水質分析中激光拉曼光譜的運用

■牛麗

（廣東省化工地質勘查院廣東花都510800）

水質分析中激光拉曼光譜的運用

■牛麗

（廣東省化工地質勘查院廣東花都510800）

目前，激光拉曼光譜作為一種研究物質結構的強有力的工具，而被應用于許多領域。本文分析了拉曼光譜應用于水質分析中的可行性及原理,了解了水質分析中通過激光拉曼光譜的運用而達到高效、準確的定性和定量的分析。

拉曼光譜 水質分析 可行性 原理

1 引言

在水質分析領域，經過多年研究和應用，已經積累了一系列像富集方法、電化學分析方法、熒光光譜法、紅外光譜法、色譜法等比較成熟的水質分析方法。這些水質分析方法的技術已經相當成熟在某些定量分析法比較可靠。但是，這些方法卻還存在著許多問題和不便利之處。這些水質分析方法通常都是操作程序繁雜、分析中對樣品原性狀有破壞性、一次處理過程只適于檢測一種或幾種物質成分等。為了能夠彌補傳統的水質分析方法中的缺陷，研究出了拉曼光譜水質分析系統這一潛力十足的水質分析工具。

2 水質分析中激光拉曼光譜運用的可行性

拉曼散射光譜是研究物質結構一個強有力的工具，它有著八十年的歷史。拉曼光譜的基本原理可概述為:當頻率為v0的單色光入射到物質以后,物質中的分子會對入射光產生散射,散射光的頻率為v0±Δv,波長的偏移Δv與物質分子的化學結構有關。每種物質都有對應的特征拉曼光譜,其強度與物質濃度有關,據此可實現對物質的檢測。激光拉曼光譜的研究對象廣泛，研究的樣品用量少，研究水平從定性擴展到了定量。因此，在水質分析中，拉曼光譜用于水環境中物質的檢測范圍非常寬廣。可檢測的物質不僅包含液態物質也包含固態和氣態，其用量可用毫克、甚至微克來計量。激光拉曼光譜在水質檢測中，有許多已完成的像甲基橙衍生物、葡萄糖、合成洗滌劑、殺蟲劑、生物大分子等有機物及氟化物、氰化物、石棉、硫酸鹽等無機物研究結果。世界衛生組織飲用水指標中標明的對健康有影響或者可能對健康有影響的物質大多數都包含在其研究結果。因此，激光拉曼光譜在水質分析中是一種非常可用的檢測手段。

3 激光拉曼光譜在水質分析中的原理

激光拉曼光譜應用微機技術和進化神經實現拉曼光譜水質分析系統，可對水質進行高效、準確的定性和定量分析。拉曼光譜水質分析系統在傳統方法基礎上把拉曼光譜探測元件改用CCD，實現光譜的快速采集與分析。CCD具有圖像傳感和自掃描功能,可以將各個波長點的數據同時采集出來，并且串行地輸入給計算機，從而讓計算機進行分析與處理。這樣，可對拉曼光譜進行實時的采集、顯示、波長及相對強度標定，實現系統在光譜掃描與采集上的全自動控制。在光譜分析中,噪聲的存在影響著數據中有用信息的提取。數據用小波變換對信號去噪及平滑處理，再來對譜庫和采集的數據進行壓縮。

4 激光拉曼光譜在水質分析中的應用

在水質分析中，激光拉曼光譜有著傳統水質分析方法所沒有的優越性。每種物質都有對應的特征拉曼光譜,其強度與物質濃度有關,據此可實現對物質的檢測。

4.1 激光拉曼光譜在水質分析中的優勢

激光拉曼光譜在水質分析中只需要幾ml甚至更少的樣品就可以給出樣品濃度信息。拉曼光譜方法分析前一般無需對樣品進行專門的處理或制備。拉曼光譜方法因是一種利用光與物質的相互作用來實現分析的化學檢測方法，不需要對樣品進行其他任何物理或化學處理，故而基本上是一種除了少量光敏化學物質外對被測樣品沒有任何破壞的檢測方法。激光拉曼光譜可以采用CCD的光譜儀作為光譜探測器，利用CCD能實現高速的全波段光譜掃描特性,結合發達的計算機分析方法,實現實地檢測、實時分析功能。拉曼光譜方法的檢測靈敏度非常高，對水環境中有機成分和生物大分子等物質，有著低達mg/L或mmol/L的檢測限。激光拉曼光譜利用光纖可以使被檢測體系遠離拉曼譜儀,做到遠距離在線水質監控,并同時改善測量的信噪比。

4.2 激光拉曼光譜在比較水中雜質濃度的應用

不同的水樣品中含有的雜質不同，通過檢測不同水質產生的激光拉曼光譜可以分析其中的雜質。如果水中出現雜質，則再激光拉曼光譜中不僅會出現水的拉曼譜線，還會出現雜質的發射的熒光譜線。當拉曼譜線和熒光譜線疊加就會出現如圖所示的數量和強度不等的雜峰和毛刺。在水中可以根據雜峰和毛刺的數量的多少與強度的大小，來判斷水質中雜質的數量的多少與強度大小。

4.3 激光拉曼光譜在比較水質中雜質強度中的應用

當水中含有雜質時，由于水分子間普遍存在著氫鍵作用，雜質離子要與水分子發生作用。水分子中的氧端與雜質陽離子作用，水分子中的氫端與雜質陰離子作用。與雜質陰離子作用的氫原子不能在保持其氫鍵作用，使其水分子間的氫鍵作用被削弱，若水質中的雜質濃度越大，則水質中水分子間的氫鍵作用被削弱越加強。根據彎曲振動強度與伸縮振動強度之比的比值可以判斷出四種水質樣品的雜質濃度為雨水最多，湘江水次之，池塘水第三，白沙井水最少。

將四種水質樣品的強度進行比較而得出的濃度結果，與拉曼光譜圖得出的結果一致。通過分析，可知水樣中雜質濃度越大，雜峰和毛刺的強度越強；水樣中雜質濃度增多，彎曲振動強度與伸縮振動強度之比的比值會依次減少。隨著進一步的研究，激光拉曼光譜會為水質分析提供更簡便的方法。

5 結束語

本文通過介紹拉曼光譜技術在水質分析中的運用，分析了其超越傳統方法的潛力及優勢，了解到拉曼光譜技術在水質分析中可對水質進行高效、準確的定性和定量分析，有著廣闊的應用前景。在我們將來的工作中,要進一步加強對拉曼光譜在水質分析中應用的探討。

[1]秦俠 ,沈蘭蓀.小波分析及其在光譜分析中的應用 [J].光譜學與光譜分析，2002，20 (6):892-896.

[2]陳柳,張國平.拉曼光譜在水質分析中的應用：展望及系統設計 [J].光散射學報 , 2004,16(2):184-188.

[3]胡軍,胡繼明.拉曼光譜在分析化學中的應用進展 [J].分析化學 ,2000,28(6): 764-771.

F407.1[文獻碼]B

1000-405X（2016）-5-349-1