拉曼光譜在水質分析中的應用進展

韓楓　張佩　崔晨　王威　魏磊

（河南省水文水資源局，河南鄭州 450003）

拉曼光譜在水質分析中的應用進展

韓楓張佩崔晨王威魏磊*

（河南省水文水資源局，河南鄭州 450003）

隨著全球對環境治理問題重視程度的不斷加深，有關環境治理的各項技術手段也逐步浮出水面，將拉曼光譜理論應用于水質分析中，能夠起到快速測定水質污染成分的作用，為更好地檢測水質與改善水質環境帶來強有力的技術支撐。本文就拉曼光譜及其在水質分析中的實際應用進行闡釋，并從長期以來的研究資料與實踐經驗中，總結水質分析中應用拉曼光譜的優勢及其進展狀況，同時，探索其未來的發展前景，以期為水質分析領域研究及實踐提供有益的借鑒。

拉曼光譜 水質分析 應用 進展

現階段，在世界范圍內，近乎有一半以上的飲用水源不合乎引用標準，據統計，至少有大約十二億的人口沒有辦法得到干凈的飲用水，同時，始終存在缺乏對安全的引用水進行衛生檢驗管理的問題，這對于世界人口的引用水需求的滿足造成障礙［1］。從既往的研究資料中可以看到，水污染的問題極為嚴峻，人類所發生的疾病近八成以上的誘因都是由于引水不合格。由此可見，水質分析研究以及環境保護等問題較為嚴峻，采取有效的水質分析策略及處理方案來解決水質問題已然迫在眉睫。其中，將拉曼光譜理論應用于水質分析領域具備一定的科學性。

1　拉曼光譜理論研究及其實效性分析

近年來，隨著工業生產等領域的快速發展，全球范圍內的環境污染問題較為嚴峻，針對環境治理技術的研究項目也頗多。在各類型的理論研究成果中，拉曼光譜理論是應用于水質分析領域中成效較好的一種基礎理論，該理論屬于光學研究范疇。

1.1淺析拉曼光譜理論

拉曼光譜是一種散射光譜。早在最初的理論發展階段，拉曼光譜分析理論的形成是建立在印度科學家拉曼所發現的拉曼散射效應的基礎上而來的，該理論主要針對與入射光頻率不同的散射光譜進行分析等相關方面，進而得出分子振動、轉動的信息，并將其應用于分子機構研究的過程中［2］。從實踐經驗來看，拉曼光譜分析理論作為分析水體中物質含量的技術分析理論，其效果極佳。

1.2拉曼光譜理論的實效性分析

水是孕育大部分生物的物質，如若地球上的水質環境良好，則生態環境定會十分健康。將拉曼光譜理論應用于檢測高濃度有機廢水、檢測水質中生物污染物等項目中較為可行，水質分析研究是拉曼光譜理論分析的重點實踐領域。長期以來，由于現代工業生產過程會產生大量的廢水、廢氣等物質，通過基于拉曼光譜理論的水質分析以后，能夠對水污染治理起到一定的指導性作用，有益于自然生態環境的平衡，以及人們的用水安全［3］。

2　拉曼光譜在水質分析過程中的實踐機理研究

2.1剖析拉曼光譜在水質分析過程中的機理

通過研究拉曼光譜理論的基礎內容及其分析方法，能夠了解到該方法是利用物質分子對入射光所產生的頻率發生較大變化的散射現象來判別物質含量等的一種技術方法。在實踐操作的過程中，拉曼光譜分析法所依托的測量裝置主要有：“拉曼光譜儀”設備、“原位電化學拉曼池”這兩個核心部分。前者是由“激光源”、“收集系統”、“分光系統”以及“檢測系統”所構成的，其中，“激光源”通常采用的是能量較為集中且“功率密度”較高的激光，“收集系統”則是由透鏡組所構成；相對而言，“原位電化學拉曼池”這部分的裝置構成內容較為簡單，一般是由工作電極、輔助電極、參比電極與通氣裝置所組成［4］。在實際操作過程中，為了避免儀器設備被具備腐蝕性的溶液或是氣體所腐蝕，“原位電化學拉曼池”則需要具備光學窗口的密封體系，進而保證物質在檢測的過程中不對儀器設備造成破壞。

