淺談光譜法分析水污染物含量

李一鳴++王培亮

[摘 要]水環(huán)境安全是當(dāng)今世界最重視的課題之一，關(guān)系到人類社會(huì)的發(fā)展和生存。目前，我國的水質(zhì)受到了嚴(yán)重的污染，據(jù)統(tǒng)計(jì)全國很多的水段水質(zhì)超標(biāo)。現(xiàn)有的污水檢測方法已有很多，應(yīng)針對不同環(huán)境，不同情況下的污水采用相應(yīng)的污水檢驗(yàn)方法，從而得到準(zhǔn)確而有效的結(jié)果。所以，在這種情況下采取一種行之有效的方法采取水質(zhì)監(jiān)測是十分必要的。本文針對拉曼光譜和紫外分光光度計(jì)說明了光譜法分析水污染物含量的可行性。

[關(guān)鍵詞]水污染 拉曼光譜 紫外分光光度計(jì)

中圖分類號(hào)：TM912 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-914X（2017）16-0092-01

1.引言

水資源是人類的生命之源，人們的生存離不開水。多年來，水資源質(zhì)量不斷下降，水環(huán)境持續(xù)惡化，由于污染所導(dǎo)致的缺水和事故不斷發(fā)生，不僅使工廠停產(chǎn)、農(nóng)業(yè)減產(chǎn)甚至絕收，而且造成了不良的社會(huì)影響和較大的經(jīng)濟(jì)損失，嚴(yán)重地威脅了社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展，威脅了人類的生存。

水污染一般是指生活污水、工業(yè)廢水、農(nóng)田排水未經(jīng)處理而大量排入水體所造成的污染。中國正在經(jīng)歷前所未有的水污染轉(zhuǎn)型，水資源、水環(huán)境、水生態(tài)和水災(zāi)害四大水問題相互作用，彼此疊加，形成影響未來中國發(fā)展和安全的多重水危機(jī)，其中水污染的威脅尤為突出。目前中國640個(gè)城市有300多個(gè)缺水，2.32億人年均用水量嚴(yán)重不足。所以加強(qiáng)水污染治理與防范，保護(hù)我們的水資源，而開展對水環(huán)境質(zhì)量快速準(zhǔn)確分析的工作迫在眉睫[1]。

2.發(fā)展現(xiàn)況

眾所周知，與傳統(tǒng)的化學(xué)分析、電化學(xué)分析和色譜分習(xí)析方法相比，光譜分析技術(shù)更具有操作簡便、消耗試劑量小、重復(fù)性好、測量精度高和檢測快速的優(yōu)點(diǎn)，非常適合對環(huán)境水樣的快速在線監(jiān)測。

目前該技術(shù)主要有原子吸收光譜法、分子吸收光譜法以及高光譜遙感法，其中高光譜遙感法由于測量精度不高多數(shù)用于定性分析；而原子吸收光譜法精度雖高，但由于首先要把樣品汽化，因而耗能較高，系統(tǒng)體積大，不適合廣泛使用。比較而言，分子吸收光譜法是目前應(yīng)用較為廣泛的水質(zhì)分析技術(shù)。

其中拉曼紅外光譜分析法可很好的測定水中大多數(shù)金屬離子、非金屬離子和有機(jī)污染物的種類，而紫外分光光度計(jì)法可很好的測定水中大多數(shù)金屬離子、非金屬離子和有機(jī)污染物的含量，二者有機(jī)的聯(lián)結(jié)的檢測儀器和系統(tǒng)具有靈敏、快速、準(zhǔn)確、簡單等優(yōu)點(diǎn)，并可實(shí)現(xiàn)對多種水質(zhì)參數(shù)的檢測，在對飲用水、地表水、工業(yè)廢水等水體的在線監(jiān)測中具有顯著的技術(shù)優(yōu)勢，是國內(nèi)外科研機(jī)構(gòu)與主要分析儀表廠商競相研發(fā)的現(xiàn)代水質(zhì)監(jiān)測技術(shù)。

