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光學分析方法在水質檢測領域的應用

隨著現代科技的不斷更新與物質生活的高度發達,環境污染物的排放量日益增多,人們在享受著豐富物質生活的同時,也受到了環境污染帶來的沖擊,例如酸雨的侵害,霧霾天氣的影響,全球變暖導致的海平面上升等問題。傳統的檢測方法(如化學法),由于用時長、花費高、操作
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  隨著現代科技的不斷更新與物質生活的高度發達,環境污染物的排放量日益增多,人們在享受著豐富物質生活的同時,也受到了環境污染帶來的沖擊,例如酸雨的侵害,霧霾天氣的影響,全球變暖導致的海平面上升等問題。傳統的檢測方法(如化學法),由于用時長、花費高、操作復雜,需要各個部1物,越來越受到抵制。而光學測量方法在環境檢測方面,更能有效地避免這些弊端的產生。

  在環境中,對于水質,有關部門主要通過對水質采樣、化驗、分析的方法實現對水質的監控。對于水體富營養化的這種情況,有關部門通過光學顯微鏡直接對水體進行觀查即可。而對于重金屬污染過的水源,往往光學顯微鏡很難直接觀測出來,還要通過物理或化學的方法使重金屬沉積,沉淀或“染色”,才有可能觀察到。但是這種方法用時長,不利于及時了解水污染的情況,而且在使重金屬沉淀的方法中,有可能又會產生新的污染物,樣品處理又帶來了困難。由于光學顯微鏡很難實現對空氣的檢測,所以在環境監測中用處并不大。這時人們聯想到,也可以通過光的其他特性來實現對環境的實時的監控。而光電檢測技術(如外光譜法,激光光譜法等),人們可以直接檢測環境中的污染物,無需費時費力,既能實時地反映出污染物的量和濃度,又不會產生附加污染物,且在環境監測中實用性很強。

  光電檢測技術利用光的光譜特性,可以在受污染的水中使用,也可以在工廠的排氣煙囪中使用,甚至可以專一地檢測某種氣體,例如,甲烷氣體,二氧化碳氣體,含硫化合物氣體等[1].

  1 光學顯微鏡檢測方法在環境監測中的應用

  在現實生活中,我們最易受到水污染帶來的侵害,水體富營養化一直是我們關注的重大問題,而光學顯微鏡在這方面的檢測應用極其廣泛。環境保護部門在水污染地需要將水質進行抽樣、化驗、分析、觀察,這時就要用到光學顯微鏡[2].

  1.1 細菌、霉菌檢測

  水體細菌含量是人們辨別水質是否利于飲用的重要標準,如人們會對水中的大腸桿菌群檢測做一個革蘭氏染色鏡檢。

  1.2 生物群落檢測

  浮游植物是水域的初級生產者,繁殖速度很快。水體富營養化會促進其繁殖能力,從而影響水質的飲用安全。對浮游植物的檢測,離不開光學顯微鏡。光學顯微鏡直接對水質進行觀察監測,每過一段時間,鏡檢跟蹤浮游植物的群落狀況,以判斷水體是否富營養化。
  
  1.3 特殊物質檢測

  石棉纖維被動物體吸入肺部后,容易沉著在肺泡內,影響動物體的呼吸,對動物體的健康影響很大。在用光學顯微鏡檢測時,必須用高倍鏡才能觀察到石棉纖維,因此,對光學顯微鏡的分辨率要求比較高。為確定肝癌細胞的使用量,需要用光學顯微鏡鏡檢肝癌細胞的復蘇狀況。

  二惡英(Dioxin),是某些有害物燃燒后產生的脂溶性物質,不能被生物分解,具有很強的危害性。

  利用離體肝癌細胞的 EROD 與二惡英的復合毒性效應是生物學中的一種檢測方法。環境監測部門也利用這種方法對環境中的石棉塵(石棉纖維)進行監測。

  在受污染的水體中,培養魚(一般選擇生長速度快的青魚)的受精卵,在魚卵孵化過程中,使用光學顯微鏡監測受精卵的孵出率,并觀察胚胎發育過程中畸形胎所占比重。

  1.4 環境毒性測試

  根據所知的生物學,單細胞藻類有很強的繁殖能力。可以在水體中培養藻類,用光學顯微鏡觀察,監測藻類世代的生長情況和藻類種群的變化情況,判斷水體中是否存在急性的毒性物質[3].

