烟花绽放下的隐形威胁？LIBS技术助力新年空气质量监测

一、LIBS技术原理

激光诱导击穿光谱(Laser-Induced Breakdown Spectroscopy, LIBS)技术是一种原子发射光谱技术，由于它无需样品制备、可以多种元素同时测量、可以实现原位/在线测量等优点，被认为是“化学分析新星”。目前，LIBS技术处于商业化前的关键发展阶段，技术成熟度与二十年前的电感耦合等离子体(ICP)技术相当，一旦核心问题得以突破，LIBS技术将进入大规模商业化的黄金时代。

二、LIBS技术在空气监测环境的应用

新年是重要的传统节日，承载着无数欢笑与祝福，但也伴随着烟花爆竹燃放带来的空气污染挑战。随着环保意识的不断增强，空气污染问题日益受到关注，空气质量监测技术日益成为确保公共健康和环境保护的重要工具。燃放烟花会在短时间内导致空气中颗粒物浓度大幅上升，并释放多种有害气体和重金属，对环境质量和人体健康构成威胁。因此，如何对新年期间空气污染进行快速、精准的监测，成为环境保护领域的重要课题。激光诱导击穿光谱(LIBS)作为一种高效、精确的分析技术，以其快速、高灵敏度和非接触测量的特点，能够提供实时的污染检测与评估，帮助及时响应环境变化，为新年期间的空气污染检测提供了有效解决方案。在特殊事件如烟花燃放期间，空气中的污染物主要包括：

颗粒物(PM2.5 和 PM10)：来源于烟花的燃烧副产物。

有害气体：包括二氧化硫(SO2)、氮氧化物(NOx)和一氧化碳(CO)。

重金属元素：如铅(Pb)、镉(Cd)、锶(Sr)、钡(Ba)等，通常来自烟花中的颜料和助燃剂。

有机化合物：如多环芳烃(PAHs)，具有致癌性。

2.1 烟花燃放对空气质量的实时监测

新年和节日期间，烟花燃放为庆祝活动增添了许多色彩，但也对空气质量造成了显著影响。烟花燃放产生的污染物不仅影响视野，还直接威胁到公众健康，尤其是在PM2.5和重金属污染物方面。

2.1.1颗粒物检测

烟花释放的烟雾中，PM2.5和PM10颗粒物含量明显增加。LIBS技术通过激光激发空气中的颗粒物，能够实时测量这些颗粒的浓度及其化学成分，快速反应空气质量变化。通过分析不同粒径颗粒的特征谱图，LIBS技术可以有效区分不同来源的污染物。

大气燃烧烟尘在 300-780nm 波段的 LIBS 光谱图

2.1.2重金属检测

烟花中常含有铅、镉、锶、钡等重金属元素，燃放过程中这些元素释放到空气中，严重影响空气质量和公共健康。LIBS技术可直接检测空气中这些重金属的浓度，并评估其污染风险，帮助及时采取应对措施。

大气燃烧烟尘、含 Pb 大气燃烧烟尘和纯 Pb 的光谱对比图

2.1.3气溶胶分析

烟花释放的气溶胶颗粒是一种复杂的污染物。LIBS技术能够对这些颗粒的成分进行精准分析，帮助了解空气中不同污染物的种类和浓度，评估污染物对人体健康和环境的影响

气溶胶在 370-465nm 的 LIBS 光谱图

气溶胶在 450-680nm 波段的 LIBS 光谱图

气溶胶在 700-880 nm 波段的 LIBS 光谱图

2.2节后空气质量恢复的跟踪评估

新年烟花燃放结束后，空气中的污染物会随着时间的推移逐渐消散。LIBS技术能够通过连续监测，帮助追踪空气质量的恢复过程：

2.2.1动态监测

LIBS技术能够在不同时间点监测污染物浓度的变化，为污染物从浓度高峰到恢复阶段的过程提供详尽的数据支持。通过监测污染物浓度随时间的变化趋势，LIBS技术帮助科学评估污染的持续时间和恢复速度。

近八年除夕至初一全国逐小时PM2.5平均浓度示意图

2.2.2恢复评估

结合大气扩散模型和实时监测数据，LIBS技术能够对空气质量的恢复进程进行精确评估。这对于空气污染应急管理和制定后续改善措施具有重要意义。

技术实施与方案设计

3.1设备选择与布置

在新年节日期间，烟花燃放及相关活动显著增加空气中的污染物浓度，选择合适的LIBS设备并优化布置方案是实现高效监测的基础。固定监测站适用于持续观测城市核心区及烟花集中燃放区域的重金属元素浓度变化，便于评估污染来源;无人机搭载LIBS设备则能灵活监测大范围区域，适用于难以到达的区域或大面积污染的测量，实时获取垂直剖面数据，快速定位污染扩散路径，优化应急响应策略;便携式LIBS设备用于污染热点区域的应急检测，特别是突发事件中的现场响应，如工业区、交通繁忙的道路或烟花燃放区域。设备小巧便于移动，且能够在短时间内提供详细的污染数据，帮助环境监测人员迅速评估污染情况。

这些设备通过合理布局形成互补，为节日期间的空气质量监测提供全面支持。

手持式激光诱导光谱仪

3.2 检测方案设计

结合新年期间的污染源特征与活动规律，科学规划监测方案。重点针对烟花燃放点及其周边区域，实时采集PM2.5、PM10.及重金属浓度等关键指标。动态区域监测方案利用固定站点与无人机采样相结合，绘制污染分布图并分析扩散趋势。同时，根据节庆活动的时间节点，加密采样频率，例如在除夕夜高峰期每15分钟采集一次数据，以捕捉污染物的瞬时变化及高峰持续时间。这些方案的核心目标是量化节日活动对空气质量的影响，指导污染防治措施。

LIBS装置示意图

3.3数据采集与处理

LIBS技术通过等离子体特征谱线分析获取污染物元素组成和浓度信息。为确保数据的准确性和可靠性，需要优化激光参数与采谱时间窗口，并结合高精度光谱数据库进行定性与定量分析。在数据处理阶段，应用背景干扰剔除、平滑算法降噪等预处理方法，提高信噪比与信背比。利用多元回归和动态扩散模型，对复杂背景下的光谱信号进行校正，结合气象数据模拟污染扩散过程，从而精确评估空气污染状况。

四、结论

激光诱导击穿光谱技术在新年节日期间的空气污染监测中展示了巨大的应用潜力，其快速、精准的特性使其能够满足复杂多变的环境监测需求。随着技术的不断发展，LIBS技术将成为环境保护与污染治理的重要工具，为提升节庆活动中的环保意识和社会可持续发展提供强大支持。

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审核编辑 黄宇