傅院霞，王少武，徐 麗，葛立新，許永紅，程榮龍

（蚌埠學院 數(shù)學與物理系，安徽 蚌埠 233030）

隨著現(xiàn)代科技的不斷更新與物質(zhì)生活的高度發(fā)達，環(huán)境污染物的排放量日益增多，人們在享受著豐富物質(zhì)生活的同時，也受到了環(huán)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(tǒng)的檢測方法（如化學法），由于用時長、花費高、操作復(fù)雜，需要各個部門相互協(xié)作，甚至在檢測時都可能會產(chǎn)生環(huán)境污染物，越來越受到抵制.而光學測量方法在環(huán)境檢測方面，更能有效地避免這些弊端的產(chǎn)生.

在環(huán)境中，對于水質(zhì)，有關(guān)部門主要通過對水質(zhì)采樣、化驗、分析的方法實現(xiàn)對水質(zhì)的監(jiān)控.對于水體富營養(yǎng)化的這種情況，有關(guān)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(chǎn)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(xiàn)對空氣的檢測，所以在環(huán)境監(jiān)測中用處并不大.這時人們聯(lián)想到，也可以通過光的其他特性來實現(xiàn)對環(huán)境的實時的監(jiān)控.而光電檢測技術(shù)（如外光譜法，激光光譜法等），人們可以直接檢測環(huán)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(chǎn)生附加污染物，且在環(huán)境監(jiān)測中實用性很強.光電檢測技術(shù)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(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用

在現(xiàn)實生活中，我們最易受到水污染帶來的侵害，水體富營養(yǎng)化一直是我們關(guān)注的重大問題，而光學顯微鏡在這方面的檢測應(yīng)用極其廣泛.環(huán)境保護部門在水污染地需要將水質(zhì)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(zhì)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(chǎn)者，繁殖速度很快.水體富營養(yǎng)化會促進其繁殖能力，從而影響水質(zhì)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(zhì)進行觀察監(jiān)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(yǎng)化.

1.3 特殊物質(zhì)檢測

石棉纖維被動物體吸入肺部后，容易沉著在肺泡內(nèi)，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(fù)蘇狀況.

二噁英(Dioxin），是某些有害物燃燒后產(chǎn)生的脂溶性物質(zhì)，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與二噁英的復(fù)合毒性效應(yīng)是生物學中的一種檢測方法.環(huán)境監(jiān)測部門也利用這種方法對環(huán)境中的石棉塵（石棉纖維）進行監(jiān)測.

在受污染的水體中，培養(yǎng)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(jiān)測受精卵的孵出率，并觀察胚胎發(fā)育過程中畸形胎所占比重.

1.4 環(huán)境毒性測試

根據(jù)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(yǎng)藻類，用光學顯微鏡觀察，監(jiān)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(zhì)[3].

2 光學分析方法在水質(zhì)檢測領(lǐng)域的應(yīng)用

物質(zhì)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(zhì)的光譜特性，光學分析方法就是在此研究基礎(chǔ)上找到的一種測量方法[4].反應(yīng)靈敏度高，檢測速度快的優(yōu)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(tǒng)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(guān)的儀器設(shè)備.近幾十年來，光學分析方法隨著科技的腳步，在水質(zhì)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(zhì)與物質(zhì)之間的化學反應(yīng)，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(zhì)濃度的方法[6].比色分析法主要用于水質(zhì)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(jù)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(yīng)的基礎(chǔ)上，因此對溶液離子的化學性質(zhì)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(yīng)的單色光源進行檢測，還可以使用與高速計算機聯(lián)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(yīng)，比色分析法可被廣泛地應(yīng)用在水質(zhì)監(jiān)測方面以及測定受污染水質(zhì)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(qū)進行檢測.有機分子在紫外光譜區(qū)的吸收較強（其實就是高能量脈沖殺死了有機活性物質(zhì)），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(jīng)過多年探索研究后，發(fā)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(chǔ)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(qū)所有有機污染物.

2.3 間接測定法

水質(zhì)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(zhì)本身就發(fā)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(fā)射光波長與物質(zhì)的吸收光波長一致.激光光源由于其得天獨厚的優(yōu)點（單色性好、能量集中），受到了研究人員的高度關(guān)注，激光誘導熒光技術(shù)就是采用激光作為光源的熒光檢測技術(shù).目前，激光光源在直接測定法中幾乎已經(jīng)取代了傳統(tǒng)光源的檢測地位.

