韓楓　張佩　崔晨　王威　魏磊

（河南省水文水資源局，河南鄭州 450003）

拉曼光譜在水質(zhì)分析中的應(yīng)用進(jìn)展

韓楓張佩崔晨王威魏磊*

（河南省水文水資源局，河南鄭州 450003）

隨著全球?qū)Νh(huán)境治理問題重視程度的不斷加深，有關(guān)環(huán)境治理的各項(xiàng)技術(shù)手段也逐步浮出水面，將拉曼光譜理論應(yīng)用于水質(zhì)分析中，能夠起到快速測(cè)定水質(zhì)污染成分的作用，為更好地檢測(cè)水質(zhì)與改善水質(zhì)環(huán)境帶來強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。本文就拉曼光譜及其在水質(zhì)分析中的實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行闡釋，并從長期以來的研究資料與實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)中，總結(jié)水質(zhì)分析中應(yīng)用拉曼光譜的優(yōu)勢(shì)及其進(jìn)展?fàn)顩r，同時(shí)，探索其未來的發(fā)展前景，以期為水質(zhì)分析領(lǐng)域研究及實(shí)踐提供有益的借鑒。

拉曼光譜 水質(zhì)分析 應(yīng)用 進(jìn)展

現(xiàn)階段，在世界范圍內(nèi)，近乎有一半以上的飲用水源不合乎引用標(biāo)準(zhǔn)，據(jù)統(tǒng)計(jì)，至少有大約十二億的人口沒有辦法得到干凈的飲用水，同時(shí)，始終存在缺乏對(duì)安全的引用水進(jìn)行衛(wèi)生檢驗(yàn)管理的問題，這對(duì)于世界人口的引用水需求的滿足造成障礙［1］。從既往的研究資料中可以看到，水污染的問題極為嚴(yán)峻，人類所發(fā)生的疾病近八成以上的誘因都是由于引水不合格。由此可見，水質(zhì)分析研究以及環(huán)境保護(hù)等問題較為嚴(yán)峻，采取有效的水質(zhì)分析策略及處理方案來解決水質(zhì)問題已然迫在眉睫。其中，將拉曼光譜理論應(yīng)用于水質(zhì)分析領(lǐng)域具備一定的科學(xué)性。

1　拉曼光譜理論研究及其實(shí)效性分析

近年來，隨著工業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域的快速發(fā)展，全球范圍內(nèi)的環(huán)境污染問題較為嚴(yán)峻，針對(duì)環(huán)境治理技術(shù)的研究項(xiàng)目也頗多。在各類型的理論研究成果中，拉曼光譜理論是應(yīng)用于水質(zhì)分析領(lǐng)域中成效較好的一種基礎(chǔ)理論，該理論屬于光學(xué)研究范疇。

1.1淺析拉曼光譜理論

拉曼光譜是一種散射光譜。早在最初的理論發(fā)展階段，拉曼光譜分析理論的形成是建立在印度科學(xué)家拉曼所發(fā)現(xiàn)的拉曼散射效應(yīng)的基礎(chǔ)上而來的，該理論主要針對(duì)與入射光頻率不同的散射光譜進(jìn)行分析等相關(guān)方面，進(jìn)而得出分子振動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)的信息，并將其應(yīng)用于分子機(jī)構(gòu)研究的過程中［2］。從實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)來看，拉曼光譜分析理論作為分析水體中物質(zhì)含量的技術(shù)分析理論，其效果極佳。

1.2拉曼光譜理論的實(shí)效性分析

水是孕育大部分生物的物質(zhì)，如若地球上的水質(zhì)環(huán)境良好，則生態(tài)環(huán)境定會(huì)十分健康。將拉曼光譜理論應(yīng)用于檢測(cè)高濃度有機(jī)廢水、檢測(cè)水質(zhì)中生物污染物等項(xiàng)目中較為可行，水質(zhì)分析研究是拉曼光譜理論分析的重點(diǎn)實(shí)踐領(lǐng)域。長期以來，由于現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)過程會(huì)產(chǎn)生大量的廢水、廢氣等物質(zhì)，通過基于拉曼光譜理論的水質(zhì)分析以后，能夠?qū)λ廴局卫砥鸬揭欢ǖ闹笇?dǎo)性作用，有益于自然生態(tài)環(huán)境的平衡，以及人們的用水安全［3］。

