近日，中科院合肥研究院安光所劉文清院士團隊在《光學(xué)學(xué)報》上發(fā)表創(chuàng )刊四十周年特邀綜述，全面解析環(huán)境監測領(lǐng)域中光譜學(xué)的技術(shù)進(jìn)展。

　　半個(gè)多世紀以來(lái)，隨著(zhù)人類(lèi)對于光本質(zhì)認識的提髙和深化，光學(xué)技術(shù)的巨大進(jìn)步，特別是激光器的發(fā)明和激光技術(shù)的應用，光與物質(zhì)相互作用的認識有了根本性的提髙和發(fā)展。與此同時(shí)，人們對環(huán)境污染問(wèn)題的認識也不斷提升，開(kāi)始采用現代的技術(shù)手段特別是光學(xué)技術(shù)研究一些環(huán)境物理化學(xué)現象和過(guò)程，逐漸發(fā)展了現代的環(huán)境光譜學(xué)。

　　環(huán)境光譜學(xué)不僅是經(jīng)典光學(xué)的創(chuàng )新發(fā)展，也是環(huán)境科學(xué)的新豐富。環(huán)境光譜學(xué)監測是環(huán)境光學(xué)的重要組成部分，它利用光學(xué)中的吸收、發(fā)射、散射以及大氣輻射傳輸等方法，通過(guò)建立特征因子指紋光譜數據庫和定量解析算法，獲取痕量氣體的特性，可用于空氣質(zhì)量、固定和流動(dòng)污染源自動(dòng)監測，具有實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)、快速、非接觸遙測、遙測、監測范圍廣、成本低等優(yōu)勢，是當今國際環(huán)境監測的發(fā)展方向和主導技術(shù)。

　　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等方法，劉文清院士團隊提出開(kāi)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)、非分光紅外（NDIR）技術(shù)、可調諧半導體激光吸收光譜（TDLAS）技術(shù)、激光雷達（LIDAR）技術(shù)、熒光光譜技術(shù)、激光誘導擊穿光譜（LIBS）技術(shù)、光腔衰蕩光譜技術(shù)（Cavity Ring-Down Spectroscopy，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)監測技術(shù)體系，實(shí)現了對環(huán)境痕量成分/多要素的現場(chǎng)快速探測與多維度多平臺監測，已成功應用于大氣、水源及土壤等的監測。

　　在常規氣體監測方面，主要利用各種光學(xué)技術(shù)路線(xiàn)：如針對SO₂、NO₂、O₃及THC、CH₄、NMHC、BTX等污染物，DOAS技術(shù)利用氣體分子的吸收特性來(lái)鑒別成分，并根據窄帶吸收強度反演出微量氣體的濃度；針對溫室氣體CO₂，CRDS利用相對較窄的吸收窗口，避免其他組分干擾，實(shí)現較高精度檢測；針對CO，利用TDLAS的波長(cháng)調諧特性，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(xiàn)，實(shí)現CO的定性或定量分析；在大氣氧化性監測方面，可利用氣體擴張激光誘導熒光技術(shù)獲取大氣中最重要的氧化劑——HOx（OH、HO₂）自由基，308納米激光將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(lái)確定大氣中OH自由基的濃度；如要測量HO₂自由基，則需向轉換裝置中通入一定濃度的NO將HO₂自由基轉化為OH自由基，再測OH自由基；在顆粒物監測方面，顆粒物在大氣中的垂直分布不均，且高空的垂直遷移會(huì )影響近地面的污染濃度。激光雷達系統利用氣溶膠的后向米散射回波信號來(lái)探測氣溶膠光學(xué)特性如后向散射系數/消光系數的時(shí)空分布，可實(shí)現對顆粒物的垂直分布探測；在地表水質(zhì)監測方面，利用水體中多數有機污染物屬于含熒光團的大分子有機物，在適當波長(cháng)的激發(fā)光作用下發(fā)射特征熒光光譜的原理，利用激光誘導熒光技術(shù)實(shí)現對大面積水域的有機物污染狀況的遙測；在土壤重金屬監測方面，可以利用LIBS技術(shù)，分析土壤樣品的表面等離子體輻射譜線(xiàn)，實(shí)現土壤有機污染物的現場(chǎng)快速監測。

　　在實(shí)際運用中，通常將環(huán)境光譜和遙感技術(shù)結合應用，通過(guò)對系統性、區域性和復合性污染研究和多元信息融合，可以實(shí)現在線(xiàn)監測環(huán)境復合污染物、三維立體和流動(dòng)在線(xiàn)監測，為構建天空地一體化環(huán)境復合污染物觀(guān)測、研究、示范平臺奠定技術(shù)基礎。

　　隨著(zhù)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)正向高精度高靈敏、多組分多平臺、智能化網(wǎng)絡(luò )化的趨勢發(fā)展。

　　在大氣復合污染形成過(guò)程監測中的大氣氧化性現場(chǎng)監測、納米級顆粒物在線(xiàn)測量、超低排放污染源監測，以及水土重金屬在線(xiàn)檢測等方面還存在檢測限低、時(shí)間分辨率不高等問(wèn)題，因此需進(jìn)一步提高檢測精度和靈敏度，使光學(xué)監測技術(shù)應用于光化學(xué)反應機理研究、工業(yè)過(guò)程控制、生產(chǎn)安全監控；工業(yè)迅速發(fā)展使得監測的污染物種類(lèi)快速增加、組分更加復雜，亟需發(fā)展大氣自由基、全組分有機物、重金屬、生物氣溶膠、二次有機氣溶膠示蹤物，水體細菌、浮游植物以及土壤中殘留農藥和其它有機污染物的檢測等；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)境監測儀器，實(shí)時(shí)獲取環(huán)境多要素監測數據，通過(guò)對海量數據的深度挖掘、模型分析，利用大數據分析區域、流域污染源與環(huán)境質(zhì)量的相應關(guān)系，構建智能管理決策平臺，使環(huán)境管理向精細化、精準化轉變，實(shí)現主動(dòng)預見(jiàn)、大數據科學(xué)決策成為發(fā)展的新趨勢。

　　封面文章| 創(chuàng )刊四十周年特邀綜述

　　劉文清，陳臻懿，劉建國，謝品華，張天舒，趙南京，司福祺，胡仁志，殷高方.

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

　　紫外和可見(jiàn)波段部分痕量氣體吸收光譜

　　多平臺、多維度、多參數融合的環(huán)境綜合分析平臺