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红外光谱技术在环境监测中的应用

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中国资源综合利用China Resources Comprehensive UtilizationVol.38，No.42020年4月

- 148 -环境保护

红外光谱技术在环境监测中的应用

杨家宝

（浙江欧雅菲环境检测有限公司，浙江　永康　321300）

摘要：环境监测中，传统的化学分析方法需要使用大量化学试剂，部分试剂具有毒性，可能对环境产生不

友好的污染物，而且分析周期长，无法满足当下环境监测快速、对环境友好的需求。作为与紫外光谱、质谱、

核磁共振谱并称四大光谱之一的分子光谱，红外光谱具有方便快速、高效准确、成本较低、不破坏样品、

不消耗化学试剂、不污染环境等优点，在食品、医学、高分子材料、矿物、环境、石化和制药等领域得到

广泛应用。本文重点分析了红外光谱技术在环境监测中的应用。关键词：环境监测；红外光谱；红外光声光谱

中图分类号：X132 文献标识码：A 文章编号：1008-9500(2020)04-0148-03DOI：10.3969/j.issn.1008-9500.2020.04.041

Application of Infrared Spectroscopy in Environmental Monitoring

Yang Jiabao

(Zhejiang Oyafay Environmental Testing Co., Ltd., Yongkang　321300, China)Abstract: In environmental monitoring, traditional chemical analysis methods require the use of a large number of chemical

reagents, some of which are toxic, may produce unfriendly pollutants to the environment, and have long analysis cycles,

which cannot meet the current rapid and environmentally friendly requirements of environmental monitoring. As a molecular

spectrum that is one of the four major spectra combined with ultraviolet spectrum, mass spectrum, and nuclear magnetic

resonance spectrum, infrared spectrum has the advantages of convenience, speed, efficiency, accuracy, low cost, no damage

to samples, no consumption of chemical reagents, and no pollution to the environment, which is widely used in food,

medicine, polymer materials, minerals, environment, petrochemical and pharmaceutical fields. This paper focuses on the

application of infrared spectroscopy in environmental monitoring.Keywords: vironmental monitoring; infrared spectroscopy; infrared photoacoustic spectroscopy