  2 光學分析方法在水質檢測領域的應用

  物質在吸收光波后,會在某一波段有一個吸收峰,通過分析這個波段,就可以得出該物質的光譜特性,光學分析方法就是在此研究基礎上找到的一種測量方法[4].反應靈敏度高,檢測速度快的優點是人們在采用這種光學測量方法時首要的考慮因素。

  某些光學分析方法,人們往往既不需要像傳統檢測方法一樣去使用試劑,又不需要花費太多的精力去維護相關的儀器設備。近幾十年來,光學分析方法隨著科技的腳步,在水質檢測方面也跨上了一個新的臺階[5].

  2.1 比色分析法

  比色分析法是指利用物質與物質之間的化學反應,獲得深顏色的溶液后,通過比較前后溶液的顏色深淺度來測量所含物質濃度的方法[6].比色分析法主要用于水質中,有色重金屬離子的濃度檢測。但是,有些重金屬離子卻是無色的,例如一價銅離子溶液,這時可以根據其易被氧化的化學特性,將一價銅離子溶液氧化成藍色的二價銅離子溶液。

  比色分析法可分為目視比色分析法和光電比色分析法,兩種方法的測量原理均為朗伯-比爾(Lambert-Beer)定律。但是,目視比色分析法中,人的主觀判斷會影響未知量的測量,因此目視比色分析法準確度不高。而采用分光光度法的光電比色分析法,彌補了主觀判斷造成的失誤,未知量的準確度和靈敏度得到了提高。

  通過了解,可以看出,使用比色分析法時,必須建立在顯色反應的基礎上,因此對溶液離子的化學性質要求比較高。人們可以采取目測的手段,也可以采用與離子反射或吸收波長相對應的單色光源進行檢測,還可以使用與高速計算機聯接的攝像頭進行圖像綜合對比分析。 利用顯色劑的不同反應,比色分析法可被廣泛地應用在水質監測方面以及測定受污染水質中的各類污染物濃度。

  2.2 紫外光譜分析法

  紫外光具有波長短,能量大,透過力強的特點,利用這一特點,人們可以通過紫外光譜區進行檢測。有機分子在紫外光譜區的吸收較強(其實就是高能量脈沖殺死了有機活性物質),因此適用于檢測水體有機污染物。紫外光譜分析法,分為單波長法,經過多年探索研究后,發展為雙波長法,循序漸進到如今比較全面的全光譜法。對單波長法進行改進的雙波長法,在測量時,無需參比溶液即可消除混濁度的影響。全光譜法是在光譜分析儀的基礎上研究出的一種對待測溶液比較全面的檢測方法,包含了吸光度在全紫外光譜區所有有機污染物。

  2.3 間接測定法

  水質中,對重金屬離子的濃度還有一種間接檢測方法-熒光分析法[7].顧名思義,熒光分析法就是獲取重金屬離子的熒光圖像,再通過計算機編程處理,由此間接地測量出重金屬離子的濃度。在這一過程中,需要用到與重金屬離子相匹配的試劑。

  2.4 直接測定法

  直接測定法省去了間接測定法中匹配試劑的過程,檢測速度有所提高,但是卻要滿足物質本身就發射熒光(如葉綠素、水中有機物等)這一苛刻條件。不管是間接測定法還是直接測定法,都無法忽略光源的重要作用。尤其是在直接測定中,要求光源的發射光波長與物質的吸收光波長一致。激光光源由于其得天獨厚的優點(單色性好、能量集中),受到了研究人員的高度關注,激光誘導熒光技術就是采用激光作為光源的熒光檢測技術。目前,激光光源在直接測定法中幾乎已經取代了傳統光源的檢測地位。

