拉曼光谱在水质分析中的应用进展

韩枫　张佩　崔晨　王威　魏磊

（河南省水文水资源局，河南郑州 450003）

拉曼光谱在水质分析中的应用进展

韩枫张佩崔晨王威魏磊*

（河南省水文水资源局，河南郑州 450003）

随着全球对环境治理问题重视程度的不断加深，有关环境治理的各项技术手段也逐步浮出水面，将拉曼光谱理论应用于水质分析中，能够起到快速测定水质污染成分的作用，为更好地检测水质与改善水质环境带来强有力的技术支撑。本文就拉曼光谱及其在水质分析中的实际应用进行阐释，并从长期以来的研究资料与实践经验中，总结水质分析中应用拉曼光谱的优势及其进展状况，同时，探索其未来的发展前景，以期为水质分析领域研究及实践提供有益的借鉴。

拉曼光谱 水质分析 应用 进展

现阶段，在世界范围内，近乎有一半以上的饮用水源不合乎引用标准，据统计，至少有大约十二亿的人口没有办法得到干净的饮用水，同时，始终存在缺乏对安全的引用水进行卫生检验管理的问题，这对于世界人口的引用水需求的满足造成障碍［1］。从既往的研究资料中可以看到，水污染的问题极为严峻，人类所发生的疾病近八成以上的诱因都是由于引水不合格。由此可见，水质分析研究以及环境保护等问题较为严峻，采取有效的水质分析策略及处理方案来解决水质问题已然迫在眉睫。其中，将拉曼光谱理论应用于水质分析领域具备一定的科学性。

1　拉曼光谱理论研究及其实效性分析

近年来，随着工业生产等领域的快速发展，全球范围内的环境污染问题较为严峻，针对环境治理技术的研究项目也颇多。在各类型的理论研究成果中，拉曼光谱理论是应用于水质分析领域中成效较好的一种基础理论，该理论属于光学研究范畴。

1.1浅析拉曼光谱理论

拉曼光谱是一种散射光谱。早在最初的理论发展阶段，拉曼光谱分析理论的形成是建立在印度科学家拉曼所发现的拉曼散射效应的基础上而来的，该理论主要针对与入射光频率不同的散射光谱进行分析等相关方面，进而得出分子振动、转动的信息，并将其应用于分子机构研究的过程中［2］。从实践经验来看，拉曼光谱分析理论作为分析水体中物质含量的技术分析理论，其效果极佳。

1.2拉曼光谱理论的实效性分析

水是孕育大部分生物的物质，如若地球上的水质环境良好，则生态环境定会十分健康。将拉曼光谱理论应用于检测高浓度有机废水、检测水质中生物污染物等项目中较为可行，水质分析研究是拉曼光谱理论分析的重点实践领域。长期以来，由于现代工业生产过程会产生大量的废水、废气等物质，通过基于拉曼光谱理论的水质分析以后，能够对水污染治理起到一定的指导性作用，有益于自然生态环境的平衡，以及人们的用水安全［3］。

2　拉曼光谱在水质分析过程中的实践机理研究

2.1剖析拉曼光谱在水质分析过程中的机理

通过研究拉曼光谱理论的基础内容及其分析方法，能够了解到该方法是利用物质分子对入射光所产生的频率发生较大变化的散射现象来判别物质含量等的一种技术方法。在实践操作的过程中，拉曼光谱分析法所依托的测量装置主要有：“拉曼光谱仪”设备、“原位电化学拉曼池”这两个核心部分。前者是由“激光源”、“收集系统”、“分光系统”以及“检测系统”所构成的，其中，“激光源”通常采用的是能量较为集中且“功率密度”较高的激光，“收集系统”则是由透镜组所构成；相对而言，“原位电化学拉曼池”这部分的装置构成内容较为简单，一般是由工作电极、辅助电极、参比电极与通气装置所组成［4］。在实际操作过程中，为了避免仪器设备被具备腐蚀性的溶液或是气体所腐蚀，“原位电化学拉曼池”则需要具备光学窗口的密封体系，进而保证物质在检测的过程中不对仪器设备造成破坏。

