現(xiàn)代光譜學(xué)在環(huán)境監(jiān)測(cè)中的作用

圖1.用于環(huán)境監(jiān)測(cè)的光譜學(xué)方法。

先進(jìn)的光學(xué)光譜學(xué)方法在應(yīng)對(duì)有效監(jiān)測(cè)環(huán)境污染的挑戰(zhàn)方面獲得了廣泛的應(yīng)用。

在過(guò)去的一個(gè)世紀(jì)里，世界人口大幅增長(zhǎng)，導(dǎo)致工業(yè)生產(chǎn)設(shè)施大量增加。向環(huán)境排放污染物氣體是大規(guī)模生產(chǎn)的負(fù)面副產(chǎn)品之一。

污染物對(duì)環(huán)境的影響

空氣和水中的微粒物質(zhì)，包括灰塵、污垢和花粉顆粒，以及有害氣體混合物，都是環(huán)境中的污染物。甲烷(CH4)、二氧化氮(NO2)、一氧化碳(CO)和二氧化碳(CO2)是危險(xiǎn)氣體的幾個(gè)例子。

燃燒活動(dòng)是有毒氣體的通常來(lái)源。1 燃燒過(guò)程的例子包括木材、石油、煤炭、木炭、天然氣和其他化石燃料的燃燒。

接觸過(guò)量的空氣污染可能會(huì)對(duì)健康造成不良影響，如肺癌、心臟病和呼吸道感染。

全球變暖與二氧化碳等溫室氣體的排放有關(guān)。二氧化碳會(huì)吸收太陽(yáng)和其他來(lái)源的紅外線(xiàn)輻射，然后再向各個(gè)方向發(fā)射。雖然其中一部分能量被輻射到太空中，但大部分能量又被聚焦到地球上，導(dǎo)致二氧化碳在地球上產(chǎn)生時(shí)熱量滯留增加。

用于環(huán)境監(jiān)測(cè)的光學(xué)光譜學(xué)

光學(xué)光譜學(xué)被廣泛地描述為光與物質(zhì)的相互作用，是一種強(qiáng)大的方法，能夠在光的作用下揭示樣品的大量信息。

光學(xué)光譜技術(shù)的不斷進(jìn)步改進(jìn)了光學(xué)光譜的應(yīng)用方式。根據(jù)樣品的原子特性、紋理特征和散射方式等特征，可以獲得有關(guān)樣品的信息。

一些基本的光學(xué)光譜分析方法包括：

反射

在反射光譜法中，一個(gè)發(fā)射和收集光的探頭對(duì)準(zhǔn)樣品。該反射探針將光射向樣品，并將反向反射光收集到光譜儀中。在氣體混合物中，可以監(jiān)測(cè)未被吸收但可以反射的光。

熒光/發(fā)射

在熒光或發(fā)射光譜學(xué)中，當(dāng)特定頻率的光子被吸收時(shí)，入射到樣品上的光會(huì)激發(fā)原子2 。光譜儀收集熒光，并對(duì)其進(jìn)行分析，以確定樣品中的分子。

拉曼光譜

拉曼光譜是科學(xué)家識(shí)別任意分子結(jié)構(gòu)的最強(qiáng)大的非侵入式工具之一。拉曼效應(yīng)是由未來(lái)的諾貝爾獎(jiǎng)獲得者錢(qián)德拉塞卡拉-文卡塔-拉曼爵士于 1928 年在印度發(fā)現(xiàn)的。

在拉曼技術(shù)中，分子上的入射光會(huì)發(fā)生散射。大部分散射光的波長(zhǎng)與光源相同，不能提供任何有意義的信息。

然而，根據(jù)分子的化學(xué)構(gòu)成，少量的光會(huì)以不同的波長(zhǎng)散射。這種波長(zhǎng)變化被稱(chēng)為拉曼偏移，可用于獲取有關(guān)分子的寶貴信息。

吸收/透射

進(jìn)入樣品的光也可以被不同波長(zhǎng)的光吸收，而其余的光則透過(guò)樣品。從這種裝置中收集到的數(shù)據(jù)可幫助我們深入了解樣品中存在的分子。

光學(xué)光譜學(xué)的進(jìn)步

許多研究工作都集中在提高基本光譜技術(shù)的性能上。根據(jù)所研究物質(zhì)的類(lèi)型和所處的環(huán)境條件，會(huì)采用不同的方法。

例如，表面增強(qiáng)拉曼光譜(SERS)是一種拉曼散射方法，它在粗糙的納米結(jié)構(gòu)表面引入納米粒子，以增強(qiáng)檢測(cè)到的信號(hào)。

紫外光譜法和激光誘導(dǎo)熒光法(LIF)是在特定波長(zhǎng)范圍內(nèi)精心選擇入射光源的方法。這種方法縮小了研究的目標(biāo)物種范圍。

其他技術(shù)，如激光誘導(dǎo)擊穿光譜(LIBS)，是分揀回收材料的重要工具。使用可調(diào)諧激光而非白光光源可進(jìn)一步提高測(cè)量精度。

傅立葉變換紅外光譜法(FTIR)是另一種對(duì)有機(jī)物、聚合物，有時(shí)也包括無(wú)機(jī)物進(jìn)行分類(lèi)的分析方法。傅立葉變換紅外分析程序使用紅外光掃描測(cè)試材料并觀察化學(xué)特征。

由歐洲航天局委托研制的哨兵系列衛(wèi)星用于從太空監(jiān)測(cè)地球大氣層中的氣體排放4 。

未來(lái)展望

在全球努力實(shí)現(xiàn)碳凈零排放和環(huán)境可持續(xù)發(fā)展，同時(shí)為不斷增長(zhǎng)的人口提供食物的過(guò)程中，光學(xué)光譜技術(shù)已成為一種重要的監(jiān)測(cè)工具。

無(wú)論是在儀器還是光譜分析方面，光譜學(xué)領(lǐng)域的研發(fā)工作都在不斷推進(jìn)。光源、樣品制備方法和探測(cè)器方面的新技術(shù)推動(dòng)著儀器的不斷進(jìn)步。

與此同時(shí)，捕捉越來(lái)越詳細(xì)的空間和時(shí)間信息的必要性也凸顯了新型光譜分析策略日益重要的意義。

審核編輯 黃宇