淺談近紅外光譜分析技術和光電傳感器的結構設計

近年來，由于我國海洋石油勘測及開采規模不斷擴大，海上石油運輸日益繁忙，因石油開采、運輸、存儲以及其它原因造成海洋突發性溢油事件的發生幾率不斷增加。據統計，1973～2008年底，我國沿海共發生船舶溢油事故3000多起，其中50 t以上重大船舶溢油事故69起，總溢油量37077 t，年均2起，平均每起事故溢油量537 t，在對海洋環境造成了極大的傷害同時嚴重的影響了沿海居民生活 。

當前對于海面溢油的傳統檢測方法有航空遙感和衛星遙感，但是二者均存在著不同的問題，航空遙感監測不具有實時性，衛星遙感對于小范圍污染具有不準確性等缺點，因此，研究和設計一種能實時、準確地監測海面漂浮溢油的系統對保護海洋環境資源具有重要意義。鑒于近紅外光譜分析技術具有速度快、成本低、無污染、不破壞樣品等優點以及在純品油鑒別中的成功應用，設計了一種基于近紅外光譜吸收技術的溢油檢測系統。該系統采用近紅外光作為探測光源結合以單片機為主的數據采集模塊，對近海海面進行在線實時監測，對于保護近海海域的環境安全具有重要意義。

1 近紅外光譜分析技術及其優點

近紅外光（NIR）是指介于可見光和紅外光之間的一種電磁波，波長在780～2 526 nm范圍內，是人們最早發現的一種非可見光。近紅外光譜主要是由于分子振動的非諧振性使分子振動從基態向高能級躍遷時產生的。一般有機物在該區域的近紅外光譜吸收主要是OH、C和NH的倍頻和合頻吸收，幾乎所有有機物的主要結構和組成都可以在它們的近紅外光譜中找到信號，且譜圖穩定。后來研究者發現，物質的含量與近紅外區內多個不同的波長點吸收峰呈線性關系，因此開始利用該技術來測定一些產品中的物質含量。由于有機物如油類都含有OH、C和NH基團，因此近紅外技術被不斷應用于油類的配置與檢測。

不同于傳統的光譜分析技術，近紅外光譜技術的應用具有優點為：（1）分析速度快，測量過程大多可在1 min內完成；（2）分析效率高，通過一次光譜測量和已建立的相應校正模型，可進行無限多樣品多組分的連續測定；（3）分析成本較低，節省費用，且不污染環境；（4）適用樣品范圍廣，通過相應的測樣附件可以直接測量液體、固體、半固體和膠體等不同物態的樣品；（5）樣品一般不需預處理，不需使用化學試劑或高溫、高壓、大電流等測試條件，一般可以達到無損測定；（6）操作簡單方便，使用安全，對操作人員要求不很高。

2 近紅外吸收型光電傳感器的結構設計

2．1 光電傳感系統結構圖

系統要求光電傳感探測部分具有較高的檢測精度和穩定性，且實時性高，即需要對待測海水進行連續不間斷的在線測量，因此采用近紅外LED作為光源。光源發出的近紅外光經過光學鏡組選擇得到對溢油具有特征吸收的分析光，經透射與樣品室的樣品發生相互作用，然后進入光電探測器，將光信號轉換為電信號，從而實現對樣品成分的檢測見圖1所示。

2．2 光源特征波長的選取

光路部分是利用近紅外光透射吸收原理來對水中的含油量進行在線監測，因此要求光源的光譜特性位于近紅外區，采用的特定波長的近紅外光作為光源，并且考慮到設計最終將以浮標的形式封裝并且要長期的投放到海面上，而海面環境較為惡劣，所以，要求該光源的體積小、機械強度高、穩定性強，因此選用近紅外LED作為光源器件。為了更加準確的選取特定峰值的LED，以達到準確測量，自行配置了不同濃度的水油混合物來模擬海面溢油，采用MPA近紅外光譜儀對所配置的樣品進行光譜采集來確定選取峰值。

儀器與試劑：MPA近紅外光譜儀，汽油，煤油樣品配置：在秦皇島海域采取一定量的海水，分別移取100、200、300、500 的汽油、煤油到100 mL的海水中，充分搖勻、靜置使得樣品能夠模擬溢油在海水中的分散狀況。

用近紅外光譜儀對所制備的樣品進行圖譜采集，記錄樣品波數8 000—12 000 cm 區域內的煤油、汽油吸收曲線見圖2。

從圖2可以看出在波數在8 300—8 500 cm 區域，煤油、汽油均有一明顯的吸收峰，并且隨著樣品濃度的增加水油混合物的吸收峰逐漸向純油的峰值靠近，經計算該峰值大約在1 190nm，用特征峰值相近的LED作為發光部分的光源。
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