封面文章| 劉文清，陳臻懿，劉建國，謝品華，張?zhí)焓?，趙南京，司福祺，胡仁志，殷高方. 

環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域中光譜學(xué)技術(shù)進(jìn)展[J]. 光學(xué)學(xué)報,2020,40(5):0500001

（創(chuàng)刊四十周年特邀綜述）

  環(huán)境的變化影響著現(xiàn)在和未來的世界，一直是國際科學(xué)前沿關(guān)注的熱點，環(huán)境問題的解決離不開先進(jìn)的監(jiān)測技術(shù)和手段。目前，環(huán)境監(jiān)測技術(shù)由局部監(jiān)測、地面監(jiān)測開始向全方位遙測相結(jié)合的方向發(fā)展，環(huán)境監(jiān)測手段向物理、化學(xué)、光學(xué)、電子等技術(shù)綜合應(yīng)用的高技術(shù)領(lǐng)域發(fā)展。

  環(huán)境光譜技術(shù)基于光譜學(xué)原理，通過研究光與環(huán)境物質(zhì)的相互作用，可大范圍快速監(jiān)測環(huán)境污染物，具有非接觸測量、靈敏度高、適用范圍廣等優(yōu)點，是國際上環(huán)境監(jiān)測技術(shù)的主要發(fā)展方向之一。

  中國科學(xué)院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所（簡稱：中科院安光所）利用光學(xué)中的吸收光譜、發(fā)射光譜、光的散射以及大氣輻射傳輸?shù)确椒ǎ氏乳_展光學(xué)與環(huán)境交叉科學(xué)的創(chuàng)新研究。目前已形成了以差分光學(xué)吸收光譜（DOAS）技術(shù)、傅里葉變換紅外光譜（FTIR）技術(shù)、可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜（TDLAS）技術(shù)、激光雷達(dá)（LIDAR）技術(shù)、熒光光譜技術(shù)、激光誘導(dǎo)擊穿光譜（LIBS）技術(shù)、光腔衰蕩光譜技術(shù)（CRDS）、光散射測量技術(shù)、光聲光譜技術(shù)等為主體的環(huán)境光學(xué)監(jiān)測技術(shù)體系。實現(xiàn)了對環(huán)境痕量成分/多要素的現(xiàn)場快速探測與多維度多平臺監(jiān)測，已成功應(yīng)用于大氣、水源及土壤等的監(jiān)測。

一、大氣環(huán)境光譜技術(shù)

1. 痕量氣體

  大氣中的痕量氣體雖體積濃度?。ú坏饺f分之一），但能對全球大氣環(huán)境及生態(tài)產(chǎn)生重大的影響，例如溫室效應(yīng)、光化學(xué)煙霧、臭氧層破壞等。

  通過建立特征因子指紋光譜數(shù)據(jù)庫和定量解析算法，獲取痕量氣體的特性，可用于空氣質(zhì)量、固定和流動污染源自動監(jiān)測。圖1為部分痕量氣體在紫外—可見波段的吸收光譜。

  在常規(guī)痕量氣體監(jiān)測方面，主要利用各種光學(xué)技術(shù)路線：

  針對SO2、NO2、O3及THC、CH4等污染物，DOAS技術(shù)利用氣體分子的吸收特性來鑒別成分，并根據(jù)窄帶吸收強(qiáng)度反演出微量氣體的濃度；

  針對溫室氣體CO2，CRDS技術(shù)利用相對較窄的吸收窗口，避免其他組分干擾，實現(xiàn)較高精度檢測；

  針對CO，利用TDLAS技術(shù)的波長調(diào)諧特性，用單一窄帶的激光頻率掃描氣體分子的一條或者幾條氣體特征吸收線，實現(xiàn)CO的定性或定量分析；

  而對于揮發(fā)性有機(jī)物（VOCs），主要利用FTIR技術(shù)進(jìn)行監(jiān)測。大氣中大多數(shù)的微量、痕量氣體都是紅外活性氣體，在2~30 μm紅外波段范圍內(nèi)具有吸收和發(fā)射紅外特征光譜的能力，使得傅里葉變換紅外光譜在VOCs監(jiān)測中應(yīng)用前景非常廣闊。

  中科院安光所在上海、南京、合肥、北京等地利用MAX-DOAS痕量氣體監(jiān)測網(wǎng)進(jìn)行長期監(jiān)測，獲取了長三角地區(qū)NO2和HCHO時空分布特征；并在天津利用TDLAS遙測技術(shù)對工業(yè)園區(qū)危險氣體進(jìn)行立體場探測，并開展了單光路甲烷氣體檢測驗證。

2.自由基

  HOx（OH、HO2）自由基是大氣中最重要的氧化劑，對HOx自由基的準(zhǔn)確測量是研究對流層大氣氧化性的先決條件?？衫脷怏w擴(kuò)張激光誘導(dǎo)熒光（FAGE）技術(shù)對其進(jìn)行監(jiān)測：

