水质分析中激光拉曼光谱的运用

■牛丽

（广东省化工地质勘查院广东花都510800）

水质分析中激光拉曼光谱的运用

■牛丽

（广东省化工地质勘查院广东花都510800）

目前，激光拉曼光谱作为一种研究物质结构的强有力的工具，而被应用于许多领域。本文分析了拉曼光谱应用于水质分析中的可行性及原理,了解了水质分析中通过激光拉曼光谱的运用而达到高效、准确的定性和定量的分析。

拉曼光谱 水质分析 可行性 原理

1 引言

在水质分析领域，经过多年研究和应用，已经积累了一系列像富集方法、电化学分析方法、荧光光谱法、红外光谱法、色谱法等比较成熟的水质分析方法。这些水质分析方法的技术已经相当成熟在某些定量分析法比较可靠。但是，这些方法却还存在着许多问题和不便利之处。这些水质分析方法通常都是操作程序繁杂、分析中对样品原性状有破坏性、一次处理过程只适于检测一种或几种物质成分等。为了能够弥补传统的水质分析方法中的缺陷，研究出了拉曼光谱水质分析系统这一潜力十足的水质分析工具。

2 水质分析中激光拉曼光谱运用的可行性

拉曼散射光谱是研究物质结构一个强有力的工具，它有着八十年的历史。拉曼光谱的基本原理可概述为:当频率为v0的单色光入射到物质以后,物质中的分子会对入射光产生散射,散射光的频率为v0±Δv,波长的偏移Δv与物质分子的化学结构有关。每种物质都有对应的特征拉曼光谱,其强度与物质浓度有关,据此可实现对物质的检测。激光拉曼光谱的研究对象广泛，研究的样品用量少，研究水平从定性扩展到了定量。因此，在水质分析中，拉曼光谱用于水环境中物质的检测范围非常宽广。可检测的物质不仅包含液态物质也包含固态和气态，其用量可用毫克、甚至微克来计量。激光拉曼光谱在水质检测中，有许多已完成的像甲基橙衍生物、葡萄糖、合成洗涤剂、杀虫剂、生物大分子等有机物及氟化物、氰化物、石棉、硫酸盐等无机物研究结果。世界卫生组织饮用水指标中标明的对健康有影响或者可能对健康有影响的物质大多数都包含在其研究结果。因此，激光拉曼光谱在水质分析中是一种非常可用的检测手段。

3 激光拉曼光谱在水质分析中的原理

激光拉曼光谱应用微机技术和进化神经实现拉曼光谱水质分析系统，可对水质进行高效、准确的定性和定量分析。拉曼光谱水质分析系统在传统方法基础上把拉曼光谱探测元件改用CCD，实现光谱的快速采集与分析。CCD具有图像传感和自扫描功能,可以将各个波长点的数据同时采集出来，并且串行地输入给计算机，从而让计算机进行分析与处理。这样，可对拉曼光谱进行实时的采集、显示、波长及相对强度标定，实现系统在光谱扫描与采集上的全自动控制。在光谱分析中,噪声的存在影响着数据中有用信息的提取。数据用小波变换对信号去噪及平滑处理，再来对谱库和采集的数据进行压缩。

4 激光拉曼光谱在水质分析中的应用

在水质分析中，激光拉曼光谱有着传统水质分析方法所没有的优越性。每种物质都有对应的特征拉曼光谱,其强度与物质浓度有关,据此可实现对物质的检测。

4.1 激光拉曼光谱在水质分析中的优势

激光拉曼光谱在水质分析中只需要几ml甚至更少的样品就可以给出样品浓度信息。拉曼光谱方法分析前一般无需对样品进行专门的处理或制备。拉曼光谱方法因是一种利用光与物质的相互作用来实现分析的化学检测方法，不需要对样品进行其他任何物理或化学处理，故而基本上是一种除了少量光敏化学物质外对被测样品没有任何破坏的检测方法。激光拉曼光谱可以采用CCD的光谱仪作为光谱探测器，利用CCD能实现高速的全波段光谱扫描特性,结合发达的计算机分析方法,实现实地检测、实时分析功能。拉曼光谱方法的检测灵敏度非常高，对水环境中有机成分和生物大分子等物质，有着低达mg/L或mmol/L的检测限。激光拉曼光谱利用光纤可以使被检测体系远离拉曼谱仪,做到远距离在线水质监控,并同时改善测量的信噪比。

4.2 激光拉曼光谱在比较水中杂质浓度的应用

不同的水样品中含有的杂质不同，通过检测不同水质产生的激光拉曼光谱可以分析其中的杂质。如果水中出现杂质，则再激光拉曼光谱中不仅会出现水的拉曼谱线，还会出现杂质的发射的荧光谱线。当拉曼谱线和荧光谱线叠加就会出现如图所示的数量和强度不等的杂峰和毛刺。在水中可以根据杂峰和毛刺的数量的多少与强度的大小，来判断水质中杂质的数量的多少与强度大小。

4.3 激光拉曼光谱在比较水质中杂质强度中的应用

当水中含有杂质时，由于水分子间普遍存在着氢键作用，杂质离子要与水分子发生作用。水分子中的氧端与杂质阳离子作用，水分子中的氢端与杂质阴离子作用。与杂质阴离子作用的氢原子不能在保持其氢键作用，使其水分子间的氢键作用被削弱，若水质中的杂质浓度越大，则水质中水分子间的氢键作用被削弱越加强。根据弯曲振动强度与伸缩振动强度之比的比值可以判断出四种水质样品的杂质浓度为雨水最多，湘江水次之，池塘水第三，白沙井水最少。

将四种水质样品的强度进行比较而得出的浓度结果，与拉曼光谱图得出的结果一致。通过分析，可知水样中杂质浓度越大，杂峰和毛刺的强度越强；水样中杂质浓度增多，弯曲振动强度与伸缩振动强度之比的比值会依次减少。随着进一步的研究，激光拉曼光谱会为水质分析提供更简便的方法。

5 结束语

本文通过介绍拉曼光谱技术在水质分析中的运用，分析了其超越传统方法的潜力及优势，了解到拉曼光谱技术在水质分析中可对水质进行高效、准确的定性和定量分析，有着广阔的应用前景。在我们将来的工作中,要进一步加强对拉曼光谱在水质分析中应用的探讨。

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F407.1[文献码]B

1000-405X（2016）-5-349-1