差分吸收光譜技術(shù)及在大氣監(jiān)測(cè)領(lǐng)域中的應(yīng)用

摘要：隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的不斷發(fā)展，人們生活質(zhì)量有了顯著提高，但是也給生態(tài)環(huán)境帶來一定的破壞，特別是突發(fā)環(huán)境污染事件，往往會(huì)給生態(tài)環(huán)境帶來不可預(yù)測(cè)的破壞，因此妥善應(yīng)對(duì)突發(fā)環(huán)境事件，提高環(huán)境監(jiān)測(cè)水平已成為擺在我們面前的一個(gè)重要課題。將差分吸收光譜技術(shù)應(yīng)用到大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域中能夠有效解決這一問題。差分吸收光譜技術(shù)具有分辨率高、精準(zhǔn)度高、能夠?qū)Σ煌瑲怏w進(jìn)行測(cè)量等優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)逐步得到了應(yīng)用。希望通過本文的分析，能夠?yàn)橄嚓P(guān)從業(yè)者提供參考意見。

關(guān)鍵詞：差分吸收光譜技術(shù);大氣監(jiān)測(cè)領(lǐng)域;應(yīng)用

中圖分類號(hào)：X831 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-672X（2020）03-0-01

DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2020.03.090

Differential absorption spectroscopy and its application in the field of atmospheric monitoring

Zhao Yuyun

（Jincheng Environmental Protection Monitoring Station，Jincheng Shanxi 048000，China）

Abstract：With the continuous development of Chinas economy， peoples quality of life has been greatly improved， but also bring some damage to the ecological environment，environmental pollution often occurs in various areas，so the governance of environmental protection has become the focus of social concern.The application of differential absorption spectroscopy to the field of atmospheric monitoring can effectively solve this problem.

Key words：Differential absorption spectroscopy;Field of atmospheric monitoring;Application

1 差分吸收光譜技術(shù)的定義和發(fā)展

差分吸收光譜技術(shù)簡(jiǎn)稱是DOAS，是一種大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)。差分吸收光譜技術(shù)指的就是通過對(duì)光譜特征進(jìn)行吸收來監(jiān)測(cè)大氣環(huán)境中的各項(xiàng)污染物質(zhì)，能夠?qū)Ρ粶y(cè)氣體的濃度和類型進(jìn)行判斷，從而對(duì)污染物進(jìn)行精準(zhǔn)的分析。差分吸收光譜技術(shù)誕生于20世紀(jì)80年代，之后于1998年引入我國(guó)，當(dāng)時(shí)得到了社會(huì)廣泛關(guān)注。隨著我國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)事業(yè)的不斷發(fā)展，差分吸收光譜技術(shù)在檢測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用得到了廣泛普及。尤其在2002年，相關(guān)科研機(jī)構(gòu)以我國(guó)實(shí)際情況為基礎(chǔ)，研發(fā)出一套全新的環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并將差分吸收光譜技術(shù)應(yīng)用到其中，能夠?qū)Υ髿庵械奈廴疚颪O2、SO2等進(jìn)行精準(zhǔn)檢測(cè)。

2 差分吸收光譜技術(shù)的工作原理

差分吸收光譜技術(shù)的工作原理是依照不同分子吸收光輻射不同的原理來對(duì)空氣中所含有的不同氣體分子進(jìn)行鑒別，這樣就能夠?qū)諝鈿怏w成分進(jìn)行精準(zhǔn)分析。差分吸收光譜技術(shù)能夠借助光譜比較法對(duì)所得到的吸收光譜進(jìn)行分析，之后確定光譜成分，對(duì)污染物的濃度以及類型進(jìn)行精準(zhǔn)鑒定。差分吸收光譜技術(shù)是以痕量氣體分子為基礎(chǔ)對(duì)窄帶吸收特征進(jìn)行檢測(cè)，而且差分吸收光譜技術(shù)具備高超的監(jiān)測(cè)水平、設(shè)備裝置簡(jiǎn)便、價(jià)格低廉，在國(guó)內(nèi)外的大氣監(jiān)測(cè)中都得到了廣泛應(yīng)用。差分吸收光譜技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用過程中，所吸收的光強(qiáng)度完全滿足Lambert-Beer吸收定律，而且還要對(duì)測(cè)量結(jié)果所受到的外界因素影響進(jìn)行考慮，例如米散射、利散射等對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響等等。

