水質(zhì)分析中激光拉曼光譜的運用

■牛麗

（廣東省化工地質(zhì)勘查院廣東花都510800）

水質(zhì)分析中激光拉曼光譜的運用

■牛麗

（廣東省化工地質(zhì)勘查院廣東花都510800）

目前，激光拉曼光譜作為一種研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)的強有力的工具，而被應(yīng)用于許多領(lǐng)域。本文分析了拉曼光譜應(yīng)用于水質(zhì)分析中的可行性及原理,了解了水質(zhì)分析中通過激光拉曼光譜的運用而達到高效、準(zhǔn)確的定性和定量的分析。

拉曼光譜 水質(zhì)分析 可行性 原理

1 引言

在水質(zhì)分析領(lǐng)域，經(jīng)過多年研究和應(yīng)用，已經(jīng)積累了一系列像富集方法、電化學(xué)分析方法、熒光光譜法、紅外光譜法、色譜法等比較成熟的水質(zhì)分析方法。這些水質(zhì)分析方法的技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟在某些定量分析法比較可靠。但是，這些方法卻還存在著許多問題和不便利之處。這些水質(zhì)分析方法通常都是操作程序繁雜、分析中對樣品原性狀有破壞性、一次處理過程只適于檢測一種或幾種物質(zhì)成分等。為了能夠彌補傳統(tǒng)的水質(zhì)分析方法中的缺陷，研究出了拉曼光譜水質(zhì)分析系統(tǒng)這一潛力十足的水質(zhì)分析工具。

2 水質(zhì)分析中激光拉曼光譜運用的可行性

拉曼散射光譜是研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)一個強有力的工具，它有著八十年的歷史。拉曼光譜的基本原理可概述為:當(dāng)頻率為v0的單色光入射到物質(zhì)以后,物質(zhì)中的分子會對入射光產(chǎn)生散射,散射光的頻率為v0±Δv,波長的偏移Δv與物質(zhì)分子的化學(xué)結(jié)構(gòu)有關(guān)。每種物質(zhì)都有對應(yīng)的特征拉曼光譜,其強度與物質(zhì)濃度有關(guān),據(jù)此可實現(xiàn)對物質(zhì)的檢測。激光拉曼光譜的研究對象廣泛，研究的樣品用量少，研究水平從定性擴展到了定量。因此，在水質(zhì)分析中，拉曼光譜用于水環(huán)境中物質(zhì)的檢測范圍非常寬廣。可檢測的物質(zhì)不僅包含液態(tài)物質(zhì)也包含固態(tài)和氣態(tài)，其用量可用毫克、甚至微克來計量。激光拉曼光譜在水質(zhì)檢測中，有許多已完成的像甲基橙衍生物、葡萄糖、合成洗滌劑、殺蟲劑、生物大分子等有機物及氟化物、氰化物、石棉、硫酸鹽等無機物研究結(jié)果。世界衛(wèi)生組織飲用水指標(biāo)中標(biāo)明的對健康有影響或者可能對健康有影響的物質(zhì)大多數(shù)都包含在其研究結(jié)果。因此，激光拉曼光譜在水質(zhì)分析中是一種非?？捎玫臋z測手段。

3 激光拉曼光譜在水質(zhì)分析中的原理

激光拉曼光譜應(yīng)用微機技術(shù)和進化神經(jīng)實現(xiàn)拉曼光譜水質(zhì)分析系統(tǒng)，可對水質(zhì)進行高效、準(zhǔn)確的定性和定量分析。拉曼光譜水質(zhì)分析系統(tǒng)在傳統(tǒng)方法基礎(chǔ)上把拉曼光譜探測元件改用CCD，實現(xiàn)光譜的快速采集與分析。CCD具有圖像傳感和自掃描功能,可以將各個波長點的數(shù)據(jù)同時采集出來，并且串行地輸入給計算機，從而讓計算機進行分析與處理。這樣，可對拉曼光譜進行實時的采集、顯示、波長及相對強度標(biāo)定，實現(xiàn)系統(tǒng)在光譜掃描與采集上的全自動控制。在光譜分析中,噪聲的存在影響著數(shù)據(jù)中有用信息的提取。數(shù)據(jù)用小波變換對信號去噪及平滑處理，再來對譜庫和采集的數(shù)據(jù)進行壓縮。

