圖1. 差分光學吸收光譜系統圖示。
在眾多環保監測產品中，微型光纖光譜儀和光譜檢測手段以其快速、無損和無需過于復雜的樣品制備等特點得到了越來越多的關注。本文介紹了微型光纖光譜儀在大氣、煙氣和水質監測三個方面的應用。
工業現代化進程日益加快，人們的生活水平和生活質量要求不斷提高，與此同時，環境日趨惡化，人類對環境保護的關注也在不斷地提高。從1995年我國提出《環境保護十一五規劃》以來，國家對水、大氣、固體廢物、生態安全、農村污染防治、海洋、核與輻射環境安全等重點領域的環保工作做出了全面安排，也由此帶動了整個環保監測行業的新發展。在眾多環保監測產品中，微型光纖光譜儀和光譜檢測手段以其快速、無損和無須過于復雜的樣品制備等特點得到了越來越多的關注。目前在煙氣監測系統（CEMS）、大氣監測系統（AQMS）和水質監測儀器中被廣泛應用。本文將著重介紹微型光纖光譜儀在大氣、煙氣和水質監測三個方面的應用。
大氣和煙氣的監測
在氣體監測系統中，目前絕大部分產品的測量原理都基于氣體對特定光譜（紫外UV 200~400nm，可見光400~800nm和近紅外NIR 800nm~5μm）的吸收特性進行測量和分析。例如檢測HC、HCOH、CO、CO2、HCl、HF和H2O等氣體成分時，可以采用近紅外光譜；有些氣體采用紫外差分光譜的方法測量更為適用，如O3、Cl2、BTX等；對于目前污染檢測主要關注的 SO2、NOX、NH3等，兩種方法都適合。
大氣環境監測主要采用差分光學吸收光譜系統及多種激光雷達系統，即以連續寬光譜光源或激光作為探測光源，利用其在大氣中傳播時的選擇性吸收及光散射現象實現對氣體濃度的監測，如圖1。
對于差分光學吸收光譜系統而言，相比采用紅外光譜監測的方法，紫外差分吸收法的監測產品成本更低廉，因此紫外DOAS (Differential Optical Absorption Spectrometry)方法常被應用到大氣監測產品當中。DOAS方法，是指用高壓氙燈發出的強紫外-可見光作為光源，經過一段長距離傳輸后，由望遠鏡接收，通過光譜儀將光信號轉成電信號，以獲得經過大氣吸收后的光譜。由于不同的氣體在不同的波段對紫外光的吸收不同，根據Lambert-Beer定律：
其中， I0（l）是光源發出的起始光強，I（l）是經過吸收后的光強，s（l）是氣體的吸收截面，L是經過的光程長，C是測量氣體的濃度。再通過相應的算法，由計算機進行處理，就可以得出所檢測氣體的含量。具體可見公式2：
在這種大氣監測系統中，通常采用的光譜儀配置有2048像素CCD的微型光譜儀，測定波長范圍為200~500nm的光譜吸收特性。微型光譜儀集成了分光系統和探測器，可快速完成光譜采集，數據全部采集到計算機中，與存儲的相關氣體吸收特性進行比較，再由事先標定的數值進行線性化處理，從而測量出氣體含量,量程范圍可以從ppb級到百分比級。
圖2. SO2的紫外吸收峰。
對于煙氣監測而言，主要是針對SO2、HF、HCL、H2O、NH3、CO、CO2、NOX等有害氣體的煙氣監測，可針對具體煙氣監測目標選用相應的光譜監測手段。例如，SO2和NO的紫外吸收峰分別如圖2、圖3所示。
針對以上氣體就可以采用紫外DOAS法來進行吸光度的分析。采用具有一定波長范圍寬度的紫外光經透鏡折射聚焦進入煙道，穿透煙氣再經煙道對面反射鏡反射回來，最終經由光纖進入微型光譜儀（200~480nm光譜范圍），得到吸光度檢測值，并最終得到煙氣檢測數據。由于微型光譜儀快速全譜采集的優點，在幾毫秒內就可得到所要采集的信息。微型光譜儀還可以應用于汽車尾氣檢測系統當中，海洋光學在汽車尾氣檢測車的OEM方面也有成功案例。
水質監測
水質監測當中，微型光譜儀在在線的葉綠素熒光監測和紫外-可見吸收光譜水質分析等方法的檢測中得到日益廣泛的應用。通過微型熒光光譜儀可針對葉綠素熒光進行檢測，從而反映水體含氧量等，監測赤潮現象。紫外-可見吸收水質分析法是通過建立紫外-可見吸收光譜數據與水質參數之間的相關關系和數學模型，并在此基礎上根據被測水樣的紫外-可見吸收光譜數據分析結果而定量地得到相應的水質參數數值的一種方法。
圖3. NO的紫外吸收峰。
水體中不同的水質參數和組分所對應的吸收光譜區間不同，例如硝酸鹽、亞硝酸鹽的吸收光譜區間在200~250nm，低分子化合物、芳香族化合物、蛋白質、有機溶劑等的光譜區間在250~290nm，濁度、總溶解固體區間為380nm，因此采用可探測波段范圍在200~700nm之間的紫外-可見光譜儀進行吸光度檢測來代替單波長吸光度檢測，可清晰地反映出水體中多種物質的分布。傳統檢測器采用光電倍增管配合單波長掃描機制，體積大、測量時間長、不能適應瞬態過程分析。相對而言，微型光纖光譜儀則能瞬態采集全譜，可實現連續、實時的水質在線監測，更加適用于野外和在線測量。同時，采用微型光譜儀的輻照度測量功能，可在海洋浮標系統上，通過測量海水表面上行光譜輻照度和下行光譜輻照度來實現針對海水近表層弱光輻射的光譜分析。
小結
微型光纖光譜儀體積小巧、操作簡單、使用方便、可實時原位測量，這些優點使其在在線環境監測領域得到了廣泛應用，高端快速的環境監測系統正從實驗室檢測向更加實時、瞬態的野外在線檢測方向發展，相信我們賴以生存的環境會因我們人類的智慧而得到更為悉心的保護，期待新的技術革命能為我們創造更美好的未來。