2　拉曼光譜在水質(zhì)分析過程中的實(shí)踐機(jī)理研究

2.1剖析拉曼光譜在水質(zhì)分析過程中的機(jī)理

通過研究拉曼光譜理論的基礎(chǔ)內(nèi)容及其分析方法，能夠了解到該方法是利用物質(zhì)分子對(duì)入射光所產(chǎn)生的頻率發(fā)生較大變化的散射現(xiàn)象來判別物質(zhì)含量等的一種技術(shù)方法。在實(shí)踐操作的過程中，拉曼光譜分析法所依托的測(cè)量裝置主要有：“拉曼光譜儀”設(shè)備、“原位電化學(xué)拉曼池”這兩個(gè)核心部分。前者是由“激光源”、“收集系統(tǒng)”、“分光系統(tǒng)”以及“檢測(cè)系統(tǒng)”所構(gòu)成的，其中，“激光源”通常采用的是能量較為集中且“功率密度”較高的激光，“收集系統(tǒng)”則是由透鏡組所構(gòu)成；相對(duì)而言，“原位電化學(xué)拉曼池”這部分的裝置構(gòu)成內(nèi)容較為簡單，一般是由工作電極、輔助電極、參比電極與通氣裝置所組成［4］。在實(shí)際操作過程中，為了避免儀器設(shè)備被具備腐蝕性的溶液或是氣體所腐蝕，“原位電化學(xué)拉曼池”則需要具備光學(xué)窗口的密封體系，進(jìn)而保證物質(zhì)在檢測(cè)的過程中不對(duì)儀器設(shè)備造成破壞。

2.2拉曼光譜在水質(zhì)分析中所起到的重要作用

通過對(duì)以往文獻(xiàn)資料的研究可知，若想要治理水質(zhì)環(huán)境當(dāng)中的有毒、有害、難降解污染物質(zhì)，就必須了解具體的污染物性質(zhì)。盡管我國當(dāng)前的環(huán)境污染減量化處理技術(shù)手段有所升級(jí)，且多領(lǐng)域的實(shí)踐反饋較為良好，但在實(shí)際進(jìn)行環(huán)境污染減量化管理的過程中，還需做好相關(guān)的籌劃以及技術(shù)輔助措施等［5］。相對(duì)于其它技術(shù)檢測(cè)手段而言，拉曼光譜分析方法在水質(zhì)分析中的作用越來越明顯，因?yàn)槿祟惿鐣?huì)在不斷地發(fā)展變化中，諸多經(jīng)驗(yàn)的累積，才使得人類對(duì)各類型的理論知識(shí)的研究更為深入，也就挖掘到拉曼光譜在水質(zhì)分析中所起到的作用是其它分析方法所不能替代的。實(shí)質(zhì)上，在常規(guī)拉曼光譜分析的基礎(chǔ)上，逐步發(fā)展起來的分析方法有很多，其中包括有常規(guī)共振拉曼光譜、表面增強(qiáng)拉曼光譜等等，這些分析方法的演進(jìn)都是建立在拉曼光譜理論之上而來的，這些技術(shù)的涌現(xiàn)為水質(zhì)分析系統(tǒng)當(dāng)中的定性測(cè)量與定量測(cè)量起到了極強(qiáng)地輔助作用。