红外光谱按波长的不同，可分为三个区域：近红

外区（0.75～2.5 μm）、中红外区（2.5～25 μm）

和远红外区（25～300 μm）。近红外主要研究C-H、

O-H及N-H键的倍频或组频吸收，其缺点是该区域

吸收峰强度一般比较弱，可用于有机官能团的分析；

中红外光谱区属于分子的基频振动光谱，主要产生于

分子振动及转动的能级跃迁，绝大多数有机化合物和

无机化合物的基频吸收都在此区域，吸收峰较强，因

此可以有效运用于有机分子结构和样品成分分析；远

红外主要是分子的纯转动能级跃迁以及晶体的晶格振

动，可用于分析无机矿物和金属有机物。红外光谱又可为发射光谱和吸收光谱两类，目前应用较多的有透

射光谱、漫反射光谱、衰减全反射光谱、光声光谱。

红外光谱对样品的适用性相当广泛，固态、液态或气

态样品都能应用，无机、有机、高分子化合物都可检

测。红外光谱是鉴定有机化合物和结构分析的重要工

具，故有化合物“指纹”之称。

1　红外光谱的定量方法研究

由于光谱数据的海量和复杂性，人们需要从纷繁

复杂的数据中提取有效的数据，再利用化学计量学定

量方法建立定量模型。目前，光谱数据预处理方法主

收稿日期：2020-02-04

作者简介：杨家宝（1986-），男，福建泉州人，硕士研究生，工程师，从事环境检测与环境保护工作。

第4期

- 149 -杨家宝：红外光谱技术在环境监测中的应用环境保护

要有导数、矢量归一化、傅里叶变换、小波变换、正

交信号校正、基于遗传算法的谱区挑选等[1]。主要的

化学计量学定量方法包括多元线性回归、主成分分析

法、偏最小二乘法、人工神经网络和支持向量机等[2]。

随着人工智能方法的快速发展，深度学习算法越来越

多被运用于光谱数据的处理[3]。当前，化学计量学方

法持续发展，光谱预处理方法和建模不断优化，红外

光谱技术将在更多的领域取得更大突破。

2　红外光谱技术的应用

2.1　红外光谱技术在环境监测中的应用

2.1.1　大气监测

傅里叶变换红外光谱（FTIR）技术具有高信噪

比、高光谱分辨率、宽谱带信息的优点，在环境科

学实时在线分析方面有着很大的优势。徐亮等利用

开放式长光程FTIR实现北京区域温室气体CO2和

CH4监测以及对NH3的连续监测[4]。除此之外，人

们还从多个方面进行研究。一是利用反射式FTIR实

现对浙江某地区CO2、CH4、N2O和CO四种温室气

体浓度监测和变化规律的研究，CO2、CH4、N2O和

CO四种气体的检测限分别达到0.98 mg/m3，3.57×

10-3 mg/m3，3.93×10-3 mg/m3，6.25×10-3 mg/m3，采

用多次反射式怀特池傅里叶变换红外光谱法连续监测

环境空气的O3，对挥发性气体乙炔（C2H2）和乙烷

（C2H6）进行定量分析。二是利用基于傅里叶变换红

外光谱技术的在线监测系统实现烟气中SO2、NO、

HCL等多组分气体的实时在线分析。三是通过优化采

样及定量分析方法实现含水条件下NO、SO2、NH3、

NO2和N2O稳定性良好、精度高的同时在线测量。四

是利用开放光路FTIR光谱技术测量环境大气中水汽

的稳定同位素H216O和HD16O。五是利用红外光谱结

合化学计量学最小二乘法、主成分回归实现对室内主

要有机污染气体苯、甲苯和二甲苯的同时快速分析。

六是利用傅立叶变换中红外光谱结合合理光谱处理方

法实现混合有毒气体苯、甲苯的定量测量，方法可检

测气体的体积分数为0.5×10-6。

近年来，遥感傅里叶变换红外光谱（RS-FTIR）

成为当前大气环境监测的重要手段之一。与传统化学

分析检测方法相比，RS-FTIR具有远距离实时监测、

无须前处理、快速多组分同时测定，全天候、连续以

及获得地面或高空大区域内三维空间数据，具有很大

的潜力和价值。2.1.2　水环境监测

在水质指标的监测领域，红外光谱也有广泛的应

用。采样近红外光谱（NIRS）结合偏最小二乘法（PLS）

可以预测水体污染中化学需氧量（COD）、五日生化

需氧量（BOD5），也可以测定水中石油类、动植物油等。

有关研究较多。一是利用红外分光光度法测定水中油

含量的分析方法。二是以近红外光谱的一阶导数谱建

立的PLS分析模型对水样COD和BOD5的测定均取

得较好的效果。三是采用近红外透射光谱结合PLS实

现对废水中COD和BOD5的同时测定。四是利用近

红外光谱法采集数据，结合PLS实现对废水COD、

BOD5、pH的快速测定。五是利用NIRS方法实现定

量分析水中的总氮、总磷。六是采用NIRS方法实现

对生活污水氨氮的快速测定。七是采用FTIR测定工

业废水中的酚浓度结果与国标方法非常接近。八是用

便携式傅里叶红外分析仪实现对水中包括苯、甲苯、

二甲苯、乙苯等在内的25种挥发性有机污染物定性

定量分析。红外光谱不仅能够监测水样的pH、总氮、

总磷、磷酸盐、COD、BOD5等常规的水质检测指标，

而且可以检测包括有机杀虫剂、农药在内的有机污

染物和部分重金属污染物，随着预测模型的数据可

靠性和稳定性增强，其在水质环境监测中会有更广泛

的应用。

2.1.3　土壤监测

目前，关于应用红外光谱监测土壤氮含量、有

机质，国内外已有许多报道。一是利用近红外光谱对

土壤纵向空间分层的氮元素含量测定。二是基于近红

外光谱和SVM模型实现对土壤参数全氮、有机质的

预测。三是利用近红外光谱，结合PLS方法建立的预

测模型，能准确地对北京市褐土土质全氮、有机质、

全钾和pH值4种养分进行预测。四是中红外衰减全

反射叠加漫反射联合使用可以提高模型预测土壤养分

