现代光谱学在环境监测中的作用

图1.用于环境监测的光谱学方法。

先进的光学光谱学方法在应对有效监测环境污染的挑战方面获得了广泛的应用。

在过去的一个世纪里，世界人口大幅增长，导致工业生产设施大量增加。向环境排放污染物气体是大规模生产的负面副产品之一。

污染物对环境的影响

空气和水中的微粒物质，包括灰尘、污垢和花粉颗粒，以及有害气体混合物，都是环境中的污染物。甲烷(CH4)、二氧化氮(NO2)、一氧化碳(CO)和二氧化碳(CO2)是危险气体的几个例子。

燃烧活动是有毒气体的通常来源。1 燃烧过程的例子包括木材、石油、煤炭、木炭、天然气和其他化石燃料的燃烧。

接触过量的空气污染可能会对健康造成不良影响，如肺癌、心脏病和呼吸道感染。

全球变暖与二氧化碳等温室气体的排放有关。二氧化碳会吸收太阳和其他来源的红外线辐射，然后再向各个方向发射。虽然其中一部分能量被辐射到太空中，但大部分能量又被聚焦到地球上，导致二氧化碳在地球上产生时热量滞留增加。

用于环境监测的光学光谱学

光学光谱学被广泛地描述为光与物质的相互作用，是一种强大的方法，能够在光的作用下揭示样品的大量信息。

光学光谱技术的不断进步改进了光学光谱的应用方式。根据样品的原子特性、纹理特征和散射方式等特征，可以获得有关样品的信息。

一些基本的光学光谱分析方法包括：

反射

在反射光谱法中，一个发射和收集光的探头对准样品。该反射探针将光射向样品，并将反向反射光收集到光谱仪中。在气体混合物中，可以监测未被吸收但可以反射的光。

荧光/发射

在荧光或发射光谱学中，当特定频率的光子被吸收时，入射到样品上的光会激发原子2 。光谱仪收集荧光，并对其进行分析，以确定样品中的分子。

拉曼光谱

拉曼光谱是科学家识别任意分子结构的最强大的非侵入式工具之一。拉曼效应是由未来的诺贝尔奖获得者钱德拉塞卡拉-文卡塔-拉曼爵士于 1928 年在印度发现的。

在拉曼技术中，分子上的入射光会发生散射。大部分散射光的波长与光源相同，不能提供任何有意义的信息。

然而，根据分子的化学构成，少量的光会以不同的波长散射。这种波长变化被称为拉曼偏移，可用于获取有关分子的宝贵信息。

吸收/透射

进入样品的光也可以被不同波长的光吸收，而其余的光则透过样品。从这种装置中收集到的数据可帮助我们深入了解样品中存在的分子。

光学光谱学的进步

许多研究工作都集中在提高基本光谱技术的性能上。根据所研究物质的类型和所处的环境条件，会采用不同的方法。

例如，表面增强拉曼光谱(SERS)是一种拉曼散射方法，它在粗糙的纳米结构表面引入纳米粒子，以增强检测到的信号。

紫外光谱法和激光诱导荧光法(LIF)是在特定波长范围内精心选择入射光源的方法。这种方法缩小了研究的目标物种范围。

其他技术，如激光诱导击穿光谱(LIBS)，是分拣回收材料的重要工具。使用可调谐激光而非白光光源可进一步提高测量精度。

傅立叶变换红外光谱法(FTIR)是另一种对有机物、聚合物，有时也包括无机物进行分类的分析方法。傅立叶变换红外分析程序使用红外光扫描测试材料并观察化学特征。

由欧洲航天局委托研制的哨兵系列卫星用于从太空监测地球大气层中的气体排放4 。

未来展望

在全球努力实现碳净零排放和环境可持续发展，同时为不断增长的人口提供食物的过程中，光学光谱技术已成为一种重要的监测工具。

无论是在仪器还是光谱分析方面，光谱学领域的研发工作都在不断推进。光源、样品制备方法和探测器方面的新技术推动着仪器的不断进步。

与此同时，捕捉越来越详细的空间和时间信息的必要性也凸显了新型光谱分析策略日益重要的意义。

审核编辑 黄宇