激光拉曼光譜法分析自來水水質(zhì)

孫燕芬

（呂梁學(xué)院物理系 山西 呂梁 033001）

1 用 LRS-3 型激光拉曼光譜儀檢測自來水

單個水（H2O）分子里包含兩個氫原子和一個氧原子，其中O-H鍵的極性很強，且這種物質(zhì)分子的偶極矩也特別大。由于水分子的內(nèi)部構(gòu)造的特殊性，使得分子間非常容易在動態(tài)平衡中形成氫鍵，最終產(chǎn)生了很多不同結(jié)構(gòu)和大小的水分子。O-H鍵長度變化產(chǎn)生的對稱伸縮振動（∪1）與反對稱伸縮振動(∪2) 、鍵角變化產(chǎn)生的彎曲振動（∪3）是水分子的3種主要振動方式，所以理論上來說水分子就理應(yīng)具有三條特征拉曼譜線。依據(jù)科學(xué)家們多年研究結(jié)果可知，水的光譜圖中三種振動形式對應(yīng)的波數(shù)分別是：強線大致是365cm-1，極弱線大致是1595cm-1，弱線大概是3756cm-1。

本實驗使用的裝置是LRS-3型激光拉曼光譜儀。儀器采用半導(dǎo)體激光器為激發(fā)光源，發(fā)出的入射光波長為532nm，輸出功率為40mW；單色儀相對孔徑D/F=1/5.5；光柵選用1200L/mm的光柵；采用單光子計數(shù)器為接收單元；狹縫寬度：0～2mm連續(xù)可調(diào)；光譜范圍200～800nm，精度≤±0.4nm；雜散光≤10-3；譜線半寬≤0.2nm。用計算機對輸入的信號進(jìn)行自動采集和加工處理。測試樣品為自來水和蒸餾水。將水樣靜置五天后，再用滴管裝入玻璃樣品管中進(jìn)行測量。外界的環(huán)境光會對測試產(chǎn)生影響，所以實驗在暗室中進(jìn)行。

2 實驗結(jié)果及其分析

自來水的主要成分是水，且相對其他物質(zhì)分子來說，水分子是散射激發(fā)光很差的一種物質(zhì)，因此理論上跟實際上的拉曼光譜圖中特征峰出現(xiàn)的位置有所差異，對于三個基本特征峰在拉曼譜中出現(xiàn)的次序確是固定的。如圖1所示，測量出的自來水與蒸餾水激光拉曼譜的比較，橫坐標(biāo)為波數(shù)，縱坐標(biāo)為拉曼峰相對強度值。從圖中可以看出自來水的拉曼譜線和蒸餾水的拉曼譜線走勢大致相同，各特征峰的波數(shù)位置也基本附和。但自來水∪2左邊出現(xiàn)一個強度不弱的雜峰，而且雜峰相對較多，這可能與水中含有的某種雜質(zhì)分子有關(guān)。

圖1 自來水和蒸餾水拉曼光譜

實驗中實際測量的自來水和蒸餾水?dāng)?shù)據(jù)如表1所示。

表1 自來水和蒸餾水各特征峰的波數(shù)值（/cm-1）

從拉曼譜光譜圖和實驗數(shù)據(jù)中可以看出自來水的拉曼譜中峰的強度較低，現(xiàn)在多數(shù)自來水都是經(jīng)過消毒和凈化處理過的，一般來說，其硬度和礦物質(zhì)含量都比較高。在自來水中鈣鹽與鎂鹽的濃度越高，它的硬度就越大，越容易產(chǎn)生水垢。自來水中含有的礦物質(zhì)微量元素（如鉀、鈉、鈣等離子）對水分子的結(jié)構(gòu)影響很大，使水分子的振動大大減弱，所以測得的拉曼峰相對強度會比較低。水中雜質(zhì)多少會影響拉曼光譜中峰的數(shù)量。我們所測的自來水的光譜圖中出現(xiàn)的雜峰和毛刺數(shù)目比較多，說明自來水中包含的雜質(zhì)種類較多。從圖中也可看出，雜峰和毛刺的強度不是很大，說明雜質(zhì)濃度不高。

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