2.2拉曼光譜在水質分析中所起到的重要作用

通過對以往文獻資料的研究可知，若想要治理水質環境當中的有毒、有害、難降解污染物質，就必須了解具體的污染物性質。盡管我國當前的環境污染減量化處理技術手段有所升級，且多領域的實踐反饋較為良好，但在實際進行環境污染減量化管理的過程中，還需做好相關的籌劃以及技術輔助措施等［5］。相對于其它技術檢測手段而言，拉曼光譜分析方法在水質分析中的作用越來越明顯，因為人類社會在不斷地發展變化中，諸多經驗的累積，才使得人類對各類型的理論知識的研究更為深入，也就挖掘到拉曼光譜在水質分析中所起到的作用是其它分析方法所不能替代的。實質上，在常規拉曼光譜分析的基礎上，逐步發展起來的分析方法有很多，其中包括有常規共振拉曼光譜、表面增強拉曼光譜等等，這些分析方法的演進都是建立在拉曼光譜理論之上而來的，這些技術的涌現為水質分析系統當中的定性測量與定量測量起到了極強地輔助作用。

3　拉曼光譜在水質分析中的應用進展研究綜述

3.1拉曼光譜在水質分析中的具體方法分析

從翻閱既往研究資料中可知，拉曼光譜應用于水質分析的可行性與優越性都較強，該分析方法的演進發展經歷了較長的一段時間，目前該技術方法的實踐已經區域成熟。如若將拉曼光譜在水質分析中的方法進行細分，可以探知到幾種較為常見的方法，其中包括：“富集方法”、“容量分析法”、“分光光度法”以及“紅外光譜法”等等，這些技術方法在水質分析領域的實際應用效果都較為可靠，尤其是在進行定量分析的過程中，其結果能夠對水質污染治理起到一定的指導性作用［6］。從現實的情況來看，即便拉曼光譜方法在水質分析中的應用進展快速，但其也存在一定的技術漏洞，主要表現在，分析過程中需要對水質樣品進行物理或化學上的反應，這樣一來，便極有可能會對樣品的原性狀造成破壞，便無法運用不同的水質污染物檢測方法來對比水質檢測的實際效果，也就不能得知拉曼光譜在水質分析領域中各種實踐方法的實際差距。但無論如何，基于拉曼光譜理論的水質分析方法的效果大體趨同。

3.2剖析拉曼光譜在水質分析中的應用進展狀況及其發展前景

拉曼光譜是一種研究物質結構方面的實用工具，從長期發展情況來看，拉曼光譜已被逐漸應用于科研相關領域的分析系統之中，支持較多科研項目進一步拓展。拉曼光譜在檢測水質中無機污染物、有機污染物、放射性污染物以及生物污染物過程中的實際應用狀況極佳。

3.2.1拉曼光譜在檢測水質中無機污染物過程中的實際應用

拉曼光譜理論可以應用于檢測水質中的“氰化物”、“氯化物”、“氯酸鹽”以及“硝酸鹽”等物質成分及其含量，這些無機污染物的濃度都能夠憑借拉曼光譜分析方法來直接判斷其數值［7］。在實際操作中，通過檢測抽樣水質的污染物含量，便在對稱伸縮振動拉曼峰處的半峰全寬振度進行分析，結果發現，抽樣水質中的拉曼光譜的半峰全寬隨著其中所含有的微量礦物質的濃度增加而減少，相反亦然，由此可見，拉曼光譜可以檢測水質中無機污染物的含量。

3.2.2拉曼光譜在檢測水中有機污染物的實際應用分析

對于像“殺蟲劑”等一些有機污染物的檢測，同樣可以利用拉曼光譜法來實施，因該類型物質參雜在水體中，會給人體帶來極大地危害，即便是較低的含量，也會對人體的某些器官造成影響。利用表面增強拉曼光譜分析法對水質采樣中的殘留有機污染物進行技術檢測，憑借所檢測出來的光譜信息，就可以判斷該水質樣品中的有機物質的含量等數據。

3.2.3拉曼光譜在檢測水質中放射性污染物過程中的實際應用進展研究

放射性物質能夠長期存在地表或是水質之中，尤其是“超鈾核素”這種放射性物質，已經成為對生物環境產生巨大危害的主要物質。對于水質分析與檢測的過程來說，最重要的是檢測水體中放射性污染物的濃度及其存在的形態，利用不同的拉曼光譜技術能夠提升分子的拉曼散射強度，進而將水體中所存在的不同濃度、不同類型的放射性污染物質檢測出來。從具體的操作過程來看，通過采用“APA金納米粒子基體”來提升表面增強拉曼光譜的靈敏度，進而能夠有效分析出抽樣水質中的“鈾”物質的含量。除此以外，對于相對低濃度的“鈾”物質的檢測而言，憑借拉曼光譜所具備的重現性技術優勢，無需經冗雜的處置，便可以在低濃度的含“鈾”水質環境中將此類放射性物質檢測分析出來。

