差分吸收光谱技术在环境检测中的应用研究

差分吸收光谱技术在环境检测中的应用研究[摘要]差分吸收光谱技术虽然是一种新兴的空气检测方法，但是在很多方面

比传统检测技术优势明显。笔者结合对差分吸收光谱技术的研究，在论文中阐述了差分吸收光谱技术的原理以及在大气环境检测中的应用。

[关键字]差分吸收光谱技术技术原理大气环境检测

随着世界经济的不断发展，工业气体排放日益加重，空气中充斥着大量的二氧化硫以及氮氧化物等有害气体，不但造成空气环境的极端恶劣，也给人们的身体健康造成了严重的影响。当前，各种检测技术方法或大或小的存在弊端、缺陷，随着环境检测理论与技术的进步，差分吸收光谱技术脱颖而出，成为大气环境检测领域的宠儿。

1差分吸收光谱技术在环境检测应用中的发展

自二十世纪八十年代以来，美国、瑞典、德国等诸多国家开发出以常规光源为基础的长光程光谱分析仪，并投入市场使用，我国开始自主研发差分吸收光谱技术则开始于1998年，在2002年一些科研机构开发出相应的环境监测系统，能有效检测出空气中的有害气体，包括二氧化硫、二氧化氮以及氨气等，目前这些仪器主要分布于南宁、北海、桂林以及张家港、怀化等地区。

2差分吸收光谱技术的基本原理

差分吸收光谱技术简称DOAS，根据分子吸收光辐射的原理，不同的分子吸收的光辐射也各不相同，因此当光穿过被检测气体样本时，会被样本中的分子选择性吸收，从而使得光在结构上与没穿过样本之前的光有所不同，通过与原先的光谱进行分析即可得到吸收光谱。分析吸收光谱能够确定样本中是否存在一些特定的成分，同样也可以分析出样本中这些特定物质的含量。

图1为典型的DOAS系统示意图，根据Lambert-Beer吸收定律，当光线穿过均匀且有一定厚度的气体介质时，假设该气体介质厚度为L，浓度为C，可得透射光强I（λ，T，P）和入射光强I0（λ）的关系公式为：

I（λ，T，P）= I0（λ）·e-σ（λ，T，P）·C·L ①

其中σ为气体的吸收截面。

在式②中，σi -第i种气体吸收的截面；Ci -第i种气体在光程L上的平均浓度；εM –米散射系数；εR –瑞利散射系数；A-测量系统与波长关系变换相对平缓的慢变结构

其中，式③中，σB –慢变结构；σ’-快变结构

接着把式③代入式②可得：

式④可改为：

把式④与式⑤相比较，可得差分光学密度OD’：

最后通过最小二乘法对式⑥求解，则可得到各污染物在气体内的平均浓度。

3差分吸收光谱技术在环境检测中的关键

3.1高质量吸收光谱的获取

差分吸收光谱技术作为一种弱光谱检测技术，对屏蔽噪声、杂散光等干扰有较高的要求，并且为了得到精确的分析检测结果，就需要确保测量光谱的质量。吸收光谱在差分吸收光谱技术中占有重要地位，因此为了提高吸收光谱的质量，可以采取以下措施。首先结构上，为了降低太阳光的干扰，可采用大焦距的望远镜；其次，使用双Czemy-Turner结构的单色仪，以减少内部的杂散光；第三，为了使扫描的时间缩短，可以采用快速扫描的方式；第四，使用光电二极管阵列测定谱段光谱可以降低大气扰动带来的影响；第五，保持探测器的恒温、低温，以便减少暗泄漏电流导致的噪声干扰。

3.2光谱的反演计算

反演计算在差分吸收光谱技术中占有重要地位，影响着该技术测量的成功与否。在差分吸收光谱技术中往往会涉及到三个光谱，第一是测量光谱；第二是背景光谱；第三是光源光谱。在计算差分吸收光密度的计算值时，需要对上述三种光谱进行去除暗电流干扰的处理。紧接着在测量光谱以及光源光谱中去除背景光谱，然后再用测量光谱除以光源光谱，所得结果即为预处理光谱。随后对这个预处理光谱进行高通与低通的快速傅立叶变换计算，可得两个光谱，即精细结构的预处理光谱和预处理光谱的慢变化走势光谱。然后在用前者与后者相除，多的结果的对数即为差分光学密度。

3.3差分吸收光谱技术测量精度的主要影响因素

在利用该技术进行环境检测时，还需要充分考虑影响测量精度的因素，具体包括以下两个方面。影响一是标准吸收截面。因为标准吸收截面不仅与波长有关，还受到压力以及温度的影响。所以在进行实时浓度的反演计算过程中，并没有该温度下标准差分吸收截面可供参考。此外，标准差分吸收截面的测定一般在实验室进行，而具体的实际操作中，因为仪器的精度问题，从而出现误差。影响二是噪声以及其他气体的影响。在进行测量时，各式各样的噪音、其他气体对光的吸收等，都会使得测量出现误差。

4总结

作为一种新兴的大气环境检测技术，差分吸收光谱技术有着无可比拟的优势。操作简单、运行成本低廉、维护方便、故障率较低等特点，使得差分吸收光谱技术在环境监测中被越来越多的运用。随着该技术的不断发展与研究，差分吸收光谱技术必将在大气环境检测领域取得良好的效果，成为防治环境污染、保护环境的尖端科技。

参考文献

[1]李素文，杨军，陈得宝.利用DOAS技术同时反演气溶胶和大气痕气体方法研究[J].光谱学与光谱分析.2010（08）.

[2]施捷，张高，丁文赋.基于差分吸收光谱技术的环境空气检测系统[J]. 现代科学仪器.2010（03）.