激光光谱技术的水质监测系统研究

       摘要：为了能够迅速精准判断水质的成分，提出了利用激光光谱技术对水质的检测方法，此系统采用87C52单片机作为系统的核心，组建了共聚焦式检测子系统，采集系统则用USB3.0协议与上位机进行通讯。通过对水体表面受激而产生的荧光信号进行光谱分析，可以定量分析水质成分。本实验在室内光源下进行，忽略了背景光的影响，得到的实验数据较为准确。实验结果表明检测到的荧光信号与水体受污染程度成良好的相关性，可以作为水体污染检测的指标。
　　关键词：激光光谱技术 水质监测 光谱分析 DOM
　　1 引言
　　21世纪随着现代工业的高速发展，环境污染问题日益凸显，而水体的污染是其中的一个重要污染，但是传统的水质监控方法需要实地采集水样，工作效率低，实时性差，一旦水域面积过大就不好操作，无法达到实时监测的目的。
　　本文采用激光光谱技术来对水质进行监测，其主要采用的是激光诱导荧光技术，向待测的水样发射高强度的激光，激光能够使水体中相当数量的分子提升到激发量子态，故荧光光谱的灵敏度得到了提高，从而达到对大面积水域的实时快速的监测，此外该技术还有非接触和不需传统试剂的优点。
　　2 激光光谱技术原理
　　波谱特性是物质本身的属性和状态，不同的物质，其对应的波谱特性。本系统中采用激光诱导荧光的方法，使用激光器作为激发a光源使水体表面产生荧光，用光谱仪测量此能级所发射的荧光光谱来并可以从中获得这个能级跃迁后的各终止分子能级信息。荧光强度的强弱与其分子结构等参量紧密相关既荧光强度与物质本身属性有关，当同一物质在相同激发条件下激发的荧光其荧光强度与物质浓度成正相关，故可以对物质进行定量分析。
　　(1)本系统中主要进行的是定量分析，用水体中溶解有机物(DOM)的浓度来判断水体污染程度。而且已知DOM溶液的荧光强度和溶液吸收光能的程度以及物质的荧光量子频率有关。
　　(2)其中i主要由荧光物质的量子效率决定，为一常数;为入射光强度;为透色光强度;为吸收系数;为样品池厚度;为DOM浓度。根据朗伯―比尔定律有以下公式：
　　(3)当DOM溶液浓度较低(2.303≤0.05)时，高阶项级数可以省略不计，故式(3)可以化为：
　　(4)由式④我们可以看出在DOM稀溶液时(符合湖泊等现实情况)，当i、、不变时，荧光强度与DOM在水中的浓度成线性关系。
　　3 激光光谱技术水质探测系统
　　3.1 系统原理图
　　系统的基本框图如图1所示。它利用了YAG激光器的三倍频输出355nm激光，然后利用主物镜的光学特征将激光束聚集在待测DOM水样表面的一个点或区域内，在该区域内的水样会激发出荧光，荧光会经主物镜变成平行光，通过二色镜后被聚拢到针孔处。通过滤光片滤除杂光，然后荧光信号会由光电探测器探测到模拟信号，经过电子放大电路将模拟信号放大，由A/D转换为数字信号，再由PC机完成数据的分析，从而得到此水样的污染状况。
　　3.2 系统构成
　　(1)激光器。选择激光器，主要要遵从以下条件：光源的功率和转换效率;激发光的光谱所覆盖的范围;光源的稳定性及可靠性等。本系统采用的是YAG激光器(3倍频)。
　　(2)光电探测器。本系统最后采用的是光电倍增管，其内部电路可以放大增益，可省略图1中的电子放大电路部分，成本降低，灵敏度大幅提高。
　　(3)滤光片和光学透镜。透镜的数值孔径越大，其采光效率越高。多波长荧光检测器用短通路剪切式滤光片或宽带的光通带滤光片插在光源与流通池之间，作为激发滤光片限制激发波长。
　　4 实验结果分析
　　配置腐殖酸浓度为O.5mg/L、1.0mg/L、1.5mg/L、2.0mg/L、2.5mg/L、3.0mg/L、3.5mg/L、4.0mg/L的DOM水样给一份，用本文所设计的水质监测系统测得数据，然后将实验结果归一化后得到酸浓度的线性拟和和荧光强度如下图2所示，从图中我们可以看出其线性拟和的相关系数达到0.999。
　　从实验结果图我们可以看出不同浓度的DOM其归一化荧光强度不同，并且两者成正比关系，为激光光谱技术水质监测系统来实时迅速的监测大面积的水域的水质污染状况提供理论依据。
　　5 结语
　　介绍了利用激光诱导荧光基础上的激光光谱技术的水质监测系统的设计。此设计可实现有效、快速、安全的对待测水域的监测，其监测使无第二次污染，经济效益高，操作方便，尤其是对DOM低浓度的水域监测的精度高，效果好，对现代环境保护中对水质的实时保护提供了强有力的科学，而且可以推广到大面积水域的实时动态监测。
　　参考文献
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