3 光電檢測技術(shù)在環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用

雖然光學顯微鏡在水體污染的監(jiān)測中可謂嶄露頭角，但在空氣污染物的監(jiān)測中卻顯得捉襟見肘.空氣污染物通常指以氣態(tài)形式進入大氣層來物質(zhì)（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(tài)系統(tǒng)具有很不好的效應(yīng)，例如酸雨，霧霾等等.隨著光學的發(fā)展，光電檢測技術(shù)逐步應(yīng)用到現(xiàn)實生活中，尤其在環(huán)境監(jiān)測中，以其獨特的優(yōu)勢獲得了人們的青睞.

3.1 光電檢測技術(shù)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(zhuǎn)換成光信息，再通過A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成電信號，再綜合利用信息傳輸技術(shù)和計算機編程處理技術(shù)，完成信息獲取.當光照射到物體表面時，使物體發(fā)射電子、或電導率發(fā)生變化、或產(chǎn)生光電動勢等.這種因光照而引起物體特性發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為光電效應(yīng)光電檢測系統(tǒng)以激光、紅外、光纖等現(xiàn)代光電器件為基礎(chǔ)，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(zhuǎn)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(jīng)過A/D轉(zhuǎn)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(tǒng)）.

圖1 光電檢測系統(tǒng)

3.2 光電檢測系統(tǒng)在環(huán)境檢測中的應(yīng)用

光與物質(zhì)的相互作用，改變了物質(zhì)的某些物理特性.利用這種特性，制作的光電檢測系統(tǒng)可以分為兩大類：使用能覆蓋寬光譜區(qū)的寬帶光源的監(jiān)測系統(tǒng)；使用激光或窄光譜光源，因而只能覆蓋窄光譜區(qū)的監(jiān)測系統(tǒng)[8-9].在寬帶監(jiān)測系統(tǒng)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(tǒng))測系統(tǒng)可同時監(jiān)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(nèi)的，寬帶監(jiān)測系統(tǒng)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(fù)雜混合物中直接區(qū)分開來”.但是，當寬帶監(jiān)測系統(tǒng)的分辨率低于欲觀察的光譜線中的精細結(jié)構(gòu)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(jiān)測系統(tǒng)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(jiān)測系統(tǒng)發(fā)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(jiān)測系統(tǒng)發(fā)出的激光波長是單色的，掃描波段被限制在極窄的范圍內(nèi)，一般情況下只能對應(yīng)的檢測出一種化合物.若檢測的是混合物，則需要另加對應(yīng)的監(jiān)測裝置.在目前的環(huán)境監(jiān)測中，寬帶監(jiān)測系統(tǒng)和激光監(jiān)測系統(tǒng)，這兩種類型的監(jiān)測裝置都有其應(yīng)用.例如，F(xiàn)TIR監(jiān)測系統(tǒng)，它可提供對企業(yè)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(xù)實時監(jiān)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(jiān)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(jiān)測系統(tǒng)就成為了理想的監(jiān)測系統(tǒng).激光雷達像其它激光監(jiān)測系統(tǒng)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(shù)的檢測系統(tǒng)，因此，探索污染物的發(fā)源地，激光雷達系統(tǒng)是最好的檢測系統(tǒng).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(tǒng)進行計算機模擬繪圖.使用激光雷達系統(tǒng)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(tǒng)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(jù)光的反射定律，光源發(fā)射的光波經(jīng)過某些物質(zhì)后，經(jīng)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(shù).調(diào)取吸收光譜數(shù)據(jù)庫中已知數(shù)據(jù)，與吸收光譜數(shù)據(jù)相比較，從而分析物質(zhì)中存在的化合物種類.

LASAIR系統(tǒng)是激光技術(shù)與計算機技術(shù)相結(jié)合的高新技術(shù)[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(diào)二極管激光吸收光譜分析儀發(fā)射出的激光光波長，足以滿足吸收峰在中紅外區(qū)（3—20um的范圍內(nèi)）的物質(zhì)檢測，適合大多數(shù)的工業(yè)環(huán)境監(jiān)測.可調(diào)二極管激光吸收光譜儀，已在全球范圍內(nèi)有毒有害氣體的檢測上發(fā)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(fā)射對應(yīng)吸收峰值波長的激光光源.