3　拉曼光譜在水質(zhì)分析中的應(yīng)用進(jìn)展研究綜述

3.1拉曼光譜在水質(zhì)分析中的具體方法分析

從翻閱既往研究資料中可知，拉曼光譜應(yīng)用于水質(zhì)分析的可行性與優(yōu)越性都較強(qiáng)，該分析方法的演進(jìn)發(fā)展經(jīng)歷了較長的一段時(shí)間，目前該技術(shù)方法的實(shí)踐已經(jīng)區(qū)域成熟。如若將拉曼光譜在水質(zhì)分析中的方法進(jìn)行細(xì)分，可以探知到幾種較為常見的方法，其中包括：“富集方法”、“容量分析法”、“分光光度法”以及“紅外光譜法”等等，這些技術(shù)方法在水質(zhì)分析領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用效果都較為可靠，尤其是在進(jìn)行定量分析的過程中，其結(jié)果能夠?qū)λ|(zhì)污染治理起到一定的指導(dǎo)性作用［6］。從現(xiàn)實(shí)的情況來看，即便拉曼光譜方法在水質(zhì)分析中的應(yīng)用進(jìn)展快速，但其也存在一定的技術(shù)漏洞，主要表現(xiàn)在，分析過程中需要對(duì)水質(zhì)樣品進(jìn)行物理或化學(xué)上的反應(yīng)，這樣一來，便極有可能會(huì)對(duì)樣品的原性狀造成破壞，便無法運(yùn)用不同的水質(zhì)污染物檢測(cè)方法來對(duì)比水質(zhì)檢測(cè)的實(shí)際效果，也就不能得知拉曼光譜在水質(zhì)分析領(lǐng)域中各種實(shí)踐方法的實(shí)際差距。但無論如何，基于拉曼光譜理論的水質(zhì)分析方法的效果大體趨同。

3.2剖析拉曼光譜在水質(zhì)分析中的應(yīng)用進(jìn)展?fàn)顩r及其發(fā)展前景

拉曼光譜是一種研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)方面的實(shí)用工具，從長期發(fā)展情況來看，拉曼光譜已被逐漸應(yīng)用于科研相關(guān)領(lǐng)域的分析系統(tǒng)之中，支持較多科研項(xiàng)目進(jìn)一步拓展。拉曼光譜在檢測(cè)水質(zhì)中無機(jī)污染物、有機(jī)污染物、放射性污染物以及生物污染物過程中的實(shí)際應(yīng)用狀況極佳。

3.2.1拉曼光譜在檢測(cè)水質(zhì)中無機(jī)污染物過程中的實(shí)際應(yīng)用

拉曼光譜理論可以應(yīng)用于檢測(cè)水質(zhì)中的“氰化物”、“氯化物”、“氯酸鹽”以及“硝酸鹽”等物質(zhì)成分及其含量，這些無機(jī)污染物的濃度都能夠憑借拉曼光譜分析方法來直接判斷其數(shù)值［7］。在實(shí)際操作中，通過檢測(cè)抽樣水質(zhì)的污染物含量，便在對(duì)稱伸縮振動(dòng)拉曼峰處的半峰全寬振度進(jìn)行分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，抽樣水質(zhì)中的拉曼光譜的半峰全寬隨著其中所含有的微量礦物質(zhì)的濃度增加而減少，相反亦然，由此可見，拉曼光譜可以檢測(cè)水質(zhì)中無機(jī)污染物的含量。

3.2.2拉曼光譜在檢測(cè)水中有機(jī)污染物的實(shí)際應(yīng)用分析

對(duì)于像“殺蟲劑”等一些有機(jī)污染物的檢測(cè)，同樣可以利用拉曼光譜法來實(shí)施，因該類型物質(zhì)參雜在水體中，會(huì)給人體帶來極大地危害，即便是較低的含量，也會(huì)對(duì)人體的某些器官造成影響。利用表面增強(qiáng)拉曼光譜分析法對(duì)水質(zhì)采樣中的殘留有機(jī)污染物進(jìn)行技術(shù)檢測(cè)，憑借所檢測(cè)出來的光譜信息，就可以判斷該水質(zhì)樣品中的有機(jī)物質(zhì)的含量等數(shù)據(jù)。