3.拉曼光譜分析

3.1 原理

紅外部分基于的原理是拉曼原理。采用傅里葉變換的形式處理數(shù)據(jù)。分子光譜產(chǎn)生于分子內(nèi)部運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的改變。分子有不同的電子能級(jí)，每個(gè)電子能級(jí)又有不同的振動(dòng)能級(jí)。而每個(gè)振動(dòng)能級(jí)又有不同的轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)。一定波長的電磁波作用于分子，引起分子相應(yīng)能級(jí)的躍遷，產(chǎn)生分子吸收光譜。拉曼散射是分子對光子的一種非彈性散射效應(yīng)[2]。

3.2 拉曼方法優(yōu)勢

拉曼分析方法可提供快速、簡單、可重復(fù)、且更重要的是無損傷的定性定量分析，它無需樣品準(zhǔn)備，樣品可直接通過光纖探頭或者通過玻璃、石英、和光纖測量。

第一，水的拉曼散射很微弱，所以拉曼方法測水溶液中的生物樣品和化學(xué)化合物有著極大的優(yōu)勢。

第二，拉曼一次可以同時(shí)覆蓋50-4000波數(shù)的區(qū)間，可對有機(jī)物及無機(jī)物進(jìn)行分析。

第三拉曼光譜譜峰清晰尖銳，更適合定量研究、數(shù)據(jù)庫搜索、以及運(yùn)用差異分析進(jìn)行定性研究。在化學(xué)結(jié)構(gòu)分析中，獨(dú)立的拉曼區(qū)間的強(qiáng)度可以和功能集團(tuán)的數(shù)量相關(guān)。

第四，因?yàn)榧す馐闹睆皆谒木劢共课煌ǔＶ挥?.2-2毫米，常規(guī)拉曼光譜只需要少量的樣品就可以得到。拉曼顯微鏡物鏡可將激光束進(jìn)一步聚焦至20微米甚至更小，可分析更小面積的樣品。

第五，共振拉曼效應(yīng)可以用來有選擇性地增強(qiáng)大生物分子特個(gè)發(fā)色基團(tuán)的振動(dòng)，這些發(fā)色基團(tuán)的拉曼光強(qiáng)能被選擇性地增強(qiáng)1000到10000倍。

3.3 拉曼方法的劣勢

拉曼散射容易因不同振動(dòng)峰重疊，以及光學(xué)系統(tǒng)參數(shù)容易受環(huán)境因素的影響而出現(xiàn)較大誤差。并且拉曼方法本身不能排除熒光現(xiàn)象對傅立葉變換中的干擾。其次，在進(jìn)行傅立葉變換光譜分析時(shí)，曲線不能較好的模擬，曲線模擬誤差較大。因此也造成了該方法在進(jìn)行定量測試時(shí)誤差較大，并且進(jìn)行傅里葉變化時(shí)比較復(fù)雜，難于很快得到計(jì)算結(jié)果[3]。

4.紫外分光光度計(jì)法

4.1 原理

吸收光譜是由于物質(zhì)吸收光子，從而從低能級(jí)躍遷到較為活躍的高能級(jí)而產(chǎn)生的光譜。不同物質(zhì)能級(jí)間的能量差是不同的，所需要吸收的光子的能量也是不同的，根據(jù)量子化吸收定則，不滿足兩能級(jí)差的能量的光子是不能被吸收的。這也就是吸收光譜可以鑒別物質(zhì)種類的原因。

當(dāng)一系列波長的光照射物質(zhì)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)一個(gè)波峰，即吸收強(qiáng)度最大處，這個(gè)波峰所對應(yīng)的波長便是該物質(zhì)的特征譜線波長。所以，只要能到所得光譜圖的峰值對應(yīng)的波長，即可確定離子的種類。

朗伯-比耳定律是光吸收的基本定律，俗稱光吸收定律，是分光光度法定量分析的依據(jù)和基礎(chǔ)。當(dāng)入射光波長一定時(shí)，溶液的吸光度A是吸光物質(zhì)的濃度C及吸收介質(zhì)厚度（吸收光程）的函數(shù)。即