  測量OH自由基時，308 nm激光將OH自由基激發(fā)至電子激發(fā)態(tài)，探測激發(fā)態(tài)OH自由基發(fā)出的熒光來確定大氣中OH自由基的濃度；

  測量HO2自由基時，需向轉(zhuǎn)換裝置中通入一定濃度的NO將HO2自由基轉(zhuǎn)化為OH自由基，再通過OH自由基的濃度而確定HO2由基的濃度。

  2018年中科院安光所在深圳開展HOx自由基外場觀測實驗，驗證了場測量的有效性，并同步測量臭氧的光解速率，有效獲取了OH和HO2自由基濃度序列。

3.顆粒物

  顆粒物在大氣中的垂直分布不均，且高空的垂直遷移會影響近地面的污染濃度，因此垂直結(jié)構(gòu)的觀測對于全面認(rèn)識大氣污染必不可少。米散射激光雷達(dá)系統(tǒng)利用氣溶膠的后向米散射回波信號來探測氣溶膠光學(xué)特性如后向散射系數(shù)/消光系數(shù)的時空分布，可實現(xiàn)對顆粒物的垂直分布探測。

  中科院安光所利用地基激光雷達(dá)、MAX-DOAS觀測網(wǎng)和衛(wèi)星遙感構(gòu)成天地空一體化立體綜合觀測系統(tǒng)，在北京等區(qū)域分析了顆粒物在大氣污染發(fā)生-演變-消散全過程中的時空演變。

二、水環(huán)境光譜技術(shù)

  水體中多數(shù)有機(jī)污染物屬于含熒光團(tuán)的大分子有機(jī)物，在適當(dāng)波長的激發(fā)光作用下會發(fā)射特征熒光光譜，據(jù)此可以利用LIBS技術(shù)實現(xiàn)對大面積水域的有機(jī)物污染狀況的遙測。

  遙測系統(tǒng)外場測量時，不論是特征熒光波段接收的光信號還是拉曼散射光波段接收的光信號中都包含有環(huán)境光信號，由于環(huán)境光信號的隨機(jī)變化特性，嚴(yán)重影響了拉曼信號和熒光信號，通常采用軟硬件結(jié)合的方式，即光電倍增管雙脈沖門控高壓控制技術(shù)，消除環(huán)境背景光對測量的影響。

  我國于2017年研發(fā)的首臺基于石墨自動富集和等離子體空間約束技術(shù)的水體重金屬在線監(jiān)測系統(tǒng)，對典型重金屬（Cd, Cr, Cu, Ni, Pb, Zn）的檢測限已達(dá)到幾個μg/L；2019年中科院安光所利用自行研制的海洋生物要素在線監(jiān)測儀，成功獲取了藻類群落結(jié)構(gòu)、葉綠素濃度等數(shù)據(jù)以及典型海域生物要素分布特征。

三、土壤光譜監(jiān)測技術(shù)

  對于土壤有機(jī)污染物，也可利用LIBS技術(shù)進(jìn)行監(jiān)測。該技術(shù)無需化學(xué)試劑及復(fù)雜的樣品預(yù)處理，可同時測量多種元素。

  原理是激光脈沖經(jīng)反射鏡轉(zhuǎn)折、透鏡組準(zhǔn)直后經(jīng)透鏡聚焦，作用在土壤樣品的表面，在樣品表面產(chǎn)生等離子體，等離子體輻射出能夠代表樣品元素組成的譜線，傳輸至光譜儀進(jìn)行分光，并由光譜儀內(nèi)部的感光元件完成光譜的檢測。光譜儀將光信號轉(zhuǎn)化成電信號，數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)可以根據(jù)特征譜線的強(qiáng)度與元素濃度之間的定量關(guān)系反演得到樣品中重金屬元素的濃度。

  目前中科院安光所已建立了土壤中常見石油烴類污染物的特征熒光譜線庫，通過提取一種石油烴污染物的多個特征峰，建立土壤中石油烴類污染物與其多波長熒光強(qiáng)度的多元線性定量模型，可實現(xiàn)熒光特征準(zhǔn)確提取。

  在實際運用中，通常將環(huán)境光譜和遙感技術(shù)結(jié)合應(yīng)用，如地基遙感監(jiān)測技術(shù)、機(jī)載遙感監(jiān)測技術(shù)及星載遙感監(jiān)測技術(shù)大氣環(huán)境光譜監(jiān)測技術(shù)。通過對系統(tǒng)性、區(qū)域性和復(fù)合性污染研究和多元信息融合，可以實現(xiàn)在線監(jiān)測環(huán)境復(fù)合污染物、三維立體和流動在線監(jiān)測，為構(gòu)建天、空、地一體化環(huán)境復(fù)合污染物觀測、研究、示范平臺奠定技術(shù)基礎(chǔ)，見圖2。

