質(zhì)生活的同時(shí)，也受到了環(huán)境污染帶來的沖擊，例如酸雨的侵害，霧霾天氣的影響，全球變暖導(dǎo)致的海平面上升等問題。傳統(tǒng)的檢測(cè)方法(如化學(xué)法)，由于用時(shí)長(zhǎng)、花費(fèi)高、操作復(fù)雜，需要各個(gè)部1物，越來越受到抵制。而光學(xué)測(cè)量方法在環(huán)境檢測(cè)方面，更能有效地避免這些弊端的產(chǎn)生。
在環(huán)境中，對(duì)于水質(zhì)，有關(guān)部門主要通過對(duì)水質(zhì)采樣、化驗(yàn)、分析的方法實(shí)現(xiàn)對(duì)水質(zhì)的監(jiān)控。對(duì)于水體富營(yíng)養(yǎng)化的這種情況，有關(guān)部門通過光學(xué)顯微鏡直接對(duì)水體進(jìn)行觀查即可。而對(duì)于重金屬污染過的水源，往往光學(xué)顯微鏡很難直接觀測(cè)出來，還要通過物理或化學(xué)的方法使重金屬沉積，沉淀或“染色”,才有可能觀察到。但是這種方法用時(shí)長(zhǎng)，不利于及時(shí)了解水污染的情況，而且在使重金屬沉淀的方法中，有可能又會(huì)產(chǎn)生新的污染物，樣品處理又帶來了困難。由于光學(xué)顯微鏡很難實(shí)現(xiàn)對(duì)空氣的檢測(cè)，所以在環(huán)境監(jiān)測(cè)中用處并不大。這時(shí)人們聯(lián)想到，也可以通過光的其他特性來實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境的實(shí)時(shí)的監(jiān)控。而光電檢測(cè)技術(shù)(如外光譜法，激光光譜法等)，人們可以直接檢測(cè)環(huán)境中的污染物，無需費(fèi)時(shí)費(fèi)力，既能實(shí)時(shí)地反映出污染物的量和濃度，又不會(huì)產(chǎn)生附加污染物，且在環(huán)境監(jiān)測(cè)中實(shí)用性很強(qiáng)。
光電檢測(cè)技術(shù)利用光的光譜特性，可以在受污染的水中使用，也可以在工廠的排氣煙囪中使用，甚至可以專一地檢測(cè)某種氣體，例如，甲烷氣體，二氧化碳?xì)怏w，含硫化合物氣體等[1].
1 光學(xué)顯微鏡檢測(cè)方法在環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用
在現(xiàn)實(shí)生活中，我們最易受到水污染帶來的侵害，水體富營(yíng)養(yǎng)化一直是我們關(guān)注的重大問題，而光學(xué)顯微鏡在這方面的檢測(cè)應(yīng)用極其廣泛。環(huán)境保護(hù)部門在水污染地需要將水質(zhì)進(jìn)行抽樣、化驗(yàn)、分析、觀察，這時(shí)就要用到光學(xué)顯微鏡[2].
1.1 細(xì)菌、霉菌檢測(cè)
水體細(xì)菌含量是人們辨別水質(zhì)是否利于飲用的重要標(biāo)準(zhǔn)，如人們會(huì)對(duì)水中的大腸桿菌群檢測(cè)做一個(gè)革蘭氏染色鏡檢。
1.2 生物群落檢測(cè)
浮游植物是水域的初級(jí)生產(chǎn)者，繁殖速度很快。水體富營(yíng)養(yǎng)化會(huì)促進(jìn)其繁殖能力，從而影響水質(zhì)的飲用安全。對(duì)浮游植物的檢測(cè)，離不開光學(xué)顯微鏡。光學(xué)顯微鏡直接對(duì)水質(zhì)進(jìn)行觀察監(jiān)測(cè)，每過一段時(shí)間，鏡檢跟蹤浮游植物的群落狀況，以判斷水體是否富營(yíng)養(yǎng)化。
1.3 特殊物質(zhì)檢測(cè)
石棉纖維被動(dòng)物體吸入肺部后，容易沉著在肺泡內(nèi)，影響動(dòng)物體的呼吸，對(duì)動(dòng)物體的健康影響很大。在用光學(xué)顯微鏡檢測(cè)時(shí)，必須用高倍鏡才能觀察到石棉纖維，因此，對(duì)光學(xué)顯微鏡的分辨率要求比較高。為確定肝癌細(xì)胞的使用量，需要用光學(xué)顯微鏡鏡檢肝癌細(xì)胞的復(fù)蘇狀況。
二惡英(Dioxin)，是某些有害物燃燒后產(chǎn)生的脂溶性物質(zhì)，不能被生物分解，具有很強(qiáng)的危害性。
