光學(xué)光譜分析法在環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用分析

隋魯智

（德州市生態(tài)環(huán)境監(jiān)控中心，山東 德州 253000）

伴隨著工業(yè)的不斷發(fā)展，環(huán)境污染物的排放量不斷增多，給環(huán)境造成巨大的沖擊，導(dǎo)致各種自然災(zāi)害問題頻頻發(fā)生。環(huán)境保護(hù)工作需要結(jié)合環(huán)境監(jiān)測(cè)的結(jié)果制定針對(duì)性保護(hù)方案，縱觀以往的監(jiān)測(cè)手段，主要以化學(xué)法為主，但是由于該監(jiān)測(cè)手段耗時(shí)長(zhǎng)、費(fèi)用高、操作流程復(fù)雜，需要多個(gè)部門協(xié)同完成，并且在監(jiān)測(cè)過程中還可能形成新的污染，因此逐漸被淘汰。而光學(xué)光譜分析法為光學(xué)分析法與光譜分析法的統(tǒng)稱，將二者應(yīng)用在環(huán)境監(jiān)測(cè)中，上述問題便迎刃而解，提高了環(huán)境監(jiān)測(cè)的效率。

1 光學(xué)分析法在環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

1.1 光學(xué)分析法的原理

當(dāng)物質(zhì)吸收光波以后，便會(huì)在某個(gè)波段出現(xiàn)一個(gè)吸收峰，對(duì)該波段進(jìn)行分析便能夠獲得該物質(zhì)的光譜特征，這便是光學(xué)分析法的原理。光學(xué)分析法具有檢測(cè)用時(shí)短，獲得的結(jié)果具備較高靈敏度的特點(diǎn)。光學(xué)分析方法無需傳統(tǒng)檢測(cè)手段所需的試劑，也省去了用于儀器設(shè)備維護(hù)的時(shí)間支出[1]。

1.2 光學(xué)分析法在環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

1.2.1 比色分析法

該分析法主要是通過物質(zhì)相互之間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成較深的溶液顏色，通過比較反應(yīng)前和反應(yīng)后溶液的顏色改變情況對(duì)其含有物質(zhì)的濃度進(jìn)行測(cè)量的技術(shù)。比色分析法也是現(xiàn)目前對(duì)水質(zhì)中有色重金屬濃度檢測(cè)的最常見技術(shù)?？紤]到少數(shù)重金屬離子是沒有顏色的，常見的如一價(jià)銅離子溶液，此時(shí)便可以結(jié)合該物質(zhì)容易被氧化的特征，首先將該溶液氧化為二價(jià)的銅離子溶液。比色分析法又可以分成兩種，其一是目視比色分析法，其二是光電比色分析法，二者均應(yīng)用朗伯-比爾定律，但是目視比色分析法在檢測(cè)時(shí)容易受到人主觀因素的影響，因此其檢測(cè)的準(zhǔn)確度不高。但是應(yīng)用分光光度法便能夠避免主觀判斷引起的誤差，極大地提升了未知量檢測(cè)結(jié)果的靈敏度和精確度。由此可見，在將比色分析法應(yīng)用在環(huán)境監(jiān)測(cè)中時(shí)，其基礎(chǔ)為顯色反應(yīng)，所以對(duì)溶液離子的化學(xué)性質(zhì)提出了較高的要求。在具體環(huán)境監(jiān)測(cè)過程中，可以應(yīng)用目測(cè)，也可以應(yīng)用單色光源實(shí)施檢測(cè)，同時(shí)借助與高速計(jì)算機(jī)連接的攝像頭綜合分析圖像，通過顯色劑的不同反應(yīng)，及時(shí)測(cè)定出被污染的水質(zhì)中的污染物濃度。

1.2.2 紫外線光譜分析法

紫外線具備能量高、波長(zhǎng)短以及穿透力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，通過對(duì)紫外線廣譜區(qū)的檢測(cè)，其中有機(jī)分子在紫外廣譜區(qū)擁有較強(qiáng)的吸收能力，通過高能量的脈沖能夠殺滅有機(jī)活性物質(zhì)，因此常常被應(yīng)用在水體有機(jī)污染物的檢測(cè)中。最初的紫外光譜分析法為單波長(zhǎng)法，此后逐漸進(jìn)展成雙波長(zhǎng)法，當(dāng)前已經(jīng)發(fā)展成全光譜法，其在環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用不用借助參比溶液便可以消除渾濁度產(chǎn)生的影響。