  隨著光學(xué)、電子、信息、生物等相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步，環(huán)境光譜技術(shù)正向以下幾個方向發(fā)展：

  （1）高精度高靈敏。在大氣復(fù)合污染形成過程監(jiān)測中，需進(jìn)一步提高檢測精度和靈敏度，使光學(xué)監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用于光化學(xué)反應(yīng)機(jī)理研究、工業(yè)過程控制、生產(chǎn)安全監(jiān)控。

  （2）多組分多平臺。隨著工業(yè)迅速發(fā)展，需要監(jiān)測的污染物種類快速增加、組分更加復(fù)雜，亟需發(fā)展大氣自由基、全組分有機(jī)物、重金屬、生物氣溶膠、水體細(xì)菌和其它有機(jī)污染物的檢測等。

  （3）智能化網(wǎng)絡(luò)化。發(fā)展多平臺、智能化、網(wǎng)絡(luò)化，且具有特異選擇性的環(huán)境監(jiān)測儀器，實時獲取環(huán)境多要素監(jiān)測數(shù)據(jù)，構(gòu)建智能管理決策平臺，使環(huán)境管理向精細(xì)化、精準(zhǔn)化轉(zhuǎn)變，實現(xiàn)主動預(yù)見、大數(shù)據(jù)科學(xué)決策。

課題組介紹

  中國科學(xué)院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所劉文清院士科研團(tuán)隊四十多年來，針對國家環(huán)境保護(hù)科技要求，開展光學(xué)與環(huán)境交叉科學(xué)的創(chuàng)新研究，建成了從紫外、可見到紅外全光譜波段，從地基、機(jī)載到星載多平臺的大氣環(huán)境綜合立體監(jiān)測技術(shù)系統(tǒng)并進(jìn)行應(yīng)用；發(fā)展了系列高靈敏環(huán)境監(jiān)測新方法、新技術(shù)，著力解決我國大氣污染、水體污染、土壤污染監(jiān)測的新一代多功能儀器產(chǎn)業(yè)化過程中關(guān)鍵工程技術(shù)和技術(shù)系統(tǒng)問題，為國家環(huán)境監(jiān)測提供先進(jìn)技術(shù)保證，是國家環(huán)境科技創(chuàng)新體系的重要組成部分。       

  科研團(tuán)隊主持承擔(dān)的科研項目有國家科技重大專項、國家重點研發(fā)計劃、國家科技支撐計劃、國家重大科學(xué)儀器設(shè)備開發(fā)專項、國家自然科學(xué)基金（重點、面上）、中科院重點部署項目等多項國家級和省部級項目，先后獲得國家科學(xué)技術(shù)進(jìn)步二等獎4項，省部級科學(xué)技術(shù)一等獎6項。

[1] 劉新,張婷,張剛,高光珍,蔡廷棟. 基于光聲光譜技術(shù)的CO氣體探測[J]. 中國激光, 2020, 47(1): 0111002

[2] 李志永,譚榮清,黃 偉,葉 慶,李 輝,韓高策. 傅里葉變換紅外光譜技術(shù)測量甲烷氣壓的實驗研究[J]. 中國激光, 2017, 44(3): 0301006

[3] 張子鵬,丁建麗,王敬哲. 基于諧波分析算法的干旱區(qū)綠洲土壤光譜特性研究[J]. 光學(xué)學(xué)報, 2019, 39(2): 0228003

[4] 李冠穩(wěn),高小紅,肖能文,肖云飛. 特征變量選擇和回歸方法相結(jié)合的土壤有機(jī)質(zhì)含量估算[J]. 光學(xué)學(xué)報, 2019, 39(9): 0930002

[5] 寧志強(qiáng),劉家祥,吳越,陶孟琪,方勇華. 基于改進(jìn)迭代多項式擬合的紅外光譜基線校正方法[J]. 激光與光電子學(xué)進(jìn)展, 2020, 57(3): 033001

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  《光學(xué)學(xué)報》是由中國科學(xué)技術(shù)協(xié)會主管、中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所和中國光學(xué)學(xué)會主辦、中國激光雜志社出版的學(xué)術(shù)類半月刊，創(chuàng)刊于1981年，反映中國光學(xué)科技的新概念、新成果、新進(jìn)展?！豆鈱W(xué)學(xué)報》被EI、CA、AJ、INSPEC、Scopus等數(shù)據(jù)庫收錄，多次獲得“百種中國杰出學(xué)術(shù)期刊”、“中國精品科技期刊”、“中國最具國際影響力期刊”、“華東地區(qū)優(yōu)秀期刊”等榮譽稱號。2018年入選全國百強(qiáng)報刊，是光學(xué)領(lǐng)域唯一入選的中文期刊；2019年入選“中國科技期刊卓越行動計劃”支持期刊。

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