利用離體肝癌細(xì)胞的 EROD 與二惡英的復(fù)合毒性效應(yīng)是生物學(xué)中的一種檢測(cè)方法。環(huán)境監(jiān)測(cè)部門也利用這種方法對(duì)環(huán)境中的石棉塵(石棉纖維)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。
在受污染的水體中，培養(yǎng)魚(一般選擇生長(zhǎng)速度快的青魚)的受精卵，在魚卵孵化過程中，使用光學(xué)顯微鏡監(jiān)測(cè)受精卵的孵出率，并觀察胚胎發(fā)育過程中畸形胎所占比重。
1.4 環(huán)境毒性測(cè)試
根據(jù)所知的生物學(xué)，單細(xì)胞藻類有很強(qiáng)的繁殖能力。可以在水體中培養(yǎng)藻類，用光學(xué)顯微鏡觀察，監(jiān)測(cè)藻類世代的生長(zhǎng)情況和藻類種群的變化情況，判斷水體中是否存在急性的毒性物質(zhì)[3].
2 光學(xué)分析方法在水質(zhì)檢測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用
物質(zhì)在吸收光波后，會(huì)在某一波段有一個(gè)吸收峰，通過分析這個(gè)波段，就可以得出該物質(zhì)的光譜特性，光學(xué)分析方法就是在此研究基礎(chǔ)上找到的一種測(cè)量方法[4].反應(yīng)靈敏度高，檢測(cè)速度快的優(yōu)點(diǎn)是人們?cè)诓捎眠@種光學(xué)測(cè)量方法時(shí)首要的考慮因素。
某些光學(xué)分析方法，人們往往既不需要像傳統(tǒng)檢測(cè)方法一樣去使用試劑，又不需要花費(fèi)太多的精力去維護(hù)相關(guān)的儀器設(shè)備。近幾十年來，光學(xué)分析方法隨著科技的腳步，在水質(zhì)檢測(cè)方面也跨上了一個(gè)新的臺(tái)階[5].
2.1 比色分析法
比色分析法是指利用物質(zhì)與物質(zhì)之間的化學(xué)反應(yīng)，獲得深顏色的溶液后，通過比較前后溶液的顏色深淺度來測(cè)量所含物質(zhì)濃度的方法[6].比色分析法主要用于水質(zhì)中，有色重金屬離子的濃度檢測(cè)。但是，有些重金屬離子卻是無色的，例如一價(jià)銅離子溶液，這時(shí)可以根據(jù)其易被氧化的化學(xué)特性，將一價(jià)銅離子溶液氧化成藍(lán)色的二價(jià)銅離子溶液。
比色分析法可分為目視比色分析法和光電比色分析法，兩種方法的測(cè)量原理均為朗伯-比爾(Lambert-Beer)定律。但是，目視比色分析法中，人的主觀判斷會(huì)影響未知量的測(cè)量，因此目視比色分析法準(zhǔn)確度不高。而采用分光光度法的光電比色分析法，彌補(bǔ)了主觀判斷造成的失誤，未知量的準(zhǔn)確度和靈敏度得到了提高。
通過了解，可以看出，使用比色分析法時(shí)，必須建立在顯色反應(yīng)的基礎(chǔ)上，因此對(duì)溶液離子的`化學(xué)性質(zhì)要求比較高。人們可以采取目測(cè)的手段，也可以采用與離子反射或吸收波長(zhǎng)相對(duì)應(yīng)的單色光源進(jìn)行檢測(cè)，還可以使用與高速計(jì)算機(jī)聯(lián)接的攝像頭進(jìn)行圖像綜合對(duì)比分析。 利用顯色劑的不同反應(yīng)，比色分析法可被廣泛地應(yīng)用在水質(zhì)監(jiān)測(cè)方面以及測(cè)定受污染水質(zhì)中的各類污染物濃度。
2.2 紫外光譜分析法
紫外光具有波長(zhǎng)短，能量大，透過力強(qiáng)的特點(diǎn)，利用這一特點(diǎn)，人們可以通過紫外光譜區(qū)進(jìn)行檢測(cè)。有機(jī)分子在紫外光譜區(qū)的吸收較強(qiáng)(其實(shí)就是高能量脈沖殺死了有機(jī)活性物質(zhì))，因此適用于檢測(cè)水體有機(jī)污染物。紫外光譜分析法，分為單波長(zhǎng)法，經(jīng)過多年探索研究后，發(fā)展為雙波長(zhǎng)法，循序漸進(jìn)到如今比較全面的全光譜法。對(duì)單波長(zhǎng)法進(jìn)行改進(jìn)的雙波長(zhǎng)法，在測(cè)量時(shí)，無需參比溶液即可消除混濁度的影響。全光譜法是在光譜分析儀的基礎(chǔ)上研究出的一種對(duì)待測(cè)溶液比較全面的檢測(cè)方法，包含了吸光度在全紫外光譜區(qū)所有有機(jī)污染物。