4 激光拉曼光譜在水質(zhì)分析中的應(yīng)用

在水質(zhì)分析中，激光拉曼光譜有著傳統(tǒng)水質(zhì)分析方法所沒有的優(yōu)越性。每種物質(zhì)都有對應(yīng)的特征拉曼光譜,其強度與物質(zhì)濃度有關(guān),據(jù)此可實現(xiàn)對物質(zhì)的檢測。

4.1 激光拉曼光譜在水質(zhì)分析中的優(yōu)勢

激光拉曼光譜在水質(zhì)分析中只需要幾ml甚至更少的樣品就可以給出樣品濃度信息。拉曼光譜方法分析前一般無需對樣品進行專門的處理或制備。拉曼光譜方法因是一種利用光與物質(zhì)的相互作用來實現(xiàn)分析的化學(xué)檢測方法，不需要對樣品進行其他任何物理或化學(xué)處理，故而基本上是一種除了少量光敏化學(xué)物質(zhì)外對被測樣品沒有任何破壞的檢測方法。激光拉曼光譜可以采用CCD的光譜儀作為光譜探測器，利用CCD能實現(xiàn)高速的全波段光譜掃描特性,結(jié)合發(fā)達的計算機分析方法,實現(xiàn)實地檢測、實時分析功能。拉曼光譜方法的檢測靈敏度非常高，對水環(huán)境中有機成分和生物大分子等物質(zhì)，有著低達mg/L或mmol/L的檢測限。激光拉曼光譜利用光纖可以使被檢測體系遠離拉曼譜儀,做到遠距離在線水質(zhì)監(jiān)控,并同時改善測量的信噪比。

4.2 激光拉曼光譜在比較水中雜質(zhì)濃度的應(yīng)用

不同的水樣品中含有的雜質(zhì)不同，通過檢測不同水質(zhì)產(chǎn)生的激光拉曼光譜可以分析其中的雜質(zhì)。如果水中出現(xiàn)雜質(zhì)，則再激光拉曼光譜中不僅會出現(xiàn)水的拉曼譜線，還會出現(xiàn)雜質(zhì)的發(fā)射的熒光譜線。當(dāng)拉曼譜線和熒光譜線疊加就會出現(xiàn)如圖所示的數(shù)量和強度不等的雜峰和毛刺。在水中可以根據(jù)雜峰和毛刺的數(shù)量的多少與強度的大小，來判斷水質(zhì)中雜質(zhì)的數(shù)量的多少與強度大小。

4.3 激光拉曼光譜在比較水質(zhì)中雜質(zhì)強度中的應(yīng)用

當(dāng)水中含有雜質(zhì)時，由于水分子間普遍存在著氫鍵作用，雜質(zhì)離子要與水分子發(fā)生作用。水分子中的氧端與雜質(zhì)陽離子作用，水分子中的氫端與雜質(zhì)陰離子作用。與雜質(zhì)陰離子作用的氫原子不能在保持其氫鍵作用，使其水分子間的氫鍵作用被削弱，若水質(zhì)中的雜質(zhì)濃度越大，則水質(zhì)中水分子間的氫鍵作用被削弱越加強。根據(jù)彎曲振動強度與伸縮振動強度之比的比值可以判斷出四種水質(zhì)樣品的雜質(zhì)濃度為雨水最多，湘江水次之，池塘水第三，白沙井水最少。

將四種水質(zhì)樣品的強度進行比較而得出的濃度結(jié)果，與拉曼光譜圖得出的結(jié)果一致。通過分析，可知水樣中雜質(zhì)濃度越大，雜峰和毛刺的強度越強；水樣中雜質(zhì)濃度增多，彎曲振動強度與伸縮振動強度之比的比值會依次減少。隨著進一步的研究，激光拉曼光譜會為水質(zhì)分析提供更簡便的方法。

5 結(jié)束語

本文通過介紹拉曼光譜技術(shù)在水質(zhì)分析中的運用，分析了其超越傳統(tǒng)方法的潛力及優(yōu)勢，了解到拉曼光譜技術(shù)在水質(zhì)分析中可對水質(zhì)進行高效、準(zhǔn)確的定性和定量分析，有著廣闊的應(yīng)用前景。在我們將來的工作中,要進一步加強對拉曼光譜在水質(zhì)分析中應(yīng)用的探討。

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F407.1[文獻碼]B

1000-405X（2016）-5-349-1