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摘要：差分吸收光谱技术是近年来应用较为广泛的大气监测方法之一，具有高效率、大范围、便于操作等方面的优势，可以用于大气领域的长期监测工作。为此，本文针对差分吸收光谱技术的原理与技术要点进行分析，并探讨这门技术在大气监测领域中的应用，希望能够推进这种技术在更加广泛的领域应用。
关键词：差分吸收光谱技术；大气监测；比尔-郎博特定律
前言：近年来，人们在生产与生活过程中给周边环境造成的影响越来越大，大气污染、臭氧空洞与厄尔尼诺现象逐渐加剧，人们愈发关注环境问题，雾霾及PM2.5对于大气环境的影响也逐渐成为近年来的热门词汇，这种情况下，研究差分吸收光谱技术及其在大气监测中的具体应用，对于探究大气问题具有重要作用。
1.差分吸收光谱技术原理
本质上来说，差分吸收光谱技术是利用光谱会被分子所吸收的特性，并根据比尔-郎博特定律中对于不同分子对光辐射区别吸收特点对空气成分与浓度进行判断的一种方法。当空气或空气池中经过同一束光线时，空气中的不同分子会对光线进行有差别的吸收，会影响光线的波长、强度与光子的组成，被空气分子吸收之后的光谱，同原本的光谱相互对比，即为吸收光谱，此时分析吸收光谱就可以确定空气中某些物质的成分与数量。
一般来说，运用差分吸收光譜技术来监测空气情况，会采用光源、空气池、望远镜设备来进行，由光源发出光束，经过空气池最后通过望远镜来观察，在这一过程中，光线会经过不同的分子吸收与散射作用发生改变。根据比尔-郎博特定律，光线经过一段分散均衡、厚度（L）一定、密度（C）一定的空气时，透射后的光线强度为I（λ，T，P）和透射前的原光线强度I0（λ）之间的关系为
这其中，σ是气体吸收光线谱时的横截面，是一个函数，其种类在于光谱波长、空气温度与压力、空气中分子的种类，其单位为cm2/mole。空气池中的真实温度与压力，会影响空气吸收光谱的横截面，对光产生散射作用，当空气温度升高18°R，光栅光谱设备就会产生1个像素的位移，当光谱出于室内正常温度或者高温情况下，空气温度与压力对于空气吸收光谱横截面的影响也会对计算带来不利影响，在空气中，光线的强度会随着空气分子的吸收而逐渐衰减，空气内分子对于光子的吸收与散射作用的叠加，其结果如下：
这其中，σi是i类型的空气吸收光谱时的横截面；Ci是i类型的空气从空气厚度L中的平均密度；εM是光线的米氏散射系数；εR是光线的瑞利散射系数；A是测量系统与光线波长关系转变较为缓和的结构。
根据比尔-郎博特定律可知空气吸收光线的横截面σ是慢变结构σB与快变结构σ’的和值，即σ=σB+σ’，带入上式中可以得知：
可以得出：
其中，I’（λ，T，P）为含有空气杂质吸收的慢变结构、空气颗粒吸收与散射、光子与噪音等慢变因素，光学密度可以用以下公式表示：
OD=ln=ln=ln，对以上公式进行对比，差分光学密度OD’可以用以下公式表示：
对以上公式进行求解，即为光线射程内部的空气杂质与分子的平均浓度[1]。
2.差分吸收光谱的技术要点
2.1高质量吸收光谱的获得
高質量吸收光谱还需要保证测量光谱的质量水平。差分吸收光谱技术是一种监测较弱光谱的技术，会比较容易受到杂散光和杂音的影响，因此要具备较强的屏蔽能力，在结构设计方面，差分吸收光谱需要大焦距望远镜来减少其他光线的干扰，其他单色仪可以使用切尔尼-特纳光学系统的结构来减少杂散光对设备的影响，探测器要求保持较低的恒温，从而降低杂音的影响，以光电倍增管为探测器可以缩短扫描时长，来减少空气对于监测工作的干扰。
2.2光谱的反向推演
差分吸收光谱技术的应用会产生测量光谱、背景光谱和光源光谱三种，监测工作首要任务就是消减干扰因素，继而清除掉光源光谱与测量光谱中的背景光谱，以测量光谱对比光源光谱，其比值就是初步分析之后的光谱，但这种做法并不能取得直接监测光源光谱一样的效果。光谱经过初步分析，就可以进行高通与低通的快速傅氏变换，其结果为两个光谱——结构精密、走向平滑的初步分析光谱和初步分析光谱的慢变化走势，以前一个光谱对比后一项走势，其比值即为差分光学密度，能够消解米氏散射与瑞利散射对于光谱的不必要干扰，继而计算出空气密度。