  3 光電檢測技術在環境監測中的應用

  雖然光學顯微鏡在水體污染的監測中可謂嶄露頭角,但在空氣污染物的監測中卻顯得捉襟見肘。空氣污染物通常指以氣態形式進入大氣層來物質(主要是人為污染,例如含硫化合物,二氧化碳氣體等等),其對人體或生態系統具有很不好的效應,例如酸雨,霧霾等等。隨著光學的發展,光電檢測技術逐步應用到現實生活中,尤其在環境監測中,以其獨特的優勢獲得了人們的青睞。

  3.1 光電檢測技術的原理

  光電檢測是指利用各類光電傳感器,將被測量的物理信息轉換成光信息,再通過 A/D 轉換器轉換成電信號,再綜合利用信息傳輸技術和計算機編程處理技術,完成信息獲取。當光照射到物體表面時,使物體發射電子、或電導率發生變化、或產生光電動勢等。這種因光照而引起物體特性發生變化的現象稱為光電效應光電檢測系統以激光、紅外、光纖等現代光電器件為基礎,對載有待測物體信號的光信息進行處理,即通過光電檢測器件接收光信息并轉換為電信號。由輸入電路、放大濾波等電路提取待測物的信息,再經過 A/D 轉換器輸入計算機運算和處理,最后提取出待測物體的幾何量或物理量等所需信息(如圖 1 的光電檢測系統)。

  3.2 光電檢測系統在環境檢測中的應用

  光與物質的相互作用,改變了物質的某些物理特性。利用這種特性,制作的光電檢測系統可以分為兩大類:使用能覆蓋寬光譜區的寬帶光源的監測系統;使用激光或窄光譜光源,因而只能覆蓋窄光譜區的監測系統[8-9].在寬帶監測系統中,傅里葉變換紅外干涉儀(FTIR)或紫外差分光學吸收光譜儀(Uv-DOAs,又名 DOAs 系統)測系統可同時監測未知混合物中的多種化合物。通常這些化合物是包含在寬譜帶內的,寬帶監測系統能“觀察到多種化合物的存在,但分辨率不高,不能將這些化合物從復雜混合物中直接區分開來”.但是,當寬帶監測系統的分辨率低于欲觀察的光譜線中的精細結構時,就不能觀察到真正的吸收峰,且會限制對氣體濃度值的檢測。

  激光監測系統由于分辨率高,掃描光譜范圍窄,所以檢測靈敏度相當高,但是激光監測系統發出的波長必須與被檢測化合物吸收譜線的光波長相匹配。由于激光監測系統發出的激光波長是單色的,掃描波段被限制在極窄的范圍內,一般情況下只能對應的檢測出一種化合物。 若檢測的是混合物,則需要另加對應的監測裝置。在目前的環境監測中,寬帶監測系統和激光監測系統,這兩種類型的監測裝置都有其應用。例如,FTIR 監測系統,它可提供對企業事故中泄漏出的某些有害化合物進行檢測。這時對所有的可能的有害化合物來說,檢測靈敏度就不如檢測范圍重要。但如果要連續實時監測從污染源(如煙囪向大氣層中排放污染物,汽車尾氣排放的污染氣體時)釋放出的有害氣體,則監測裝置抗其他化合物干擾的能力和高檢測靈敏度就是重要因素了,這時,激光監測系統就成為了理想的監測系統。 激光雷達像其它激光監測系統一樣,能檢測的樣品不多,但它具有空間分辨力,是迄今為止,唯一能提供空間信息技術的檢測系統,因此,探索污染物的發源地,激光雷達系統是最好的檢測系統。 諸如高空大氣層中臭氧的消耗情況,可以使用激光雷達系統進行計算機模擬繪圖。使用激光雷達系統提供大氣層中空氣分子成分分布的垂直剖面圖,可以對大氣傳輸和擴散過程有更透徹的了解。

  DOAS 系統可以測量多種化合物,如含氮化合物、甲醛、酚、苯、甲苯、二甲苯[10].它的工作原理是根據光的反射定律,光源發射的光波經過某些物質后,經吸收的光波與光源光波一起被反射鏡反射回來,利用計算機高速運算的能力分析光波的差異性,故而稱作差分光學吸收光譜技術。調取吸收光譜數據庫中已知數據,與吸收光譜數據相比較,從而分析物質中存在的化合物種類。