4 結(jié)束語

隨著時代而發(fā)展的光纖通訊和光電子信息技術(shù)被應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測中，尤其是具有體積小、壽命長和光電轉(zhuǎn)換效率高的近紅外二極管激光器[13-14]，目前已經(jīng)迅速商品化，成為了檢測空氣污染物質(zhì)的最合適光源.而調(diào)諧二極管激光吸收技術(shù)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(zhì)分子的吸收能力遠遠高于物質(zhì)分子對光的散射能力，我們可以忽略掉物質(zhì)分子散射的這一衰弱影響.經(jīng)過近30年的發(fā)展，調(diào)諧二極管激光吸收技術(shù)日益成熟，被廣泛的應(yīng)用在空氣污染物質(zhì)的檢測和監(jiān)測中.隨著光譜學分析技術(shù)和激光技術(shù)的完美結(jié)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(shù)在環(huán)境監(jiān)測方面的應(yīng)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(tǒng)光源的地位[15].研究結(jié)果表明，紅外半導體激光器的發(fā)射波長與很多環(huán)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(yōu)點，也為制作高質(zhì)量，高水準的氣體檢測儀打下了堅實重要的基礎(chǔ).根據(jù)其對環(huán)境的抗干擾能力強，經(jīng)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(yè)生產(chǎn)過程中檢測污染氣體方面.

從光學顯微鏡早期在環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用（主要在水質(zhì)檢測方面），到后來應(yīng)用光學分析方法監(jiān)測環(huán)境，直到現(xiàn)在人們又通過光的其他特性發(fā)明了各式各樣的監(jiān)測儀器，如：激光監(jiān)測儀（DOAS系統(tǒng)），傅里葉變換紅外干涉儀（FTIR監(jiān)測系統(tǒng)）.可以說，光學測量方法是隨著光學的發(fā)展而發(fā)展變化的.隨著量子力學的發(fā)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(zhì)的假設(shè).人們相信，現(xiàn)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(fā)展而日新月異.

〔1〕劉楚明.光學的發(fā)展史，應(yīng)用與展望[J].科技創(chuàng)業(yè)家，2014，43(09)：700-721.

〔2〕水源守護者.光學顯微鏡在環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用[EB/OL].(2010-7-23)[2015-4-1].http：//bbs.Instrument.com.cn/shtm l/20100723/2679312/.

〔3〕劉允，解鑫.水體生物毒性檢測技術(shù)研究進展綜述[J].凈水技術(shù)，2013，32(5)：5-10.

〔4〕李震，張金松，胡泓，宛如意.水質(zhì)檢測中的光學分析方法[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)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.

〔7〕陳國珍.熒光分析法[M].北京:科學出版社,1975(02)：236-245.

〔8〕李紅.國外新型環(huán)境監(jiān)測光學技術(shù)的發(fā)展趨勢[J].現(xiàn)代科學儀器，2000，11(02)：356-402.

〔9〕耿玉珍.工業(yè)中的光學環(huán)境檢測技術(shù)[J].光電子技術(shù)與信息，1995，8(03)：34-39.

〔10〕美國熱電子公司.DOAS2000儀表說明書[Z].美國，1995.

〔11〕Schiff，H.I.MacKay，G.I.and Bechara.The use of tunable diode laser spectroscopy for atmospheric measurements[J].Air monitoring by spect roscopic techniques，1994，5：239-333.

〔12〕Unisearch Associates Inc.Stack measurements of Hydrogen fluoride using the LASAIR instrument[R].America，1994，6：123-159.

〔13〕石媛,陳憲偉.環(huán)境監(jiān)測技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢研究[J].科技與業(yè),2012，32(24)：162-165.

〔14〕涂興華.基于調(diào)諧二極管激光吸收光譜技術(shù)技術(shù)隊機動車尾氣CO和CO2遙測研究 [D].中國科學院：安徽光學機密機械研究所，2005.

〔15〕李建民.環(huán)境監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢深析[J].綠色科技，2013，14(4):192-193.