对于差分吸收光谱进行反向推演，是判断空气监测准确性的重要方法，但反向推演也存在光谱位移会变形，使得测量光谱与参考光谱之间失去有效性，在使用探测器来对光谱进行记录的过程中，会将光谱波长进行分解，其分解点数量为m，以i作为编号进行记录。在光谱波长的分界点之间的每一个区间，计算（λi，λi+1）区间内的积分，可以通过波长-离散点的映射ГI来计算。根据光谱离散的线性关系，可知ГI：λi=λ0+γ0×i。这其中，光谱的宽度在一个离散点处为常数Δλi=λi+1-λi=γ0。通常来说，监测仪器波长-离散点之间的映射ГI可以通过公式进行计算：ГI：λi= [2]。
3.大气监测领域，差分吸收光谱技术的应用
在大气监测领域，差分吸收光谱技术的应用主要是用来监测大气中的二氧化硫、二氧化氮及臭氧三种气体，这是大气中的主要污染物。运用差分吸收光谱技术来进行这三种气体的监测工作，是通过三种谱段来实现的，二氧化硫谱段在于260-340nm，二氧化氮谱段在于380-440nm，臭氧谱段在于250-310nm。实际的大气监测，会产生不同的谱段，被监测空气在这一区间中会产生差分吸收情况。通过研究与试验我们知道，差分吸收光谱技术在大气监测中得出的结果与实际情况有一定的出入，但大体上是比较准确的，这是由于技术应用原理与试验允许误差而导致的，差分吸收光谱技术所监测的是光谱某种成分的平均浓度，定点监测是监测某一点上的浓度情况，这是造成两种大气监测结果差距的主要原因。
硝酸根与自由基是非常重要的基原子团，会对烃类物质与硫化物进行氧化还原，也可以用于对臭氧的研究。运用差分吸收光谱技术来监测空气中的硝酸根是常规监测方法，也可以用差分吸收光谱技术来监测空气中的自由基。差分吸收光谱技术对于硝酸根与自由基的监测工作而言具有非常大的优势，能够在一定程度上消减误差[3]。
结语：近年来，我国的深圳、厦门等地区逐渐开始引进差分吸收光谱技术来对大气环境进行监测，并不断进行这种大气监测技术的探索，也取得了一定的成就。但就现阶段而言，国内外关于差分吸收光谱技术的设备与仪器，只能够满足固定位置空气取样工作，还没能充分实现智能化与自动化，还需要不断的研究与探索。
参考文献：
[1]李素文，牟福生，施瑞瑞，韦民红. 获取大气颗粒物消光系数的差分吸收光谱法研究[J]. 光谱学与光谱分析，2017，37（06）：1930-1933. [2017-08-05].
[2]戈燕红，李玉金，朱军华. 基于差分吸收光谱法的光纤烟气监测系统[J]. 化工管理，2017，（20）：129. [2017-08-05].
[3]路彩侠. 差分吸收光谱反演方法在环境监测系统中的研究[J]. 科技展望，2017，27（09）：126. [2017-08-05].
关键词：差分吸收光谱技术；大气监测；比尔-郎博特定律
前言：近年来，人们在生产与生活过程中给周边环境造成的影响越来越大，大气污染、臭氧空洞与厄尔尼诺现象逐渐加剧，人们愈发关注环境问题，雾霾及PM2.5对于大气环境的影响也逐渐成为近年来的热门词汇，这种情况下，研究差分吸收光谱技术及其在大气监测中的具体应用，对于探究大气问题具有重要作用。
1.差分吸收光谱技术原理
本质上来说，差分吸收光谱技术是利用光谱会被分子所吸收的特性，并根据比尔-郎博特定律中对于不同分子对光辐射区别吸收特点对空气成分与浓度进行判断的一种方法。当空气或空气池中经过同一束光线时，空气中的不同分子会对光线进行有差别的吸收，会影响光线的波长、强度与光子的组成，被空气分子吸收之后的光谱，同原本的光谱相互对比，即为吸收光谱，此时分析吸收光谱就可以确定空气中某些物质的成分与数量。
一般来说，运用差分吸收光譜技术来监测空气情况，会采用光源、空气池、望远镜设备来进行，由光源发出光束，经过空气池最后通过望远镜来观察，在这一过程中，光线会经过不同的分子吸收与散射作用发生改变。根据比尔-郎博特定律，光线经过一段分散均衡、厚度（L）一定、密度（C）一定的空气时，透射后的光线强度为I（λ，T，P）和透射前的原光线强度I0（λ）之间的关系为
这其中，σ是气体吸收光线谱时的横截面，是一个函数，其种类在于光谱波长、空气温度与压力、空气中分子的种类，其单位为cm2/mole。空气池中的真实温度与压力，会影响空气吸收光谱的横截面，对光产生散射作用，当空气温度升高18°R，光栅光谱设备就会产生1个像素的位移，当光谱出于室内正常温度或者高温情况下，空气温度与压力对于空气吸收光谱横截面的影响也会对计算带来不利影响，在空气中，光线的强度会随着空气分子的吸收而逐渐衰减，空气内分子对于光子的吸收与散射作用的叠加，其结果如下：
这其中，σi是i类型的空气吸收光谱时的横截面；Ci是i类型的空气从空气厚度L中的平均密度；εM是光线的米氏散射系数；εR是光线的瑞利散射系数；A是测量系统与光线波长关系转变较为缓和的结构。