2.2拉曼光谱在水质分析中所起到的重要作用

通过对以往文献资料的研究可知，若想要治理水质环境当中的有毒、有害、难降解污染物质，就必须了解具体的污染物性质。尽管我国当前的环境污染减量化处理技术手段有所升级，且多领域的实践反馈较为良好，但在实际进行环境污染减量化管理的过程中，还需做好相关的筹划以及技术辅助措施等［5］。相对于其它技术检测手段而言，拉曼光谱分析方法在水质分析中的作用越来越明显，因为人类社会在不断地发展变化中，诸多经验的累积，才使得人类对各类型的理论知识的研究更为深入，也就挖掘到拉曼光谱在水质分析中所起到的作用是其它分析方法所不能替代的。实质上，在常规拉曼光谱分析的基础上，逐步发展起来的分析方法有很多，其中包括有常规共振拉曼光谱、表面增强拉曼光谱等等，这些分析方法的演进都是建立在拉曼光谱理论之上而来的，这些技术的涌现为水质分析系统当中的定性测量与定量测量起到了极强地辅助作用。

3　拉曼光谱在水质分析中的应用进展研究综述

3.1拉曼光谱在水质分析中的具体方法分析

从翻阅既往研究资料中可知，拉曼光谱应用于水质分析的可行性与优越性都较强，该分析方法的演进发展经历了较长的一段时间，目前该技术方法的实践已经区域成熟。如若将拉曼光谱在水质分析中的方法进行细分，可以探知到几种较为常见的方法，其中包括：“富集方法”、“容量分析法”、“分光光度法”以及“红外光谱法”等等，这些技术方法在水质分析领域的实际应用效果都较为可靠，尤其是在进行定量分析的过程中，其结果能够对水质污染治理起到一定的指导性作用［6］。从现实的情况来看，即便拉曼光谱方法在水质分析中的应用进展快速，但其也存在一定的技术漏洞，主要表现在，分析过程中需要对水质样品进行物理或化学上的反应，这样一来，便极有可能会对样品的原性状造成破坏，便无法运用不同的水质污染物检测方法来对比水质检测的实际效果，也就不能得知拉曼光谱在水质分析领域中各种实践方法的实际差距。但无论如何，基于拉曼光谱理论的水质分析方法的效果大体趋同。

3.2剖析拉曼光谱在水质分析中的应用进展状况及其发展前景

拉曼光谱是一种研究物质结构方面的实用工具，从长期发展情况来看，拉曼光谱已被逐渐应用于科研相关领域的分析系统之中，支持较多科研项目进一步拓展。拉曼光谱在检测水质中无机污染物、有机污染物、放射性污染物以及生物污染物过程中的实际应用状况极佳。

3.2.1拉曼光谱在检测水质中无机污染物过程中的实际应用

拉曼光谱理论可以应用于检测水质中的“氰化物”、“氯化物”、“氯酸盐”以及“硝酸盐”等物质成分及其含量，这些无机污染物的浓度都能够凭借拉曼光谱分析方法来直接判断其数值［7］。在实际操作中，通过检测抽样水质的污染物含量，便在对称伸缩振动拉曼峰处的半峰全宽振度进行分析，结果发现，抽样水质中的拉曼光谱的半峰全宽随着其中所含有的微量矿物质的浓度增加而减少，相反亦然，由此可见，拉曼光谱可以检测水质中无机污染物的含量。

3.2.2拉曼光谱在检测水中有机污染物的实际应用分析

对于像“杀虫剂”等一些有机污染物的检测，同样可以利用拉曼光谱法来实施，因该类型物质参杂在水体中，会给人体带来极大地危害，即便是较低的含量，也会对人体的某些器官造成影响。利用表面增强拉曼光谱分析法对水质采样中的残留有机污染物进行技术检测，凭借所检测出来的光谱信息，就可以判断该水质样品中的有机物质的含量等数据。

3.2.3拉曼光谱在检测水质中放射性污染物过程中的实际应用进展研究

放射性物质能够长期存在地表或是水质之中，尤其是“超铀核素”这种放射性物质，已经成为对生物环境产生巨大危害的主要物质。对于水质分析与检测的过程来说，最重要的是检测水体中放射性污染物的浓度及其存在的形态，利用不同的拉曼光谱技术能够提升分子的拉曼散射强度，进而将水体中所存在的不同浓度、不同类型的放射性污染物质检测出来。从具体的操作过程来看，通过采用“APA金纳米粒子基体”来提升表面增强拉曼光谱的灵敏度，进而能够有效分析出抽样水质中的“铀”物质的含量。除此以外，对于相对低浓度的“铀”物质的检测而言，凭借拉曼光谱所具备的重现性技术优势，无需经冗杂的处置，便可以在低浓度的含“铀”水质环境中将此类放射性物质检测分析出来。