2.3 間接測(cè)定法
水質(zhì)中，對(duì)重金屬離子的濃度還有一種間接檢測(cè)方法-熒光分析法[7].顧名思義，熒光分析法就是獲取重金屬離子的熒光圖像，再通過計(jì)算機(jī)編程處理，由此間接地測(cè)量出重金屬離子的濃度。在這一過程中，需要用到與重金屬離子相匹配的試劑。
2.4 直接測(cè)定法
直接測(cè)定法省去了間接測(cè)定法中匹配試劑的過程，檢測(cè)速度有所提高，但是卻要滿足物質(zhì)本身就發(fā)射熒光(如葉綠素、水中有機(jī)物等)這一苛刻條件。不管是間接測(cè)定法還是直接測(cè)定法，都無法忽略光源的重要作用。尤其是在直接測(cè)定中，要求光源的發(fā)射光波長(zhǎng)與物質(zhì)的吸收光波長(zhǎng)一致。激光光源由于其得天獨(dú)厚的優(yōu)點(diǎn)(單色性好、能量集中)，受到了研究人員的高度關(guān)注，激光誘導(dǎo)熒光技術(shù)就是采用激光作為光源的熒光檢測(cè)技術(shù)。目前，激光光源在直接測(cè)定法中幾乎已經(jīng)取代了傳統(tǒng)光源的檢測(cè)地位。
3 光電檢測(cè)技術(shù)在環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用
雖然光學(xué)顯微鏡在水體污染的監(jiān)測(cè)中可謂嶄露頭角，但在空氣污染物的監(jiān)測(cè)中卻顯得捉襟見肘�？諝馕廴疚锿ǔＶ敢詺鈶B(tài)形式進(jìn)入大氣層來物質(zhì)(主要是人為污染，例如含硫化合物，二氧化碳?xì)怏w等等)，其對(duì)人體或生態(tài)系統(tǒng)具有很不好的效應(yīng)，例如酸雨，霧霾等等。隨著光學(xué)的發(fā)展，光電檢測(cè)技術(shù)逐步應(yīng)用到現(xiàn)實(shí)生活中，尤其在環(huán)境監(jiān)測(cè)中，以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)獲得了人們的青睞。
3.1 光電檢測(cè)技術(shù)的原理
光電檢測(cè)是指利用各類光電傳感器，將被測(cè)量的物理信息轉(zhuǎn)換成光信息，再通過 A/D 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，再綜合利用信息傳輸技術(shù)和計(jì)算機(jī)編程處理技術(shù)，完成信息獲取。當(dāng)光照射到物體表面時(shí)，使物體發(fā)射電子、或電導(dǎo)率發(fā)生變化、或產(chǎn)生光電動(dòng)勢(shì)等。這種因光照而引起物體特性發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為光電效應(yīng)光電檢測(cè)系統(tǒng)以激光、紅外、光纖等現(xiàn)代光電器件為基礎(chǔ)，對(duì)載有待測(cè)物體信號(hào)的光信息進(jìn)行處理，即通過光電檢測(cè)器件接收光信息并轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。由輸入電路、放大濾波等電路提取待測(cè)物的信息，再經(jīng)過 A/D 轉(zhuǎn)換器輸入計(jì)算機(jī)運(yùn)算和處理，最后提取出待測(cè)物體的幾何量或物理量等所需信息(如圖 1 的光電檢測(cè)系統(tǒng))。
3.2 光電檢測(cè)系統(tǒng)在環(huán)境檢測(cè)中的應(yīng)用
光與物質(zhì)的相互作用，改變了物質(zhì)的某些物理特性。利用這種特性，制作的光電檢測(cè)系統(tǒng)可以分為兩大類：使用能覆蓋寬光譜區(qū)的寬帶光源的監(jiān)測(cè)系統(tǒng);使用激光或窄光譜光源，因而只能覆蓋窄光譜區(qū)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[8-9].在寬帶監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，傅里葉變換紅外干涉儀(FTIR)或紫外差分光學(xué)吸收光譜儀(Uv-DOAs,又名 DOAs 系統(tǒng))測(cè)系統(tǒng)可同時(shí)監(jiān)測(cè)未知混合物中的多種化合物。