一、LIBS技術(shù)原理

激光誘導(dǎo)擊穿光譜(Laser-Induced Breakdown Spectroscopy, LIBS)技術(shù)是一種原子發(fā)射光譜技術(shù)，由于它無需樣品制備、可以多種元素同時(shí)測量、可以實(shí)現(xiàn)原位/在線測量等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是“化學(xué)分析新星”。目前，LIBS技術(shù)處于商業(yè)化前的關(guān)鍵發(fā)展階段，技術(shù)成熟度與二十年前的電感耦合等離子體(ICP)技術(shù)相當(dāng)，一旦核心問題得以突破，LIBS技術(shù)將進(jìn)入大規(guī)模商業(yè)化的黃金時(shí)代。

二、LIBS技術(shù)在空氣監(jiān)測環(huán)境的應(yīng)用

新年是重要的傳統(tǒng)節(jié)日，承載著無數(shù)歡笑與祝福，但也伴隨著煙花爆竹燃放帶來的空氣污染挑戰(zhàn)。隨著環(huán)保意識(shí)的不斷增強(qiáng)，空氣污染問題日益受到關(guān)注，空氣質(zhì)量監(jiān)測技術(shù)日益成為確保公共健康和環(huán)境保護(hù)的重要工具。燃放煙花會(huì)在短時(shí)間內(nèi)導(dǎo)致空氣中顆粒物濃度大幅上升，并釋放多種有害氣體和重金屬，對(duì)環(huán)境質(zhì)量和人體健康構(gòu)成威脅。因此，如何對(duì)新年期間空氣污染進(jìn)行快速、精準(zhǔn)的監(jiān)測，成為環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域的重要課題。激光誘導(dǎo)擊穿光譜(LIBS)作為一種高效、精確的分析技術(shù)，以其快速、高靈敏度和非接觸測量的特點(diǎn)，能夠提供實(shí)時(shí)的污染檢測與評(píng)估，幫助及時(shí)響應(yīng)環(huán)境變化，為新年期間的空氣污染檢測提供了有效解決方案。在特殊事件如煙花燃放期間，空氣中的污染物主要包括：

顆粒物(PM2.5 和 PM10)：來源于煙花的燃燒副產(chǎn)物。

有害氣體：包括二氧化硫(SO2)、氮氧化物(NOx)和一氧化碳(CO)。

重金屬元素：如鉛(Pb)、鎘(Cd)、鍶(Sr)、鋇(Ba)等，通常來自煙花中的顏料和助燃劑。

有機(jī)化合物：如多環(huán)芳烴(PAHs)，具有致癌性。

2.1 煙花燃放對(duì)空氣質(zhì)量的實(shí)時(shí)監(jiān)測

新年和節(jié)日期間，煙花燃放為慶?；顒?dòng)增添了許多色彩，但也對(duì)空氣質(zhì)量造成了顯著影響。煙花燃放產(chǎn)生的污染物不僅影響視野，還直接威脅到公眾健康，尤其是在PM2.5和重金屬污染物方面。

2.1.1顆粒物檢測

煙花釋放的煙霧中，PM2.5和PM10顆粒物含量明顯增加。LIBS技術(shù)通過激光激發(fā)空氣中的顆粒物，能夠?qū)崟r(shí)測量這些顆粒的濃度及其化學(xué)成分，快速反應(yīng)空氣質(zhì)量變化。通過分析不同粒徑顆粒的特征譜圖，LIBS技術(shù)可以有效區(qū)分不同來源的污染物。

大氣燃燒煙塵在 300-780nm 波段的 LIBS 光譜圖

2.1.2重金屬檢測

煙花中常含有鉛、鎘、鍶、鋇等重金屬元素，燃放過程中這些元素釋放到空氣中，嚴(yán)重影響空氣質(zhì)量和公共健康。LIBS技術(shù)可直接檢測空氣中這些重金屬的濃度，并評(píng)估其污染風(fēng)險(xiǎn)，幫助及時(shí)采取應(yīng)對(duì)措施。

大氣燃燒煙塵、含 Pb 大氣燃燒煙塵和純 Pb 的光譜對(duì)比圖

2.1.3氣溶膠分析

煙花釋放的氣溶膠顆粒是一種復(fù)雜的污染物。LIBS技術(shù)能夠?qū)@些顆粒的成分進(jìn)行精準(zhǔn)分析，幫助了解空氣中不同污染物的種類和濃度，評(píng)估污染物對(duì)人體健康和環(huán)境的影響

氣溶膠在 370-465nm 的 LIBS 光譜圖

氣溶膠在 450-680nm 波段的 LIBS 光譜圖

氣溶膠在 700-880 nm 波段的 LIBS 光譜圖

2.2節(jié)后空氣質(zhì)量恢復(fù)的跟蹤評(píng)估

新年煙花燃放結(jié)束后，空氣中的污染物會(huì)隨著時(shí)間的推移逐漸消散。LIBS技術(shù)能夠通過連續(xù)監(jiān)測，幫助追蹤空氣質(zhì)量的恢復(fù)過程：