3.2.4拉曼光譜在檢測水質中生物污染物過程中的應用進展

相對于以上三個方面的進展而言，拉曼光譜在檢測水質中生物污染的進展較為快速，因為在近幾年來，隨著城市化建設的快速推進，城市供水生物污染事件時有發生，給人們的用水飲水安全帶來了極大地威脅，很可能會導致人體腸道傳染類疾病或是其它病情的發生。從以往的研究資料中得知，地下淡水資源以及水質環境遭到了嚴重的破壞，由于地下水生物環境與地上生物的生長環境不同，所以，即便是處理好地球表面的廢水廢棄物等，也很可能殘留部分物質，或是將其排放到河道中，對地下水質環境造成極大的污染，同時，還殃及到地下水生生物的健康生長。從基礎的生物理論研究內容來看，地下水生物環境與地上生物生長環境極為不同，而且隨著工業化生產的加劇，很多企業將工業廢水排放至河道中，進而影響地下水質環境，甚至會影響到水下生物的正常生長［8］。從實際情況來分析，針對地下水質生物污染物的檢測需要利用到拉曼光譜分析方法來執行。在應用拉曼光譜技術進行地下水質及生物環境的科學化檢測時，可以利用表面增強拉曼技術的高靈敏的吸附增強效應來進行生物分子的技術檢測，尤其是針對一些病原抗體分子、蛋白質分子等等，其檢測的效果較為明顯，拉曼光譜分析檢測技術已然成為現代乃至未來水質檢測分析領域中不可或缺的一種手段。

從實踐結果來看，拉曼光譜在檢測水質中無機污染物、有機污染物、放射性污染物以及生物污染物過程中的應用進展都較為良好，尤其是在水質中生物污染物的檢測項目中，其分析結果十分有價值，對于提升城市供水及人們引水的安全性作用巨大。在實際進行水質檢測等相關項目的工作中，不僅需要全球各地區提高對城市供水生物安全檢測的認識，憑借最先進的科學檢測手段來構建一整套供水安全檢測系統，將水源性疾病控制到位，避免引起更加嚴重的生物污染［9］。在實踐過程中發現，利用拉曼光譜技術來檢測水質中的各類型病原微生物，其效能極佳。

4　結語

總而言之，在常規的拉曼光譜基礎上發展起來的常規共振拉曼光譜、表面增強共振拉曼光譜等在當前全球水污染檢測領域中的實際功用得到加強，為水質分析中的定性及定量測量注入了新的活力。經研究分析可知，憑借多種拉曼光譜技術的實際應用，有助于構建一套整合水質中污染物數據的繁雜數據庫，其中充實了以往人類所發現的各類型污染物數據資料，能夠為規模化地處理水污染事件提供強大的數據支持，以及技術分析策略。事實上，拉曼光譜理論的實踐效能極佳，從現實的角度來看，將拉曼光譜與水質實時檢測管理系統相融合，具備一定的可行性與高效性，值得在世界范圍內的自來水產業鏈條中實施。

［1］陳寧，徐文峰.表面增強拉曼光譜技術及其在墨跡分析中的應用進展［J］.廣東公安科技，2014，04（04）：36-37.

［2］盧明子，郭延軍，趙蓮，等.拉曼光譜在血紅蛋白結構及功能研究中的應用進展［J］.光譜學與光譜分析，2014，02（02）：439-443.

［3］黃亞偉，張令，王若蘭，魏光.表面增強拉曼光譜在食品非法添加物檢測中的應用進展［J］.糧食與飼料工業，2014，09（09）：24-26.

［4］郭靜波，崔鳳國，楊世東，等.生物強化技術在污水處理中的應用研究現狀及發展展望［J］.東北電力大學學報，2011，01（01）：181-182.

［5］朱華東，羅勤，常宏崗，等.激光拉曼光譜及其在天然氣分析中的應用展望［J］.天然氣工業，2013，11（11）：113-114.

［6］高敬，李春正，謝劍煒，等.表面增強拉曼光譜在化學恐怖物質檢測中的應用進展［J］.軍事醫學，2012，06（06）：478-479.

［7］史永剛，李華峰，龔海峰，等.拉曼光譜及其在石油產品分析中的應用［J］.現代儀器，2010，06（06）：12-13.

［8］林小娟，吳振潔，賴源發，等.拉曼光譜技術在藥物定性分析中的應用［J］.海峽藥學，2012，10（10）：18-20.

［9］歐陽思怡，葉冰，劉燕德.表面增強拉曼光譜法在農藥殘留檢測中的研究進展［J］.食品與機械，2013，01（01）：243-246.

韓楓（1980—），男，漢族，河南項城人，大學本科，工程師，研究方向：水環境監測；張佩（1978—），男，漢族，河南溫縣人，碩士研究生，工程師，研究方向：水環境監測；崔晨（1988—），女，漢族，河南蘭考人，大學本科，助工，研究方向：水環境監測；王威（1982—），男，漢族，河南登封人，碩士研究生，工程師，研究方向：水環境監測。

★魏磊（1984—），男，漢族，河南鎮平人，大學本科，工程師，研究方向：水環境監測。