基于光谱分析的紫外水质检测技术

摘要：我国水资源虽然丰富，但是将水质这一概念作为评判标准之后，如今城市供水系统以及农村生活生产用水的质量问题下降迫在眉睫。在水质监测中，基于紫外光谱分析的水质监测技术是现代环境监测工作中的一个重要的发展方向，基于紫外光谱分析的水质监测技术具有实时检测、针对性强、准确性高、成本低等显著优势。本文主要结合笔者多年工作经验，阐述了基于紫外光谱分析的水质监测技术。

1前言

目前我国乃至全世界面临的一个非常严峻的问题就是水污染的问题，水质监测成为现代环境管理的重点内容之一。通过水质监测能够对水环境的质量和污染状况进行准确、全面和及时的反映。水质监测技术主要有色谱分离技术、原子光谱技术、化学分析技术以及电化学分析技术，其中分子光谱分析技术是水质监测中应用最广泛的技术，基于紫外光谱分析技术在饮用水、地表水和工业废水水质监测中具有显著的优势，成为水质监测技术重要的发展方向。

2紫外光谱分析基本原理

紫外-可见吸收光谱统称为电子光谱。分子可以吸收紫外-可见光区200~800nm的电磁波而产生的吸收光谱称紫外-可见吸收光谱，简称紫外光谱（uv）。紫外可见光可分为3个区域：远紫外区10~l90nm；紫外区190~400nm；可见区400~800nm。其中10~l90nm的远紫外区又称真空紫外区。氧气、氮气、水、二氧化碳对这个区域的紫外光有强烈的吸收。一般的紫外光谱仪都可检测包括紫外光（200~400）和可见光（400~800nm）两部分，故紫外光谱又称之为紫外可见光谱。紫外光谱和红外光谱统称分子光谱。两者都是属于吸收光谱。紫外光谱是由样品分子吸收一定波长的光，使其电子从基态跃迁到激发态引起。紫外光谱又称之为电子吸收光谱。分子通常是处于基态的，但当分子受紫外光照射时，可吸收一定大小的能量（ΔE=hυ）的紫外光，此能量恰好等于电子基态与高能态能量的差值（E1~E0），使电子从E0跃迁至E1。用仪器将紫外光强度在吸收池前后的变化记录下来，得到紫外光谱。

3紫外光谱水质检测系统的总体架构

3.1紫外光谱水质检测技术的理论基础

分子吸收光谱原理。当外界传导得来的辐射能量作用到待检测物质的分子时，物质内部便会通过电磁辐射的形式来吸收或予以释放。而当辐射能量作用在透明或半透明的待检测物质时，该物质将吸收与其运动状态变化相对应频率的辐射能，并向较高的太能迁移。这种物质对辐射具有的选择性吸收产生的光谱，称为吸收光谱。紫外－可见光谱就属于这其中一种吸收光谱。而它的另一个重要特性是其电子跃迁产生的光谱是宽谱带。

那么，当某种分子经受连续不断的、某一范围波长的光照射时，其光子的能量便会传递给分子，并被分子有选择性的吸收掉，降低这一区域的光能强度，也因此而产生的有吸收谱线组成的透射光光谱，就是分子吸收光谱。

郎伯－比尔定律。紫外光谱水质检测技术核心是检测某一物质中紫外光的吸收率来测定其浓度，其所根据的吸收定律就是郎伯比尔定律，顾名思义，是由郎伯与比尔两种定律相辅相成的，只能适用于单色光射入的条件下。I0为初始状态下所发射出的单色光强度，I为经过某测量物质C吸收后输出的单色光强度，根据I强度与C浓度之间的比例关系，可以将输入输出前后的光强度变化值转化为浓度信息。

3.2系统设计的总体框架

紫外光谱水质检测技术主要是硬件和软件构成，其中硬件部分由光路系统(紫外光源与分光系统)、样品池、信号采集等部分组成。在利用光吸收率进行水质检测时的工作路径为:所接收到的紫外光源经过分光系统分解为不同光谱，不同物质的测量则会自动选择相对应的光谱，在经过水质样品池的时候有一部分被吸收而盛装样品，另一部分则转化为电信号，这一部分将被软件设计部分进行数据传输到中央处理芯片，以设定的紫外光谱算法计算得出所检测物质的含量，最终在电子屏上进行显示。

4紫外光谱分析的水质监测技术发展趋势与关键问题

4.1分析仪器的微小型化

随着科技进步以及水质监测技术的发展，目前紫外光谱分析技术已经得到了非常广泛的应用，被广泛的应用在环境监测、生物医药、军事分析以及科技农业等各行各业中，其应用前景十分的广阔。同时紫外光谱分析技术使用中采用的分析仪器也逐渐朝着微小型化、低成本和高性能的方向发展。其中分析仪器的微小型化成为紫外光谱分析技术的发展重点问题之一。实现分析仪器的微小型化不仅能够避免设备的复杂性和运输的困难，还能够更好的对水环境的长期稳定性进行检测，确保监测的时效性的提高，而小型化的分析仪器能够实现快速启动、稳定性高以及使用寿命高等目标，就目前情况来看，未来紫外光谱分析仪器的研究内容包括小型化脉冲氦灯和无极气灯两方面。

4.2分析技术的自动化

纵观水质监测技术的整个发展历程，至今已经实现了从人工采样实验室分析到在线自动采用分析再到原位连续测量等一系列的发展过程中，在这个过程中逐渐了对无线传感网络进行了应用，可以说已经对水资源区域内多处水质信息的实时快速监测进行了实现。这一技术在应用中的关键技术点在于如何实现对水质长期稳定的自动检测过程中探头的自动清洗工作的实现。就目前水质监测技术来看，探头的自动清洗主要采用压缩空气清洗和机械清洗的方法，对探头的清洗效果将会直接影响到其测量结果的准确性与稳定性。目前，我国水质监测的方法是在特定的时间、位置取河流某些断面上的瞬时水样，带回实验室进行分析检测，这种检测方法的缺点在于不能及时准确的获得水质变化的动态性数据。

5结束语

综上所述，在水质监测中应用紫色光谱分析技术能够克服传统监测技术缺陷，基于传统水质检测技术研制的水质自动监测仪还存在着体积大，维护费用高等问题，不能实现真正意义上的实时在线检测。而该方法仪器结构简单，整个过程不用试剂，无需加热，所以可实现对COD的连续、快速、稳定的测量，而且无二次污染。