3 差分吸收光譜技術(shù)在大氣監(jiān)測(cè)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)

隨著社會(huì)不斷發(fā)展，人們生活水平不斷提升，環(huán)境污染已成為全社會(huì)關(guān)注的頭等大事。為了解決這一問題，避免生態(tài)環(huán)境持續(xù)惡化，就要對(duì)相關(guān)問題進(jìn)行深入分析，找有最佳解決方案。大氣監(jiān)測(cè)是一種環(huán)保途徑，目前在國(guó)際上受到越來越多的關(guān)注。在技術(shù)不斷發(fā)展的今天，大氣監(jiān)測(cè)無論是技術(shù)還是方法上都得到了提升，能夠?qū)Υ髿馕廴練怏w進(jìn)行精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)。

3.1 對(duì)于獲取高質(zhì)量光譜采取的策略

差分吸收光譜技術(shù)是一種能夠檢測(cè)弱光譜形式的技術(shù)，而且其對(duì)噪聲屏蔽、雜散光等方面所展示的客觀干擾因素，一般情況下有著極高要求，而且為了能夠確保檢測(cè)結(jié)果精準(zhǔn)可靠，就需要保證光譜測(cè)量質(zhì)量。在差分吸收光譜技術(shù)中，吸收光譜扮演著重要角色，利用吸收光譜質(zhì)量形式能夠進(jìn)一步提升檢測(cè)精度。在實(shí)際應(yīng)用過程中，一般是應(yīng)用大焦距望遠(yuǎn)鏡對(duì)陽光干擾影響進(jìn)行降低;之后借助雙Czemy-Turner結(jié)構(gòu)的單色儀器防止在內(nèi)部出現(xiàn)雜散光;再次，為了縮短掃描時(shí)間，可選擇高速掃描，借助光電二極管陣列對(duì)光譜譜段進(jìn)行檢測(cè)，減少測(cè)量結(jié)果中的大氣干擾;最后要讓探測(cè)器在實(shí)際運(yùn)行過程中保持一定的溫度，不宜過高也不宜過低，要保持恒溫，這樣能夠有效減少噪音。

3.2 光譜的反演計(jì)算

在差分吸收光譜技術(shù)中反演計(jì)算措施同樣發(fā)揮重要作用，光譜的反演計(jì)算能夠?qū)y(cè)量是否成功產(chǎn)生直接影響。在差分吸收光譜技術(shù)實(shí)際應(yīng)用過程中，一般存在三個(gè)光譜，分別是光源光譜、背景光譜以及測(cè)量光譜。在計(jì)算差分吸收光密度數(shù)值時(shí)，要對(duì)這三種不同的光譜做好減少暗電流干擾影響的措施。并借助測(cè)量光源光譜消除背景光譜，再讓光源光譜消除，這樣得到的結(jié)果則是預(yù)處理光譜。

3.3 差分吸收光譜技術(shù)測(cè)量精度的主要影響因素

在實(shí)際應(yīng)用差分吸收光譜技術(shù)進(jìn)行大氣監(jiān)測(cè)時(shí)，要對(duì)能夠有效測(cè)量精度的因素進(jìn)行考慮，主要包括以下幾點(diǎn)：首先是標(biāo)準(zhǔn)吸收截面。標(biāo)準(zhǔn)吸收截面與波長(zhǎng)存在必然聯(lián)系，而且會(huì)受到溫度以及壓力的影響，因此在對(duì)大氣污染物濃度進(jìn)行實(shí)時(shí)反演計(jì)算時(shí)，沒有相關(guān)溫度的標(biāo)準(zhǔn)差分吸收截面依據(jù)。不僅如此，一般是在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)完成測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)差分吸收截面的工作，但是在實(shí)際工作中會(huì)由于測(cè)量?jī)x器出現(xiàn)問題造成測(cè)量結(jié)果出現(xiàn)偏差。其次是其他氣體以及噪聲。在實(shí)際測(cè)量過程中，由于其他氣體以及不同種類的噪聲會(huì)對(duì)光產(chǎn)生吸收，同樣會(huì)讓測(cè)量結(jié)果與實(shí)際情況不符。