2.2.1動(dòng)態(tài)監(jiān)測

LIBS技術(shù)能夠在不同時(shí)間點(diǎn)監(jiān)測污染物濃度的變化，為污染物從濃度高峰到恢復(fù)階段的過程提供詳盡的數(shù)據(jù)支持。通過監(jiān)測污染物濃度隨時(shí)間的變化趨勢，LIBS技術(shù)幫助科學(xué)評(píng)估污染的持續(xù)時(shí)間和恢復(fù)速度。

近八年除夕至初一全國逐小時(shí)PM2.5平均濃度示意圖

2.2.2恢復(fù)評(píng)估

結(jié)合大氣擴(kuò)散模型和實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)，LIBS技術(shù)能夠?qū)諝赓|(zhì)量的恢復(fù)進(jìn)程進(jìn)行精確評(píng)估。這對(duì)于空氣污染應(yīng)急管理和制定后續(xù)改善措施具有重要意義。

技術(shù)實(shí)施與方案設(shè)計(jì)

3.1設(shè)備選擇與布置

在新年節(jié)日期間，煙花燃放及相關(guān)活動(dòng)顯著增加空氣中的污染物濃度，選擇合適的LIBS設(shè)備并優(yōu)化布置方案是實(shí)現(xiàn)高效監(jiān)測的基礎(chǔ)。固定監(jiān)測站適用于持續(xù)觀測城市核心區(qū)及煙花集中燃放區(qū)域的重金屬元素濃度變化，便于評(píng)估污染來源;無人機(jī)搭載LIBS設(shè)備則能靈活監(jiān)測大范圍區(qū)域，適用于難以到達(dá)的區(qū)域或大面積污染的測量，實(shí)時(shí)獲取垂直剖面數(shù)據(jù)，快速定位污染擴(kuò)散路徑，優(yōu)化應(yīng)急響應(yīng)策略;便攜式LIBS設(shè)備用于污染熱點(diǎn)區(qū)域的應(yīng)急檢測，特別是突發(fā)事件中的現(xiàn)場響應(yīng)，如工業(yè)區(qū)、交通繁忙的道路或煙花燃放區(qū)域。設(shè)備小巧便于移動(dòng)，且能夠在短時(shí)間內(nèi)提供詳細(xì)的污染數(shù)據(jù)，幫助環(huán)境監(jiān)測人員迅速評(píng)估污染情況。

這些設(shè)備通過合理布局形成互補(bǔ)，為節(jié)日期間的空氣質(zhì)量監(jiān)測提供全面支持。

手持式激光誘導(dǎo)光譜儀

3.2 檢測方案設(shè)計(jì)

結(jié)合新年期間的污染源特征與活動(dòng)規(guī)律，科學(xué)規(guī)劃監(jiān)測方案。重點(diǎn)針對(duì)煙花燃放點(diǎn)及其周邊區(qū)域，實(shí)時(shí)采集PM2.5、PM10.及重金屬濃度等關(guān)鍵指標(biāo)。動(dòng)態(tài)區(qū)域監(jiān)測方案利用固定站點(diǎn)與無人機(jī)采樣相結(jié)合，繪制污染分布圖并分析擴(kuò)散趨勢。同時(shí)，根據(jù)節(jié)慶活動(dòng)的時(shí)間節(jié)點(diǎn)，加密采樣頻率，例如在除夕夜高峰期每15分鐘采集一次數(shù)據(jù)，以捕捉污染物的瞬時(shí)變化及高峰持續(xù)時(shí)間。這些方案的核心目標(biāo)是量化節(jié)日活動(dòng)對(duì)空氣質(zhì)量的影響，指導(dǎo)污染防治措施。

LIBS裝置示意圖

3.3數(shù)據(jù)采集與處理

LIBS技術(shù)通過等離子體特征譜線分析獲取污染物元素組成和濃度信息。為確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性，需要優(yōu)化激光參數(shù)與采譜時(shí)間窗口，并結(jié)合高精度光譜數(shù)據(jù)庫進(jìn)行定性與定量分析。在數(shù)據(jù)處理階段，應(yīng)用背景干擾剔除、平滑算法降噪等預(yù)處理方法，提高信噪比與信背比。利用多元回歸和動(dòng)態(tài)擴(kuò)散模型，對(duì)復(fù)雜背景下的光譜信號(hào)進(jìn)行校正，結(jié)合氣象數(shù)據(jù)模擬污染擴(kuò)散過程，從而精確評(píng)估空氣污染狀況。

四、結(jié)論

激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)在新年節(jié)日期間的空氣污染監(jiān)測中展示了巨大的應(yīng)用潛力，其快速、精準(zhǔn)的特性使其能夠滿足復(fù)雜多變的環(huán)境監(jiān)測需求。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，LIBS技術(shù)將成為環(huán)境保護(hù)與污染治理的重要工具，為提升節(jié)慶活動(dòng)中的環(huán)保意識(shí)和社會(huì)可持續(xù)發(fā)展提供強(qiáng)大支持。

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審核編輯 黃宇