1.2.3 間接測(cè)定法

在水質(zhì)重金屬濃度的檢測(cè)中，另一種比較常見的技術(shù)便是間接測(cè)定法，以熒光分析法最常見，該方法主要是獲得重金屬離子的熒光圖像，再借助計(jì)算機(jī)進(jìn)行編程處理后，從而準(zhǔn)確地測(cè)量出重金屬離子的濃度，檢測(cè)過程中要使用與重金屬離子相匹配的試劑。

1.2.4 直接測(cè)定法

相比于間接測(cè)定法，直接測(cè)定法省去了匹配試劑這一環(huán)節(jié)，極大地提升了檢測(cè)的速度，但同時(shí)也需要滿足物質(zhì)自身發(fā)射熒光這一苛刻的要求。值得注意的是，無論是采取上述哪種測(cè)定方法，均需要考慮光源的影響，例如在使用直接測(cè)定法時(shí)，需要確保光源的發(fā)射光波長(zhǎng)與物質(zhì)所吸收光波長(zhǎng)一致。激光光源因?yàn)榫哂心芰考?、單色性好等?yōu)點(diǎn)，并且被應(yīng)用在環(huán)境監(jiān)測(cè)中，以激光誘導(dǎo)熒光技術(shù)為例，該技術(shù)的光源便是激光，并且已經(jīng)取代了傳統(tǒng)光源檢測(cè)的地位[2]。

2 光譜分析法在環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

2.1 光譜分析法簡(jiǎn)介

光譜分析法即以結(jié)合物質(zhì)自身?yè)碛械墓庾V特征作為依據(jù)檢測(cè)其所含的化學(xué)成分以及準(zhǔn)確含量的一種檢測(cè)技術(shù)，該方法測(cè)定用時(shí)短，靈敏度高。我們所知曉的氦元素和銫元素均是應(yīng)用光譜分析法發(fā)現(xiàn)的。按照原理不同，常見的光譜分析法有兩種，一種叫作發(fā)射光譜分析法，另一種叫作吸收光譜分析法，按照檢測(cè)目標(biāo)形態(tài)的不同，又可以分為原子光分析法、光譜分析法以及分子光譜分析法。如果檢測(cè)的對(duì)象為原子結(jié)構(gòu)時(shí)，光譜檢測(cè)便可以叫作原子光譜，相反如果檢測(cè)的對(duì)象結(jié)構(gòu)是分子時(shí)，便將其叫作分子光譜。

2.2 光譜分析法的工作原理

光譜分析法的應(yīng)用在環(huán)境監(jiān)測(cè)中主要包含三個(gè)環(huán)節(jié)，第一個(gè)環(huán)節(jié)是監(jiān)測(cè)能源提供監(jiān)測(cè)動(dòng)能；第二環(huán)節(jié)是通過發(fā)射源提供的能量激發(fā)被監(jiān)測(cè)物質(zhì)，并同時(shí)與被監(jiān)測(cè)物質(zhì)產(chǎn)生相關(guān)作用；第三個(gè)環(huán)節(jié)是對(duì)待測(cè)物質(zhì)中含有的能量進(jìn)行檢測(cè)。光譜分析法發(fā)射光譜主要是結(jié)合被測(cè)原子或者分子在激發(fā)的狀態(tài)下發(fā)射的特征光譜的強(qiáng)度將該物質(zhì)的含量計(jì)算出來，吸收光譜可以將被測(cè)元素具備的特征光譜作為依據(jù)，根據(jù)待測(cè)樣品蒸汽內(nèi)待檢測(cè)元素的基態(tài)原子在吸收被測(cè)元素的光譜之后強(qiáng)度的降低情況準(zhǔn)確計(jì)算出含量，其應(yīng)用的是朗伯-比爾定律：