  LASAIR 系統是激光技術與計算機技術相結合的高新技術[11-12],利用激光的單色性和計算機的高速運算能力,提高了檢測效率。可調二極管激光吸收光譜分析儀發射出的激光光波長,足以滿足吸收峰在中紅外區(3-20um 的范圍內)的物質檢測,適合大多數的工業環境監測。可調二極管激光吸收光譜儀,已在全球范圍內有毒有害氣體的檢測上發揮了重要作用。LASAIR 能測量的氣體分子包括NOx、HF、HCI、HI、NH3、C2H2、COx、H2S、CH4.但是,由于每種氣體對光波的吸收峰值不盡相同,必須要使用發射對應吸收峰值波長的激光光源。

  4 結束語

  隨著時代而發展的光纖通訊和光電子信息技術被應用于環境監測中,尤其是具有體積小、壽命長和光電轉換效率高的近紅外二極管激光器[13-14],目前已經迅速商品化,成為了檢測空氣污染物質的最合適光源。而調諧二極管激光吸收技術利用分子的吸收光譜單一分立吸收線這一原理,可以采樣到被檢測氣體的每種光學信息。當激光通過被檢測氣體時,光電磁波會被吸收和散射而衰減。利用被測量物質分子的吸收能力遠遠高于物質分子對光的散射能力,我們可以忽略掉物質分子散射的這一衰弱影響。經過近 30 年的發展,調諧二極管激光吸收技術日益成熟,被廣泛的應用在空氣污染物質的檢測和監測中。隨著光譜學分析技術和激光技術的完美結合,特別是在近些年來,制作半導體材料和器件的工藝長足進步的情形下,激光光譜學分析技術在環境監測方面的應用越來越成熟。

  紅外半導體激光器可以在常溫下工作,取代了傳統光源的地位[15].研究結果表明,紅外半導體激光器的發射波長與很多環境污染氣體的吸收波長相同。由于紅外半導體激光器具有譜線窄、單頻、功率大、工作可靠的優點,也為制作高質量,高水準的氣體檢測儀打下了堅實重要的基礎。根據其對環境的抗干擾能力強,經常不需要標定,可直接安裝在管道上檢測等實用性的特點,被大量使用在工業生產過程中檢測污染氣體方面。

  從光學顯微鏡早期在環境監測中的應用(主要在水質檢測方面),到后來應用光學分析方法監測環境,直到現在人們又通過光的其他特性發明了各式各樣的監測儀器,如:激光監測儀(DOAS 系統),傅里葉變換紅外干涉儀(FTIR 監測系統)。可以說,光學測量方法是隨著光學的發展而發展變化的。隨著量子力學的發展,人們對光的認識不僅僅只是停留在了光譜層面上,而且也通過實驗驗證了人們對光的本質的假設。人們相信,現在我們所知的光學只是其冰山一角,光學測量方法也會隨著光學的發展而日新月異。

  參考文獻

  〔1〕劉楚明。光學的發展史,應用與展望[J].科技創業家,2014,43(09):700-721.
  〔2〕水源守護者。光學顯微鏡在環境監測中的應用[EB/OL]. (2010 -7 -23) [2015 -4 -1].
  〔3〕劉允,解鑫。水體生物毒性檢測技術研究進展綜述[J].凈水技術,2013,32(5):5-10.
  〔4〕李震,張金松,胡泓,宛如意。水質檢測中的光學分析方法[D].哈爾濱:哈爾濱工業大學深圳研究生院,2014.
  〔5〕楊開武。氣體濃度光學分析方法研究的進展[J].光譜學與光譜分析,2000,20(2):134-135.
  〔6〕沈繼忱,王雪晴。基于圖像比色法的有色溶液濃度檢測方法的研究[J].光學儀器,2008,30(2):9-12.

    論文來源參考: 轉載請注明來源。原文地址:http://www.gyxbg.com.cn/html/zhlw/20191016/8206932.html   

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