全碳、全碳、碱解氮的精度。五是应用中红外光声光

谱技术，结合SVM模型，可以实现对土壤有机质含

量预测。六是采用中外红外光声光谱，结合自适应模

型，实现对土壤有机质含量的测定。七是基于物联网

技术、FFT算法及小波变换的近红外光谱分析技术的

结合，实现了对农田土壤养分有机质、全氮、全磷和

全钾以及有效氮、磷、钾含量的实时监测。八是对水

稻土有机质中红外和近红外光谱的建模进行比较，结

果表明，中红外光谱具有更强的模型稳定性和预测能

力，中红外光谱技术是未来土壤属性高精度预测和土

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基于中红外吸收光谱的长光程仪器在环境空气监测中的应用

基于中红外吸收光谱的长光程仪器在环境空气监测中的应用

２０１７年ｌ２月　电　力科技与　环保　第３３卷第６期　

基于中红外吸收光谱的长光程仪器在环境空气　

监测中的应用　

Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｌｏｎｇ——ｐａｔｈ　ａｉｒ　ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｍｉｄ—－ｉｎｆｒａｒｅｄ　ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ　ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ　ｉｎ　ａｍｂｉｅｎｔ　ａｉｒ　ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　

钟琪，王强　（中国环境监测总站，北京１０００１２）　

摘要：介绍了一种基于中红外吸收光谱的高灵敏长光程环境空气监测仪器，对其进行了实验室性能测试，并与点式　化学发光法仪器进行了对比测试。实验室测试结果表明，长光程仪器的ＮＯ、ＮＯ　和ＮＨ　的零点和量程漂移均小于　±１％Ｆ．Ｓ．／２４ｈ，示值误差均小于０．５％，重复性小于１％，稳定性小于±２．５％。现场比对测试结果表明，长光程和　点式仪器对ＮＯ和ＮＨ３的测量结果基本一致，ＮＯ　测量值的变化趋势基本一致，但是存在一定差异。　关键词：中红外吸收光谱；长光程；环境空气监测仪器；化学发光法；对比测试　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｔ　ｐｒｅｓｅｎｔｓ　ａ　ｈｉｇｈ—ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ　ｌｏｎｇ—ｐａｔｈ　ａｍｂｉｅｎｔ　ａｉｒ　ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｍｉｄ—ｉｎｆｒａｒｅｄ　ａｂ－　ｓｏｒｐｔｉｏｎ　ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ，ｗｈｉｃｈ　ｃｏｎｄｕｃｔｅｄ　ａ　ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｔｅｓｔ　ａｎｄ　ａ　ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ　ｔｅｓｔ　ｏｎ　ｓｉｔｅ　ｃｏｍｐａｒｅｄ　ｗｉｔｈ　ｐｏｉｎｔ　ｃｈｅｍｉｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ　ｍｅｔｈｏｄ　ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ．Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｚｅｒｏ　ｐｏｉｎｔ　ａｎｄ　ｒａｎｇｅ　ｄｒｉｆｔ　ｏｆ　ＮＯ，　ＮＯ，ａｎｄ　ＮＨ　ｆＯｒ　ｌｏｎｇ　ｏｐｔｉｃａｌ　ｐａｔｈ　ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ　ｉｓ　ｌｅｓｓ　ｔｈａｎ±１％Ｆ．Ｓ．／２４　ｈ．ｔｈｅ　ｉｎｄｉｃａｔｉｏｎ　ｅｒｒｏｒ　ｉｓ　ｌｅｓｓ　ｔｈａｎ　０．　５％。ｒｅｐｅａｔａｂｉｌｉｔｙ　ｉｓ　ｌｅｓｓ　ｔｈａｎ　１％．ａｎｄ　ｓｔａｂｉｌｉｔｙ　ｉｓ　ｌｅｓｓ　ｔｈａｎ±２．５％．Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ　ｔｅｓｔ　ｏｎ　ｓｉｔｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ　ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ　ｏｎ　ｔｈｅ　ＮＯ　ａｎｄ　ＮＨ　ｏｆ　Ｉｏｎｇ　ＯｌｏｔｉｃａＩ　ｐａｔｈ　ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ　ａｎｄ　ｃｈｅｍｉｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ　ｍｅｔｈｏｄ　ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ　ａｒｅ　ｂａｓｉｃａｌｌｙ　ｔｈｅ　ｓａｍｅ．ｔｈｅ　ｔｒｅｎｄ　ｏｆ　Ｎ０，ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　ｉｓ　ｂａｓｉｃａｌｌｙ　ｔｈｅ　ｓａｍｅ　ｂｕｔ　ａ　ｃｅｒｔａｉｎ　ｄｉｆｅｒｅｎｃｅ　ｉｓ　ｔｈｅｒｅ．　