A=-lgI/I0=-lgT=KCL

在上述公式中，I代表的是透射光的強(qiáng)度；IO代表的是發(fā)射光的強(qiáng)度，T代表的是透射比，L代表的是光通過原子化器光程。在該公式中，L是保持不變的，因此可以得出A=KC。光譜分析法的工作原理為按照核外電子能量高低差異分布在不同的能級(jí)軌道中，其中單個(gè)原子核可以具有數(shù)個(gè)能級(jí)狀態(tài)。將能級(jí)最低的狀態(tài)叫做基態(tài)能級(jí)，剩余能級(jí)均為激發(fā)態(tài)能級(jí)，一般情形下，原子位于基態(tài)，核外電子則是圍繞原子核在最低基態(tài)繞核進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。將一定的能量給予基態(tài)原子，假如該能量剛好跟基態(tài)原子的能量差一致時(shí)，便可以將外層電子躍遷激發(fā)出來，致使原本的光經(jīng)過分光后譜線內(nèi)缺少了某些特征光譜線，如此便形成了原子吸收光譜。并且當(dāng)原子吸收能量后，能夠躍遷至更高的能級(jí)，由于激發(fā)電子缺乏穩(wěn)定性，將電子激發(fā)后會(huì)自動(dòng)返回到原基態(tài)，電子躍遷將能量通過光的形式釋放出來，這便是原子發(fā)射光譜。常見的光譜分析法有吸收光譜法、發(fā)射光譜法[3]。

2.3 原子吸收光譜法在環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

從本質(zhì)上分析，原子吸收光譜法也可以被稱為儀器分析技術(shù)，該技術(shù)檢測(cè)原理為：當(dāng)輻射光經(jīng)過原子蒸汽后，原子便會(huì)將輻射產(chǎn)生的熱量吸取完，如果吸取的所有熱量值高于相應(yīng)的臨界值時(shí)，便能夠?qū)⑻幱诨鶓B(tài)的原子轉(zhuǎn)變成激發(fā)態(tài)，從而形成原子吸收光譜。因此通過對(duì)原子呈現(xiàn)出的吸收光譜進(jìn)行分析，能夠準(zhǔn)確掌握待測(cè)物質(zhì)對(duì)輻射能量的吸收能力，從而為相關(guān)工作者準(zhǔn)確計(jì)算出待測(cè)元素含量提供指導(dǎo)。結(jié)合實(shí)踐效果可知，將該技術(shù)應(yīng)用在環(huán)境監(jiān)測(cè)中，不僅準(zhǔn)確性高，而且檢測(cè)過程穩(wěn)定性強(qiáng)，當(dāng)前已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在土壤中重金屬含量的檢測(cè)中。將原子吸收光譜法應(yīng)用在環(huán)境監(jiān)測(cè)中主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：第一，應(yīng)用原子吸收光譜法監(jiān)測(cè)大氣環(huán)境質(zhì)量。當(dāng)前，原子吸收光譜法大多應(yīng)用在冶煉廠、鉛蓄電池廠等企業(yè)中，但是因?yàn)樵陬A(yù)處理環(huán)節(jié)容易遭受其他因素的干擾，導(dǎo)致獲得的結(jié)果準(zhǔn)確性偏低；第二，分析土壤、底泥以及固體物等。考慮到固體樣品特別是土壤樣品中富含大量的酸根離子，其會(huì)對(duì)鋅產(chǎn)生不良影響，在測(cè)量土壤中的鉀、鈣、鎂等元素時(shí)，由于會(huì)受到電離因素的干擾，因此在選擇硝酸-鹽酸體系對(duì)樣品進(jìn)行消解時(shí)，對(duì)鋅元素的檢測(cè)應(yīng)用極貧燃?xì)?，通過較高溫度的火焰來減少干擾，然后再將氯化鈉溶液加入待測(cè)溶液內(nèi)，通過這種方式避免受到電離的干擾，最終分析并測(cè)量出土壤內(nèi)銅元素、鋅元素、鈣元素、鉀元素、鎂元素等微量元素的分析測(cè)定結(jié)果。將河流底泥經(jīng)過高氯酸與氫氟酸消化后，再采用火焰原子吸收法對(duì)其中的銅進(jìn)行測(cè)定，最終獲得準(zhǔn)確的結(jié)果；第三，應(yīng)用在水環(huán)境監(jiān)測(cè)中。原子吸收光譜法還可以應(yīng)用在地表水質(zhì)量的評(píng)價(jià)中。在環(huán)境監(jiān)測(cè)工作中，基本任務(wù)主要有兩項(xiàng)，其一是監(jiān)督監(jiān)測(cè)生產(chǎn)所排廢水，其二是監(jiān)督監(jiān)測(cè)生產(chǎn)設(shè)施所排廢水。其中對(duì)工業(yè)廢水的監(jiān)測(cè)主要應(yīng)用火焰原子化法，飲用水中用于直接測(cè)定的元素有限，且這些元素的含量通常較低，在采取火焰法進(jìn)行測(cè)定時(shí)通常應(yīng)用萃取濃縮法從而獲得滿意的監(jiān)測(cè)水平。針對(duì)μg級(jí)元素的測(cè)定主要應(yīng)用氰化物發(fā)生-原子吸收化法進(jìn)行測(cè)定，而應(yīng)用石墨爐法進(jìn)行測(cè)定更加便捷、簡(jiǎn)便。近年來，伴隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的飛速發(fā)展以及人居環(huán)境的不斷優(yōu)化，應(yīng)用一般的原子吸收方法已經(jīng)無法滿足復(fù)雜的檢測(cè)需求，為此很多學(xué)者嘗試對(duì)監(jiān)測(cè)手段進(jìn)行改進(jìn)，目的是提升監(jiān)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性與精密性[4]。