3.2.4拉曼光谱在检测水质中生物污染物过程中的应用进展

相对于以上三个方面的进展而言，拉曼光谱在检测水质中生物污染的进展较为快速，因为在近几年来，随着城市化建设的快速推进，城市供水生物污染事件时有发生，给人们的用水饮水安全带来了极大地威胁，很可能会导致人体肠道传染类疾病或是其它病情的发生。从以往的研究资料中得知，地下淡水资源以及水质环境遭到了严重的破坏，由于地下水生物环境与地上生物的生长环境不同，所以，即便是处理好地球表面的废水废弃物等，也很可能残留部分物质，或是将其排放到河道中，对地下水质环境造成极大的污染，同时，还殃及到地下水生生物的健康生长。从基础的生物理论研究内容来看，地下水生物环境与地上生物生长环境极为不同，而且随着工业化生产的加剧，很多企业将工业废水排放至河道中，进而影响地下水质环境，甚至会影响到水下生物的正常生长［8］。从实际情况来分析，针对地下水质生物污染物的检测需要利用到拉曼光谱分析方法来执行。在应用拉曼光谱技术进行地下水质及生物环境的科学化检测时，可以利用表面增强拉曼技术的高灵敏的吸附增强效应来进行生物分子的技术检测，尤其是针对一些病原抗体分子、蛋白质分子等等，其检测的效果较为明显，拉曼光谱分析检测技术已然成为现代乃至未来水质检测分析领域中不可或缺的一种手段。

从实践结果来看，拉曼光谱在检测水质中无机污染物、有机污染物、放射性污染物以及生物污染物过程中的应用进展都较为良好，尤其是在水质中生物污染物的检测项目中，其分析结果十分有价值，对于提升城市供水及人们引水的安全性作用巨大。在实际进行水质检测等相关项目的工作中，不仅需要全球各地区提高对城市供水生物安全检测的认识，凭借最先进的科学检测手段来构建一整套供水安全检测系统，将水源性疾病控制到位，避免引起更加严重的生物污染［9］。在实践过程中发现，利用拉曼光谱技术来检测水质中的各类型病原微生物，其效能极佳。

4　结语

总而言之，在常规的拉曼光谱基础上发展起来的常规共振拉曼光谱、表面增强共振拉曼光谱等在当前全球水污染检测领域中的实际功用得到加强，为水质分析中的定性及定量测量注入了新的活力。经研究分析可知，凭借多种拉曼光谱技术的实际应用，有助于构建一套整合水质中污染物数据的繁杂数据库，其中充实了以往人类所发现的各类型污染物数据资料，能够为规模化地处理水污染事件提供强大的数据支持，以及技术分析策略。事实上，拉曼光谱理论的实践效能极佳，从现实的角度来看，将拉曼光谱与水质实时检测管理系统相融合，具备一定的可行性与高效性，值得在世界范围内的自来水产业链条中实施。

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［3］黄亚伟，张令，王若兰，魏光.表面增强拉曼光谱在食品非法添加物检测中的应用进展［J］.粮食与饲料工业，2014，09（09）：24-26.

［4］郭静波，崔凤国，杨世东，等.生物强化技术在污水处理中的应用研究现状及发展展望［J］.东北电力大学学报，2011，01（01）：181-182.

［5］朱华东，罗勤，常宏岗，等.激光拉曼光谱及其在天然气分析中的应用展望［J］.天然气工业，2013，11（11）：113-114.

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［7］史永刚，李华峰，龚海峰，等.拉曼光谱及其在石油产品分析中的应用［J］.现代仪器，2010，06（06）：12-13.

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［9］欧阳思怡，叶冰，刘燕德.表面增强拉曼光谱法在农药残留检测中的研究进展［J］.食品与机械，2013，01（01）：243-246.

韩枫（1980—），男，汉族，河南项城人，大学本科，工程师，研究方向：水环境监测；张佩（1978—），男，汉族，河南温县人，硕士研究生，工程师，研究方向：水环境监测；崔晨（1988—），女，汉族，河南兰考人，大学本科，助工，研究方向：水环境监测；王威（1982—），男，汉族，河南登封人，硕士研究生，工程师，研究方向：水环境监测。

★魏磊（1984—），男，汉族，河南镇平人，大学本科，工程师，研究方向：水环境监测。