4 差分吸收光譜技術(shù)在大氣監(jiān)測(cè)領(lǐng)域中的應(yīng)用

在大氣中，O3、NO2以及SO2是目前危害最大的三種污染物，更是大氣監(jiān)測(cè)的重點(diǎn)對(duì)象。差分吸收光譜技術(shù)監(jiān)測(cè)這三種氣體在譜段方面也存在一定差異：O3的譜段是250～310nm，NO2的譜段是380～440nm，SO2的譜段是260～340nm。在監(jiān)測(cè)過程中，雖然譜段有所差異，但都需要監(jiān)測(cè)的氣體在譜段上進(jìn)行差分吸收。從之前的研究來看，差分吸收光譜技術(shù)與傳統(tǒng)氣體監(jiān)測(cè)技術(shù)相比，在監(jiān)測(cè)結(jié)果上基本保持一致，但其中仍存在一些出入，究其原因就是在測(cè)量原理上的不同產(chǎn)生的偏差。差分吸收光譜技術(shù)能夠?qū)饴窛舛染颠M(jìn)行測(cè)量，定點(diǎn)采樣檢測(cè)則是對(duì)空間點(diǎn)濃度值進(jìn)行測(cè)量，即便是相同的測(cè)量方法也會(huì)出現(xiàn)相關(guān)性變差。所以將差分吸收光譜技術(shù)應(yīng)用到大氣監(jiān)測(cè)領(lǐng)域能夠得到良好效果，而且未來會(huì)有更好的發(fā)展前景。

對(duì)于OH以及NO3來說，無論是白天還是夜晚都是較為重要的基原子團(tuán)，能夠?qū)€原性物質(zhì)造成氧化。差分吸收光譜技術(shù)能夠?qū)O3進(jìn)行良好監(jiān)測(cè)，也是能夠監(jiān)測(cè)NO3的唯一方法;而對(duì)于OH來說，差分吸收光譜技術(shù)在監(jiān)測(cè)精度方面要比其他監(jiān)測(cè)方法效果好。換句話說，差分吸收光譜技術(shù)能夠?qū)H以及NO3進(jìn)行非接觸性測(cè)量，這本身就是一項(xiàng)優(yōu)勢(shì)，能夠防止由于化學(xué)反應(yīng)而導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果出現(xiàn)偏差。除此之外，此項(xiàng)技術(shù)還能夠?qū)Σ糠址枷銦N、汞、CS2、NH3等進(jìn)行科學(xué)監(jiān)測(cè)，差分吸收光譜技術(shù)同樣能夠在平流層、對(duì)流層氣體研究中發(fā)揮重要作用。

5 結(jié)束語

綜上所述，在現(xiàn)階段的大氣監(jiān)測(cè)領(lǐng)域中，差分吸收光譜技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用，并取得了良好效果。由于差分吸收光譜技術(shù)具備多項(xiàng)優(yōu)勢(shì)，因此在大氣監(jiān)測(cè)中的位置越來越重要，為我國(guó)環(huán)保工作的開展提供了諸多便利。本文對(duì)差分吸收光譜技術(shù)定義與發(fā)展、工作原理、關(guān)鍵技術(shù)、實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行了分析，希望能夠?yàn)榄h(huán)境監(jiān)測(cè)事業(yè)做出一點(diǎn)貢獻(xiàn)。

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收稿日期：2020-01-11

作者簡(jiǎn)介：趙雨云（1981-），男，漢族，本科學(xué)歷，工程師，研究方向?yàn)榄h(huán)境應(yīng)急監(jiān)測(cè)。