圖1.用于環(huán)境監(jiān)測的光譜學(xué)方法。

先進(jìn)的光學(xué)光譜學(xué)方法在應(yīng)對有效監(jiān)測環(huán)境污染的挑戰(zhàn)方面獲得了廣泛的應(yīng)用。

在過去的一個世紀(jì)里，世界人口大幅增長，導(dǎo)致工業(yè)生產(chǎn)設(shè)施大量增加。向環(huán)境排放污染物氣體是大規(guī)模生產(chǎn)的負(fù)面副產(chǎn)品之一。

污染物對環(huán)境的影響

空氣和水中的微粒物質(zhì)，包括灰塵、污垢和花粉顆粒，以及有害氣體混合物，都是環(huán)境中的污染物。甲烷(CH4)、二氧化氮(NO2)、一氧化碳(CO)和二氧化碳(CO2)是危險氣體的幾個例子。

燃燒活動是有毒氣體的通常來源。1 燃燒過程的例子包括木材、石油、煤炭、木炭、天然氣和其他化石燃料的燃燒。

接觸過量的空氣污染可能會對健康造成不良影響，如肺癌、心臟病和呼吸道感染。

全球變暖與二氧化碳等溫室氣體的排放有關(guān)。二氧化碳會吸收太陽和其他來源的紅外線輻射，然后再向各個方向發(fā)射。雖然其中一部分能量被輻射到太空中，但大部分能量又被聚焦到地球上，導(dǎo)致二氧化碳在地球上產(chǎn)生時熱量滯留增加。

用于環(huán)境監(jiān)測的光學(xué)光譜學(xué)

光學(xué)光譜學(xué)被廣泛地描述為光與物質(zhì)的相互作用，是一種強(qiáng)大的方法，能夠在光的作用下揭示樣品的大量信息。

光學(xué)光譜技術(shù)的不斷進(jìn)步改進(jìn)了光學(xué)光譜的應(yīng)用方式。根據(jù)樣品的原子特性、紋理特征和散射方式等特征，可以獲得有關(guān)樣品的信息。

一些基本的光學(xué)光譜分析方法包括：

反射

在反射光譜法中，一個發(fā)射和收集光的探頭對準(zhǔn)樣品。該反射探針將光射向樣品，并將反向反射光收集到光譜儀中。在氣體混合物中，可以監(jiān)測未被吸收但可以反射的光。

熒光/發(fā)射

在熒光或發(fā)射光譜學(xué)中，當(dāng)特定頻率的光子被吸收時，入射到樣品上的光會激發(fā)原子2 。光譜儀收集熒光，并對其進(jìn)行分析，以確定樣品中的分子。

拉曼光譜

拉曼光譜是科學(xué)家識別任意分子結(jié)構(gòu)的最強(qiáng)大的非侵入式工具之一。拉曼效應(yīng)是由未來的諾貝爾獎獲得者錢德拉塞卡拉-文卡塔-拉曼爵士于 1928 年在印度發(fā)現(xiàn)的。

在拉曼技術(shù)中，分子上的入射光會發(fā)生散射。大部分散射光的波長與光源相同，不能提供任何有意義的信息。

然而，根據(jù)分子的化學(xué)構(gòu)成，少量的光會以不同的波長散射。這種波長變化被稱為拉曼偏移，可用于獲取有關(guān)分子的寶貴信息。

吸收/透射

進(jìn)入樣品的光也可以被不同波長的光吸收，而其余的光則透過樣品。從這種裝置中收集到的數(shù)據(jù)可幫助我們深入了解樣品中存在的分子。

光學(xué)光譜學(xué)的進(jìn)步

許多研究工作都集中在提高基本光譜技術(shù)的性能上。根據(jù)所研究物質(zhì)的類型和所處的環(huán)境條件，會采用不同的方法。

例如，表面增強(qiáng)拉曼光譜(SERS)是一種拉曼散射方法，它在粗糙的納米結(jié)構(gòu)表面引入納米粒子，以增強(qiáng)檢測到的信號。

紫外光譜法和激光誘導(dǎo)熒光法(LIF)是在特定波長范圍內(nèi)精心選擇入射光源的方法。這種方法縮小了研究的目標(biāo)物種范圍。

其他技術(shù)，如激光誘導(dǎo)擊穿光譜(LIBS)，是分揀回收材料的重要工具。使用可調(diào)諧激光而非白光光源可進(jìn)一步提高測量精度。

傅立葉變換紅外光譜法(FTIR)是另一種對有機(jī)物、聚合物，有時也包括無機(jī)物進(jìn)行分類的分析方法。傅立葉變換紅外分析程序使用紅外光掃描測試材料并觀察化學(xué)特征。

由歐洲航天局委托研制的哨兵系列衛(wèi)星用于從太空監(jiān)測地球大氣層中的氣體排放4 。

未來展望

在全球努力實(shí)現(xiàn)碳凈零排放和環(huán)境可持續(xù)發(fā)展，同時為不斷增長的人口提供食物的過程中，光學(xué)光譜技術(shù)已成為一種重要的監(jiān)測工具。

無論是在儀器還是光譜分析方面，光譜學(xué)領(lǐng)域的研發(fā)工作都在不斷推進(jìn)。光源、樣品制備方法和探測器方面的新技術(shù)推動著儀器的不斷進(jìn)步。

與此同時，捕捉越來越詳細(xì)的空間和時間信息的必要性也凸顯了新型光譜分析策略日益重要的意義。

審核編輯 黃宇