2.4 紅外吸收光譜法在環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

紅外線吸收光譜法在環(huán)境監(jiān)測(cè)中的工作原理如下：借助不同物質(zhì)對(duì)反射光的不同反應(yīng)，針對(duì)性地將這些物質(zhì)的具體含量準(zhǔn)確測(cè)量出來。不同的氣體，其光吸收頻率也不盡相同，雖然空氣中氣體的組成成分較多，吸收光、發(fā)射光具有混合性的特征，但其不會(huì)干擾大氣內(nèi)其他物質(zhì)吸收相對(duì)應(yīng)的頻率光譜，因此紅外線吸收光譜法非常適合應(yīng)用在大氣監(jiān)測(cè)中。借助設(shè)備對(duì)大氣環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)時(shí)，假如設(shè)備被損壞或者出現(xiàn)老化的情況時(shí)，同時(shí)空氣內(nèi)含有的污染物含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過設(shè)備的最大承載量時(shí)，便會(huì)對(duì)設(shè)備性能帶來嚴(yán)重的影響，此時(shí)便不能保證監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，再加上大氣中的污染物會(huì)不斷侵蝕設(shè)備，導(dǎo)致設(shè)備的壽命縮短。應(yīng)用紅外吸收光譜法進(jìn)行環(huán)境監(jiān)測(cè)，因其光學(xué)原理具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性，不僅能夠?qū)⒖諝庵械某煞譁?zhǔn)確監(jiān)測(cè)出來，并且該監(jiān)測(cè)手段長(zhǎng)期有效。值得注意的是，將紅外吸收光譜法應(yīng)用在環(huán)境監(jiān)測(cè)中需要在低電壓的條件下展開，其自身?yè)碛休^強(qiáng)的防爆性能，該方式非常適合應(yīng)用在林場(chǎng)、礦井等爆炸事故發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)高的地區(qū)，不僅能夠有效保護(hù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，方便技術(shù)人員準(zhǔn)確分析出爆炸之前的空氣成分情況，還能在此基礎(chǔ)上制定有效的解決方案。另外，該檢測(cè)技術(shù)自身?yè)碛休^高的穩(wěn)定性，并且不容易受到空氣內(nèi)廣泛存在信號(hào)（如電磁波）的影響，因此逐漸在大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)中得到推廣[5]。