通常這些化合物是包含在寬譜帶內(nèi)的，寬帶監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能“觀察到多種化合物的存在，但分辨率不高，不能將這些化合物從復(fù)雜混合物中直接區(qū)分開來”.但是，當(dāng)寬帶監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的分辨率低于欲觀察的光譜線中的精細(xì)結(jié)構(gòu)時(shí)，就不能觀察到真正的吸收峰，且會(huì)限制對(duì)氣體濃度值的檢測(cè)。
激光監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由于分辨率高，掃描光譜范圍窄，所以檢測(cè)靈敏度相當(dāng)高，但是激光監(jiān)測(cè)系統(tǒng)發(fā)出的波長(zhǎng)必須與被檢測(cè)化合物吸收譜線的光波長(zhǎng)相匹配。由于激光監(jiān)測(cè)系統(tǒng)發(fā)出的激光波長(zhǎng)是單色的，掃描波段被限制在極窄的范圍內(nèi)，一般情況下只能對(duì)應(yīng)的檢測(cè)出一種化合物。 若檢測(cè)的是混合物，則需要另加對(duì)應(yīng)的監(jiān)測(cè)裝置。在目前的環(huán)境監(jiān)測(cè)中，寬帶監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和激光監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，這兩種類型的監(jiān)測(cè)裝置都有其應(yīng)用。例如，F(xiàn)TIR 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，它可提供對(duì)企業(yè)事故中泄漏出的某些有害化合物進(jìn)行檢測(cè)。這時(shí)對(duì)所有的可能的有害化合物來說，檢測(cè)靈敏度就不如檢測(cè)范圍重要。但如果要連續(xù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)從污染源(如煙囪向大氣層中排放污染物，汽車尾氣排放的污染氣體時(shí))釋放出的有害氣體，則監(jiān)測(cè)裝置抗其他化合物干擾的能力和高檢測(cè)靈敏度就是重要因素了，這時(shí)，激光監(jiān)測(cè)系統(tǒng)就成為了理想的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。 激光雷達(dá)像其它激光監(jiān)測(cè)系統(tǒng)一樣，能檢測(cè)的樣品不多，但它具有空間分辨力，是迄今為止，唯一能提供空間信息技術(shù)的檢測(cè)系統(tǒng)，因此，探索污染物的發(fā)源地，激光雷達(dá)系統(tǒng)是最好的檢測(cè)系統(tǒng)。 諸如高空大氣層中臭氧的消耗情況，可以使用激光雷達(dá)系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬繪圖。使用激光雷達(dá)系統(tǒng)提供大氣層中空氣分子成分分布的垂直剖面圖，可以對(duì)大氣傳輸和擴(kuò)散過程有更透徹的了解。
DOAS 系統(tǒng)可以測(cè)量多種化合物，如含氮化合物、甲醛、酚、苯、甲苯、二甲苯[10].它的工作原理是根據(jù)光的反射定律，光源發(fā)射的光波經(jīng)過某些物質(zhì)后，經(jīng)吸收的光波與光源光波一起被反射鏡反射回來，利用計(jì)算機(jī)高速運(yùn)算的能力分析光波的差異性，故而稱作差分光學(xué)吸收光譜技術(shù)。調(diào)取吸收光譜數(shù)據(jù)庫(kù)中已知數(shù)據(jù)，與吸收光譜數(shù)據(jù)相比較，從而分析物質(zhì)中存在的化合物種類。