3.2.3拉曼光譜在檢測(cè)水質(zhì)中放射性污染物過程中的實(shí)際應(yīng)用進(jìn)展研究

放射性物質(zhì)能夠長期存在地表或是水質(zhì)之中，尤其是“超鈾核素”這種放射性物質(zhì)，已經(jīng)成為對(duì)生物環(huán)境產(chǎn)生巨大危害的主要物質(zhì)。對(duì)于水質(zhì)分析與檢測(cè)的過程來說，最重要的是檢測(cè)水體中放射性污染物的濃度及其存在的形態(tài)，利用不同的拉曼光譜技術(shù)能夠提升分子的拉曼散射強(qiáng)度，進(jìn)而將水體中所存在的不同濃度、不同類型的放射性污染物質(zhì)檢測(cè)出來。從具體的操作過程來看，通過采用“APA金納米粒子基體”來提升表面增強(qiáng)拉曼光譜的靈敏度，進(jìn)而能夠有效分析出抽樣水質(zhì)中的“鈾”物質(zhì)的含量。除此以外，對(duì)于相對(duì)低濃度的“鈾”物質(zhì)的檢測(cè)而言，憑借拉曼光譜所具備的重現(xiàn)性技術(shù)優(yōu)勢(shì)，無需經(jīng)冗雜的處置，便可以在低濃度的含“鈾”水質(zhì)環(huán)境中將此類放射性物質(zhì)檢測(cè)分析出來。

3.2.4拉曼光譜在檢測(cè)水質(zhì)中生物污染物過程中的應(yīng)用進(jìn)展

相對(duì)于以上三個(gè)方面的進(jìn)展而言，拉曼光譜在檢測(cè)水質(zhì)中生物污染的進(jìn)展較為快速，因?yàn)樵诮鼛啄陙恚S著城市化建設(shè)的快速推進(jìn)，城市供水生物污染事件時(shí)有發(fā)生，給人們的用水飲水安全帶來了極大地威脅，很可能會(huì)導(dǎo)致人體腸道傳染類疾病或是其它病情的發(fā)生。從以往的研究資料中得知，地下淡水資源以及水質(zhì)環(huán)境遭到了嚴(yán)重的破壞，由于地下水生物環(huán)境與地上生物的生長環(huán)境不同，所以，即便是處理好地球表面的廢水廢棄物等，也很可能殘留部分物質(zhì)，或是將其排放到河道中，對(duì)地下水質(zhì)環(huán)境造成極大的污染，同時(shí)，還殃及到地下水生生物的健康生長。從基礎(chǔ)的生物理論研究內(nèi)容來看，地下水生物環(huán)境與地上生物生長環(huán)境極為不同，而且隨著工業(yè)化生產(chǎn)的加劇，很多企業(yè)將工業(yè)廢水排放至河道中，進(jìn)而影響地下水質(zhì)環(huán)境，甚至?xí)绊懙剿律锏恼ＩL［8］。從實(shí)際情況來分析，針對(duì)地下水質(zhì)生物污染物的檢測(cè)需要利用到拉曼光譜分析方法來執(zhí)行。在應(yīng)用拉曼光譜技術(shù)進(jìn)行地下水質(zhì)及生物環(huán)境的科學(xué)化檢測(cè)時(shí)，可以利用表面增強(qiáng)拉曼技術(shù)的高靈敏的吸附增強(qiáng)效應(yīng)來進(jìn)行生物分子的技術(shù)檢測(cè)，尤其是針對(duì)一些病原抗體分子、蛋白質(zhì)分子等等，其檢測(cè)的效果較為明顯，拉曼光譜分析檢測(cè)技術(shù)已然成為現(xiàn)代乃至未來水質(zhì)檢測(cè)分析領(lǐng)域中不可或缺的一種手段。

從實(shí)踐結(jié)果來看，拉曼光譜在檢測(cè)水質(zhì)中無機(jī)污染物、有機(jī)污染物、放射性污染物以及生物污染物過程中的應(yīng)用進(jìn)展都較為良好，尤其是在水質(zhì)中生物污染物的檢測(cè)項(xiàng)目中，其分析結(jié)果十分有價(jià)值，對(duì)于提升城市供水及人們引水的安全性作用巨大。在實(shí)際進(jìn)行水質(zhì)檢測(cè)等相關(guān)項(xiàng)目的工作中，不僅需要全球各地區(qū)提高對(duì)城市供水生物安全檢測(cè)的認(rèn)識(shí)，憑借最先進(jìn)的科學(xué)檢測(cè)手段來構(gòu)建一整套供水安全檢測(cè)系統(tǒng)，將水源性疾病控制到位，避免引起更加嚴(yán)重的生物污染［9］。在實(shí)踐過程中發(fā)現(xiàn)，利用拉曼光譜技術(shù)來檢測(cè)水質(zhì)中的各類型病原微生物，其效能極佳。