傅里叶红外光谱原理和用途

傅里叶红外光谱原理和用途

傅里叶红外光谱原理和用途

傅里叶红外光谱（Fourier Transform Infrared Spectroscopy，FTIR）是一种非常常用的光谱学技术，其基本原理是通过测量分子的振动能量和频率来分析样品的结构和化学组成。傅里叶变换技术是FTIR的核心，它使得信号的时域转换为频域，从而获得样品分子内部振动的频率和强度信息。

傅里叶变换是一种数学方法，用于将信号在时间域和频域之间进行转换，常用于光谱学中。原始信号可以表示为一系列正弦波的叠加，根据傅里叶变换的原理，将它们转换为频谱分析的形式。傅里叶变换允许将原始信号从时域中转换到频域中，并在频域中进行分析和处理。

在傅里叶红外光谱技术中，将光信号通过样品后，红外辐射震动会激发样品中的分子振动，样品中的化学键被激发而振动，频率和振动模式会因样品分子和它的化学组成而不同。此时，FTIR仪器接收这些红外辐射信号，然后进行傅里叶变换，将信号从时域转换到频域。FTIR所测量的光谱图中，红外光谱的吸收带宽度、位置和强度都反映了样品分子的振动频率和振动模式，从而推断出样品的化学组成和结构。

傅里叶红外光谱技术可以用于很多领域，包括化学、物理、生物、医学、化学工程、材料科学和地球科学等。傅里叶红外光谱技术广泛使用的主要原因在于：

1. 傅里叶红外光谱技术可以测量分子固有振动，分析物质的成分结构，因此能够被应用于许多领域的标准分析和 qc/qm 研究。

2. 微量化学分析中的优越性。由于数百万个分子一起振动所产生的信号水平，采取傅里叶变换后，可以避免噪声干扰，获得高分辨率的信号，因此可以进行微量分析。

下面介绍傅里叶红外光谱技术的几种主要应用领域：

1. 材料科学领域

傅里叶红外光谱技术可以用来研究材料的粘结结构、物理结构和化学组成，包括塑料、橡胶、沥青、涂料、胶粘剂等。傅里叶红外光谱技术广泛应用于材料的品质控制、工程应用、以及材料性质的研究和表征。