根据比尔-郎博特定律可知空气吸收光线的横截面σ是慢变结构σB与快变结构σ’的和值，即σ=σB+σ’，带入上式中可以得知：
可以得出：
其中，I’（λ，T，P）为含有空气杂质吸收的慢变结构、空气颗粒吸收与散射、光子与噪音等慢变因素，光学密度可以用以下公式表示：
OD=ln=ln=ln，对以上公式进行对比，差分光学密度OD’可以用以下公式表示：
对以上公式进行求解，即为光线射程内部的空气杂质与分子的平均浓度[1]。
2.差分吸收光谱的技术要点
2.1高质量吸收光谱的获得
高質量吸收光谱还需要保证测量光谱的质量水平。差分吸收光谱技术是一种监测较弱光谱的技术，会比较容易受到杂散光和杂音的影响，因此要具备较强的屏蔽能力，在结构设计方面，差分吸收光谱需要大焦距望远镜来减少其他光线的干扰，其他单色仪可以使用切尔尼-特纳光学系统的结构来减少杂散光对设备的影响，探测器要求保持较低的恒温，从而降低杂音的影响，以光电倍增管为探测器可以缩短扫描时长，来减少空气对于监测工作的干扰。
2.2光谱的反向推演
差分吸收光谱技术的应用会产生测量光谱、背景光谱和光源光谱三种，监测工作首要任务就是消减干扰因素，继而清除掉光源光谱与测量光谱中的背景光谱，以测量光谱对比光源光谱，其比值就是初步分析之后的光谱，但这种做法并不能取得直接监测光源光谱一样的效果。光谱经过初步分析，就可以进行高通与低通的快速傅氏变换，其结果为两个光谱——结构精密、走向平滑的初步分析光谱和初步分析光谱的慢变化走势，以前一个光谱对比后一项走势，其比值即为差分光学密度，能够消解米氏散射与瑞利散射对于光谱的不必要干扰，继而计算出空气密度。
对于差分吸收光谱进行反向推演，是判断空气监测准确性的重要方法，但反向推演也存在光谱位移会变形，使得测量光谱与参考光谱之间失去有效性，在使用探测器来对光谱进行记录的过程中，会将光谱波长进行分解，其分解点数量为m，以i作为编号进行记录。在光谱波长的分界点之间的每一个区间，计算（λi，λi+1）区间内的积分，可以通过波长-离散点的映射ГI来计算。根据光谱离散的线性关系，可知ГI：λi=λ0+γ0×i。这其中，光谱的宽度在一个离散点处为常数Δλi=λi+1-λi=γ0。通常来说，监测仪器波长-离散点之间的映射ГI可以通过公式进行计算：ГI：λi= [2]。
3.大气监测领域，差分吸收光谱技术的应用
在大气监测领域，差分吸收光谱技术的应用主要是用来监测大气中的二氧化硫、二氧化氮及臭氧三种气体，这是大气中的主要污染物。运用差分吸收光谱技术来进行这三种气体的监测工作，是通过三种谱段来实现的，二氧化硫谱段在于260-340nm，二氧化氮谱段在于380-440nm，臭氧谱段在于250-310nm。实际的大气监测，会产生不同的谱段，被监测空气在这一区间中会产生差分吸收情况。通过研究与试验我们知道，差分吸收光谱技术在大气监测中得出的结果与实际情况有一定的出入，但大体上是比较准确的，这是由于技术应用原理与试验允许误差而导致的，差分吸收光谱技术所监测的是光谱某种成分的平均浓度，定点监测是监测某一点上的浓度情况，这是造成两种大气监测结果差距的主要原因。
硝酸根与自由基是非常重要的基原子团，会对烃类物质与硫化物进行氧化还原，也可以用于对臭氧的研究。运用差分吸收光谱技术来监测空气中的硝酸根是常规监测方法，也可以用差分吸收光谱技术来监测空气中的自由基。差分吸收光谱技术对于硝酸根与自由基的监测工作而言具有非常大的优势，能够在一定程度上消减误差[3]。
结语：近年来，我国的深圳、厦门等地区逐渐开始引进差分吸收光谱技术来对大气环境进行监测，并不断进行这种大气监测技术的探索，也取得了一定的成就。但就现阶段而言，国内外关于差分吸收光谱技术的设备与仪器，只能够满足固定位置空气取样工作，还没能充分实现智能化与自动化，还需要不断的研究与探索。
参考文献：
[1]李素文，牟福生，施瑞瑞，韦民红. 获取大气颗粒物消光系数的差分吸收光谱法研究[J]. 光谱学与光谱分析，2017，37（06）：1930-1933. [2017-08-05].
[2]戈燕红，李玉金，朱军华. 基于差分吸收光谱法的光纤烟气监测系统[J]. 化工管理，2017，（20）：129. [2017-08-05].
[3]路彩侠. 差分吸收光谱反演方法在环境监测系统中的研究[J]. 科技展望，2017，27（09）：126. [2017-08-05].