A=kbc，A為透射光強(qiáng)度，k為吸收系數(shù)，c為溶液濃度，b為光程[4]。

4.2 紫外法優(yōu)勢

紫外法操作方便，在處理數(shù)據(jù)時(shí)速度快，避免了繁瑣的傅里葉變換，因?yàn)樵O(shè)置了比對項(xiàng)目，導(dǎo)致在排除溶劑干擾方面有著明顯的優(yōu)勢，這也是使其準(zhǔn)確度較高的原因。

其次，紫外法還可用于細(xì)胞生物分析，如蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)，病毒的生理構(gòu)成等。除了在生物方面，它還可以適用于化工分析、環(huán)境監(jiān)測、食品分析、地質(zhì)分析、水質(zhì)分析、農(nóng)業(yè)分析、分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)等方面。基于紫外光譜分析的水質(zhì)監(jiān)測具有實(shí)時(shí)快速、微型便攜、無需試劑、無二次污染、低成本及多參數(shù)監(jiān)測的特點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于飲用水、地表水、工業(yè)廢水等水體的在線監(jiān)測。隨著分析儀器的微型化發(fā)展和分析技術(shù)的自動(dòng)化、網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展，基于微型紫外光譜儀和機(jī)器學(xué)習(xí)方法的多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測微系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)將成為水質(zhì)監(jiān)測領(lǐng)域的一個(gè)重要發(fā)展方向[5]。

4.3 紫外法劣勢

因?yàn)樽贤夥ɑ诶刹葼柖?，但這個(gè)定律是一個(gè)經(jīng)驗(yàn)定律，在對于系數(shù)的測定上一直是一個(gè)難題，因?yàn)檫@個(gè)吸收系數(shù)會(huì)因?yàn)槿芤簼舛鹊脑摫矶淖儯@就導(dǎo)致在等式中有兩個(gè)變量。在數(shù)據(jù)處理時(shí)因?yàn)闂l件不足而產(chǎn)生困難。其次該定律還需要透射光強(qiáng)度，光電倍增管的靈敏程度直接導(dǎo)致了這種方法的精確度如何。對傳感器的要求較高。在非實(shí)驗(yàn)室條件下，由于組件靈敏度和精度不足，導(dǎo)致誤差相對較大，但實(shí)驗(yàn)室條件下產(chǎn)品成本太高，不利于普及。

5.總結(jié)

綜上所述，兩種方法都是利用物理學(xué)中光譜分析的方法進(jìn)行測量，兩種方法各有利弊，可以說是各有所長。根據(jù)這兩種方法制作的儀器由于受到光學(xué)器件的限制，在傳感器，接收器，光路中不能做到物美價(jià)廉，導(dǎo)致推廣受到困難。如果能夠找到降低成本又保證精度的方法，物理分析的方法將會(huì)完全取代化學(xué)分析，真正做到以少知大，反復(fù)利用，簡單快捷。如果能夠在以后的鑒定中，取少量樣本，經(jīng)過幾分鐘，得到未知溶液中各離子種類和含量，這將對我國廢水監(jiān)測，提高水質(zhì)量產(chǎn)生重大影響。

參考文獻(xiàn)

[1] 王瑗，盛連喜，李科，孫弘顏.中國水資源現(xiàn)狀分析與可持續(xù)發(fā)展對策研究[J].水資源與水工程學(xué)報(bào)，2008，（03）：10-14.

[2] 李津蓉. 拉曼光譜的數(shù)學(xué)解析及其在定量分析中的應(yīng)用[D].浙江大學(xué)，2013.

[3] 田國輝，陳亞杰，馮清茂.拉曼光譜的發(fā)展及應(yīng)用[J].化學(xué)工程師，2008，（01）：34-36.

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[5] 曾甜玲，溫志渝，溫中泉，張中衛(wèi)，魏康林.基于紫外光譜分析的水質(zhì)監(jiān)測技術(shù)研究進(jìn)展[J].光譜學(xué)與光譜分析，2013，（04）：1098-1103.