红外光谱技术在食品检测中的应用

红外光谱技术在食品检测中的应用

工技术

D0l:10.16767/ki.10-1213/tu.2019.01.101

红外光谱技术在食品检测中的应用

吴轩

上海市艾丝碧西食品有限公司

摘要：随着时间不断发展变化，人们的生活水平在逐渐的

提升，人们对于食品的健康安全问题重视程度越来越高。现阶

段我国的食品安全问题相对来说比较突出，引起了越来越多人

的关注，这也给我国的食品检测提出了更高的要求。随着技术

的不断发展，在食品检测的过程中也有越来越多的技术应用到

食品检测过程中，给食品检测的质量以及效率的提升起到了一

定的促进作用。

关键词：红外光谱技术；食品检测；应用优势

1 前言

木文主要讲的是红外光谱技术在食品检测中的应用来进行

说明,并且对于红外光谱技术来自身的优势都进行一定的说明。

对于红外光谱技术的应用来说，其不仅仅会应用到食品检测过

程中还会应用到很多不同的领域.对于其发展都会产生影响作

用。而在现阶段多样化的食品检测过程中，红外光谱技术在其

中所起到的作用非常明显。

2红外光谱技术在食品检测中的应用

2.1在对于混合物以及纯化物的检测中进行应用

其实红外光谱指纹特点相对来说会比较的明显，在使用红

外光谱检测技术的过程中一般来说可以对于被检测物质中所出

现的结构上以及成分含量的变化都进行检测，同时在使用此技

术对于纯化物进行检测可以通过对于红外光谱中所体现的明显

的差异进行体现.我们可以通过对于直接观察的方法直接通过

对红外光谱图的变化进行一定的区分和辨别。而对于混合物的

结构进行检测的过程中，由于其本身结构以及成分的复杂想.因

此直接通过对于红外光谱涂的差异进行观察无法对其进行判

断，这时候就需要借助一些分辨性相对来说比较强的技术来对

于混合物进行检测。

2.2近代光谱技术的应用

在对于近红外光谱技术进行应用的过程中，就目前我国食

品检测的技术水平说已经实现在不同的食品检测的成分检测过

程中进行对于近红外光谱技术的应用。比如说在对于牛奶的检

傅里叶红外光谱气体遥测成像

傅里叶红外光谱气体遥测成像

傅里叶红外光谱气体遥测成像

傅里叶红外光谱气体遥测成像是一种先进的气体传感技术，通过使用傅里叶变换将红外辐射信号转换成频谱图像，实现对大气中各种气体的高精度探测和成像。这种技术在环境监测、危化品排放监测、大气污染预警等领域有着广泛的应用前景。

傅里叶红外光谱气体遥测成像技术主要基于红外辐射的分子吸收谱原理。大气中的各种气体在受到红外辐射激发后，会吸收特定波长的辐射能量，产生独特的吸收峰。通过测量吸收峰的位置、强度和形状，就可以准确地识别出大气中存在的各种气体成分。傅里叶变换技术则可以将这些频谱数据转换成可视化的成像图像，从而实现对大气中各种气体的高分辨率成像和监测。

与传统的气体传感器相比，傅里叶红外光谱气体遥测成像技术具有以下几个显著优势。首先，它可以实现对多种气体的同步探测和成像，无需单独安装多种传感器，大大简化了监测系统的布设和维护。其次，由于采用了红外光谱技术，这种成像技术对气体的探测灵敏度和准确度都较高，可以实现对大气中微量气体的高精度监测。此外，傅里叶红外光谱气体遥测成像技术还具有快速响应、实时监测和远程遥测的能力，非常适合用于大范围、复杂环境下的气体监测和控制。

傅里叶红外光谱气体遥测成像技术在环境监测领域有着广泛的应用前景。首先，它可以实现对大气中多种有害气体的实时监测，如二氧化硫、一氧化碳、甲醛等，有助于及时发现和处理大气污染源，保障人民身体健康。其次，这种技术还可以用于监测危化品的排放情况，及时预警和处理潜在的安全隐患。此外，傅里叶红外光谱气体遥测成像技术还可以在地质勘探、天然气管道监测、火灾预警等领域发挥重要作用，为实现智能化、精准化的环境监测和管理提供了有力工具。

总之，傅里叶红外光谱气体遥测成像技术是一种极具潜力和发展前景的先进气体传感技术，它能够实现对大气中各种气体的高精度探测和成像，对于环境监测、安全管理、资源勘探等领域都有着广泛的应用前景。随着技术的不断进步和应用的推广，相信这种技术必将为我们的生活和社会发展带来更多的益处。