2.5 發(fā)射光譜法在環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用分析

當(dāng)前環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域中比較常見的發(fā)射光譜法有兩種，一是等離子體發(fā)射光譜法。等離子發(fā)射光譜法是電感耦合等離子發(fā)射光譜法的簡(jiǎn)稱，將其應(yīng)用在環(huán)境監(jiān)測(cè)中的原理為，將待測(cè)樣品通過樣品器送至霧化器內(nèi)，然后伴隨著氬氣逐步進(jìn)入至等離子體火炬內(nèi)，如此樣品組分便會(huì)形成等離子體混合氣體，組成成分包含離子、原子以及電子，最后再經(jīng)發(fā)射出特征光實(shí)現(xiàn)釋放能量的目的。不同原色的等離子體其發(fā)射的特征光也不盡相同，如此一來便可以根據(jù)特征光的波長(zhǎng)明確待測(cè)樣品內(nèi)的元素，待測(cè)樣品內(nèi)某些元素的濃度與其特征光強(qiáng)度二者為正相關(guān)，可見結(jié)合特征光的強(qiáng)度便可以檢測(cè)出該元素的準(zhǔn)確含量[6]。發(fā)射光譜法在環(huán)境監(jiān)測(cè)中主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：第一，應(yīng)用在大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)中?？梢岳冒l(fā)射光譜法對(duì)大氣沉降樣品中的鉻元素、汞元素、鎘元素、砷元素、鎳元素、鉛元素、銅元素、鋅元素、錳元素、鈷元素等進(jìn)行監(jiān)測(cè)，然后將不同元素的沉降通量與富集因子準(zhǔn)確地計(jì)算出來，通過監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，汞元素、鎘元素、砷元素、鉻元素、鎳元素和鉛元素這六種元素的沉降通量較低，而來源于人為污染的污染源鋅元素、鉛元素、砷元素、鎘元素四種元素具有極強(qiáng)的富集特征，最終得出土壤中的鋅元素與鎘元素的積累與大氣沉降存在明顯的相關(guān)性；第二，發(fā)射光譜法在水環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用，例如：將發(fā)射光譜法應(yīng)用于某河流表層水體中銅元素、砷元素、鋅元素、鉻元素、鉛元素和鎘元素這六種重金屬元素的測(cè)定，結(jié)果表明該河流表層水體遭受到上述重金屬的污染，其中以砷、鉛、鋅的污染最為嚴(yán)重，屬于Ⅲ水質(zhì)，而銅與鉻元素的污染輕微，屬于Ⅱ類水質(zhì)，在上述重金屬中，污染最輕的為鎘，屬于I類水質(zhì)。并得出隨著季節(jié)的不斷變遷以及空間的不斷改變，該河流表層水體中重金屬的含量也發(fā)生了顯著的改變；第三，發(fā)射光譜法在土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用。例如：可以將發(fā)射光譜法應(yīng)用在不同種植年限的大棚菜田中砷元素、鉛元素、鋅元素、鎘元素、鉻元素、錳元素、鎳元素、銅元素共計(jì)八種重金屬元素含量的監(jiān)測(cè)中，結(jié)果得出，其中砷元素、鉛元素、鋅元素、錳元素、鎳元素、銅元素與田塊的種植年限存在顯著相關(guān)性，而鎘元素和鉻元素的含量與田塊的種植年限無相關(guān)性[7]。

2.6 氣相分子吸收光譜法在環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

該檢測(cè)技術(shù)的工作原理主要是通過化學(xué)反應(yīng)的形式把樣品內(nèi)的某些待測(cè)物質(zhì)轉(zhuǎn)變成氣態(tài)，然后對(duì)氣態(tài)物質(zhì)的吸光度進(jìn)行測(cè)量，再根據(jù)朗伯比爾定律定量分析待測(cè)組分。所以將該技術(shù)應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測(cè)中不會(huì)受到樣品基質(zhì)的影響，并且無需實(shí)施前處理，可以直接進(jìn)樣，從而減少了前處理環(huán)節(jié)對(duì)檢測(cè)結(jié)果產(chǎn)生的影響。再加上氣相分子吸收光譜法應(yīng)用的氣相分子吸收光譜儀自身存在自動(dòng)稀釋的功能，即便在檢測(cè)中途也可以完成加樣，從而減少了分析的時(shí)間。當(dāng)前氣相分子吸收光譜法主要被應(yīng)用在含氮無機(jī)物、總氮、硫化物、凱氏氮等測(cè)量中，并且也是國(guó)家推出的標(biāo)準(zhǔn)監(jiān)測(cè)方法。隨著環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)的不斷發(fā)展，氣相分子吸收光譜法的應(yīng)用愈發(fā)廣泛，已經(jīng)被應(yīng)用在高錳酸鹽指數(shù)的測(cè)定中，在環(huán)境監(jiān)測(cè)中占據(jù)重要地位[8]。

3 結(jié)論

綜上所述，伴隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，社會(huì)各界也意識(shí)到環(huán)境保護(hù)的重要性，并且政府部門也明確將生態(tài)文明建設(shè)納入政府工作報(bào)告內(nèi)。而環(huán)境監(jiān)測(cè)作為生態(tài)文明建設(shè)的重要組成部分，也是提高環(huán)境建設(shè)質(zhì)量的重要前提。伴隨著環(huán)境監(jiān)測(cè)工作范圍的不斷增加，對(duì)環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)也提出了更高的要求，因此相關(guān)部門應(yīng)當(dāng)與時(shí)俱進(jìn)，結(jié)合環(huán)境監(jiān)測(cè)的需求積極應(yīng)用光學(xué)光譜分析法中的新技術(shù)，提高環(huán)境監(jiān)測(cè)的效率與準(zhǔn)確性，從而為有效實(shí)施環(huán)境管理，提出正確的決策性意見提供基礎(chǔ)依據(jù)，有效緩解人與自然的矛盾，提升社會(huì)整體生態(tài)效益。