LASAIR 系統(tǒng)是激光技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合的高新技術(shù)[11-12],利用激光的單色性和計(jì)算機(jī)的高速運(yùn)算能力，提高了檢測(cè)效率�？烧{(diào)二極管激光吸收光譜分析儀發(fā)射出的激光光波長(zhǎng)，足以滿足吸收峰在中紅外區(qū)(3-20um 的范圍內(nèi))的物質(zhì)檢測(cè)，適合大多數(shù)的工業(yè)環(huán)境監(jiān)測(cè)。可調(diào)二極管激光吸收光譜儀，已在全球范圍內(nèi)有毒有害氣體的檢測(cè)上發(fā)揮了重要作用。LASAIR 能測(cè)量的氣體分子包括NOx、HF、HCI、HI、NH3、C2H2、COx、H2S、CH4.但是，由于每種氣體對(duì)光波的吸收峰值不盡相同，必須要使用發(fā)射對(duì)應(yīng)吸收峰值波長(zhǎng)的激光光源。
4 結(jié)束語(yǔ)
隨著時(shí)代而發(fā)展的光纖通訊和光電子信息技術(shù)被應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測(cè)中，尤其是具有體積小、壽命長(zhǎng)和光電轉(zhuǎn)換效率高的近紅外二極管激光器[13-14],目前已經(jīng)迅速商品化，成為了檢測(cè)空氣污染物質(zhì)的最合適光源。而調(diào)諧二極管激光吸收技術(shù)利用分子的吸收光譜單一分立吸收線這一原理，可以采樣到被檢測(cè)氣體的每種光學(xué)信息。當(dāng)激光通過被檢測(cè)氣體時(shí)，光電磁波會(huì)被吸收和散射而衰減。利用被測(cè)量物質(zhì)分子的吸收能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于物質(zhì)分子對(duì)光的散射能力，我們可以忽略掉物質(zhì)分子散射的這一衰弱影響。經(jīng)過近 30 年的發(fā)展，調(diào)諧二極管激光吸收技術(shù)日益成熟，被廣泛的應(yīng)用在空氣污染物質(zhì)的檢測(cè)和監(jiān)測(cè)中。隨著光譜學(xué)分析技術(shù)和激光技術(shù)的完美結(jié)合，特別是在近些年來，制作半導(dǎo)體材料和器件的工藝長(zhǎng)足進(jìn)步的情形下，激光光譜學(xué)分析技術(shù)在環(huán)境監(jiān)測(cè)方面的應(yīng)用越來越成熟。
紅外半導(dǎo)體激光器可以在常溫下工作，取代了傳統(tǒng)光源的地位[15].研究結(jié)果表明，紅外半導(dǎo)體激光器的發(fā)射波長(zhǎng)與很多環(huán)境污染氣體的吸收波長(zhǎng)相同。由于紅外半導(dǎo)體激光器具有譜線窄、單頻、功率大、工作可靠的優(yōu)點(diǎn)，也為制作高質(zhì)量，高水準(zhǔn)的氣體檢測(cè)儀打下了堅(jiān)實(shí)重要的基礎(chǔ)。根據(jù)其對(duì)環(huán)境的抗干擾能力強(qiáng)，經(jīng)常不需要標(biāo)定，可直接安裝在管道上檢測(cè)等實(shí)用性的特點(diǎn)，被大量使用在工業(yè)生產(chǎn)過程中檢測(cè)污染氣體方面。
從光學(xué)顯微鏡早期在環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用(主要在水質(zhì)檢測(cè)方面)，到后來應(yīng)用光學(xué)分析方法監(jiān)測(cè)環(huán)境，直到現(xiàn)在人們又通過光的其他特性發(fā)明了各式各樣的監(jiān)測(cè)儀器，如：激光監(jiān)測(cè)儀(DOAS 系統(tǒng))，傅里葉變換紅外干涉儀(FTIR 監(jiān)測(cè)系統(tǒng))�？梢哉f，光學(xué)測(cè)量方法是隨著光學(xué)的發(fā)展而發(fā)展變化的。隨著量子力學(xué)的發(fā)展，人們對(duì)光的認(rèn)識(shí)不僅僅只是停留在了光譜層面上，而且也通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了人們對(duì)光的本質(zhì)的假設(shè)。人們相信，現(xiàn)在我們所知的光學(xué)只是其冰山一角，光學(xué)測(cè)量方法也會(huì)隨著光學(xué)的發(fā)展而日新月異。
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