4　結(jié)語

總而言之，在常規(guī)的拉曼光譜基礎(chǔ)上發(fā)展起來的常規(guī)共振拉曼光譜、表面增強(qiáng)共振拉曼光譜等在當(dāng)前全球水污染檢測(cè)領(lǐng)域中的實(shí)際功用得到加強(qiáng)，為水質(zhì)分析中的定性及定量測(cè)量注入了新的活力。經(jīng)研究分析可知，憑借多種拉曼光譜技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用，有助于構(gòu)建一套整合水質(zhì)中污染物數(shù)據(jù)的繁雜數(shù)據(jù)庫，其中充實(shí)了以往人類所發(fā)現(xiàn)的各類型污染物數(shù)據(jù)資料，能夠?yàn)橐?guī)模化地處理水污染事件提供強(qiáng)大的數(shù)據(jù)支持，以及技術(shù)分析策略。事實(shí)上，拉曼光譜理論的實(shí)踐效能極佳，從現(xiàn)實(shí)的角度來看，將拉曼光譜與水質(zhì)實(shí)時(shí)檢測(cè)管理系統(tǒng)相融合，具備一定的可行性與高效性，值得在世界范圍內(nèi)的自來水產(chǎn)業(yè)鏈條中實(shí)施。

［1］陳寧，徐文峰.表面增強(qiáng)拉曼光譜技術(shù)及其在墨跡分析中的應(yīng)用進(jìn)展［J］.廣東公安科技，2014，04（04）：36-37.

［2］盧明子，郭延軍，趙蓮，等.拉曼光譜在血紅蛋白結(jié)構(gòu)及功能研究中的應(yīng)用進(jìn)展［J］.光譜學(xué)與光譜分析，2014，02（02）：439-443.

［3］黃亞偉，張令，王若蘭，魏光.表面增強(qiáng)拉曼光譜在食品非法添加物檢測(cè)中的應(yīng)用進(jìn)展［J］.糧食與飼料工業(yè)，2014，09（09）：24-26.

［4］郭靜波，崔鳳國，楊世東，等.生物強(qiáng)化技術(shù)在污水處理中的應(yīng)用研究現(xiàn)狀及發(fā)展展望［J］.東北電力大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，01（01）：181-182.

［5］朱華東，羅勤，常宏崗，等.激光拉曼光譜及其在天然氣分析中的應(yīng)用展望［J］.天然氣工業(yè)，2013，11（11）：113-114.

［6］高敬，李春正，謝劍煒，等.表面增強(qiáng)拉曼光譜在化學(xué)恐怖物質(zhì)檢測(cè)中的應(yīng)用進(jìn)展［J］.軍事醫(yī)學(xué)，2012，06（06）：478-479.

［7］史永剛，李華峰，龔海峰，等.拉曼光譜及其在石油產(chǎn)品分析中的應(yīng)用［J］.現(xiàn)代儀器，2010，06（06）：12-13.

［8］林小娟，吳振潔，賴源發(fā)，等.拉曼光譜技術(shù)在藥物定性分析中的應(yīng)用［J］.海峽藥學(xué)，2012，10（10）：18-20.

［9］歐陽思怡，葉冰，劉燕德.表面增強(qiáng)拉曼光譜法在農(nóng)藥殘留檢測(cè)中的研究進(jìn)展［J］.食品與機(jī)械，2013，01（01）：243-246.

韓楓（1980—），男，漢族，河南項(xiàng)城人，大學(xué)本科，工程師，研究方向：水環(huán)境監(jiān)測(cè)；張佩（1978—），男，漢族，河南溫縣人，碩士研究生，工程師，研究方向：水環(huán)境監(jiān)測(cè)；崔晨（1988—），女，漢族，河南蘭考人，大學(xué)本科，助工，研究方向：水環(huán)境監(jiān)測(cè)；王威（1982—），男，漢族，河南登封人，碩士研究生，工程師，研究方向：水環(huán)境監(jiān)測(cè)。

★魏磊（1984—），男，漢族，河南鎮(zhèn)平人，大學(xué)本科，工程師，研究方向：水環(huán)境監(jiān)測(cè)。