光谱学是一种强大的工具，有着广泛的应用，它可以通过监测和调节空气污染来保护环境。

文/Samara Gomes，Cory Boone

图1：国际航运是温室气体排放和空气污染物的主要来源，会导致气温上升、气候变化甚至会让人们过早地患上心肺和癌症等致命疾病。

丹麦跨国公司Danfoss IXA基于紫外线（UV）吸收光谱，开发了海洋中的排放物分析仪，用于监测货船排放出的氮氧化物（NOx）、二氧化硫（SO2）和氨气（NH3）。光学监测设备位于船舶排气系统内部，暴露在具有极端温度、振动和腐蚀性的恶劣环境中，这对光谱系统提出了严苛的环境要求。

为什么要监测货船的排放？

国际航运船舶的海上排放，会导致世界各地的人们过早死于肺部损伤和心血管疾病（见图1）。全球每年因航运排放而导致的心肺和肺癌死亡人数，估计高达60000万人。[1]如图2所示，这个死亡人数高于自然灾害和高温/低温暴露造成的估计年死亡人数之和。海上船舶排放不仅是一个影响人类健康的严重问题，而且它也会破坏海洋和陆地的生态系统。

国际海事组织（IMO）和美国环境保护局（EPA）在许多国家的海洋中建立了排放控制区（ECA），并制定了严格的排放法规——如果不通过这些法规，船舶就不能进入很多主要的港口。

例如，如果没有像Danfoss IXA开发的分析仪，当局就没有其他方便、可靠的方法来监测船舶排放并执行这些法规。尽管存在许多旨在限制船舶排放的地方和区域举措，但执行这些政策却非常困难。基于光谱的海洋排放分析仪，是一款能够实时准确地监测船舶排放物的强大工具。

紫外光谱系统

光谱学的基本原理是，物质具有独特的吸收光谱，能够根据其原子和分子组成来吸收不同波长的光。Danfoss IXA的紫外光谱系统，由高强度紫外光源、紫外光谱仪和紫外增强光学组件（如光纤、透镜和平面镜）组成（见图3）。为了了解不同波长是如何被吸收、并以此来确定废气的成分的，光谱仪在空间上将光源的宽频发射分离到1D探测器阵列上，该阵列能同时测量整个紫外光谱。

图3：Danfoss IXA的气体分析仪直接插入到船舶的排放管道中。（图片来源：Danfoss IXA）

虽然Danfoss IXA的系统不使用单色仪进行波长隔离，但许多光谱系统都使用单色仪进行波长隔离。在这些情况下，来自紫外光源的光进入单色仪的入口狭缝，在那里，色散元件（如衍射光栅或棱镜）将光分解成其所包含的成分波长（见图4）。

图4：光谱仪的测试波长，可以通过将宽频发射分离到1D传感器阵列上，或改变单色仪内部衍射光栅或棱镜的角度来微调。（图片来源：Edmund Optics）

单色仪的出射狭缝阻挡了所有波长，只有穿过废气样本的一条窄带光通过狭缝。改变衍射光栅或棱镜的角度，会改变通过出射狭缝的波长，从而可以对测试波段进行微调。穿过废气样本的光然后被引导到探测器上，以确定发生的吸收；然后根据吸收结果来计算废气的分子组成。

对于使用衍射光栅的单色仪，光栅的凹槽频率通常以每毫米凹槽的数量来测量。较高的凹槽频率能提高光学分辨率，但会导致较窄的可用波长范围；相反，较低的凹槽频率会有更宽的可用波长范围，但会牺牲光学分辨率。

环境要求

由于极高的温度和压力要求，这种系统的开发非常具有挑战性。高温会导致光学器件因熔化和热应力而失效，这严重限制了可使用的光学材料的类型。高温也会导致光学组件中的粘合剂放气并污染系统。该系统会暴露在高达500°C的高温下，因此其高压要求使得光学系统的密封至关重要。光学器件需要在几乎没有吸收的情况下传输紫外光，这也限制了可用的光学材料。

光学器件的紫外退化

该项目面临的另一个挑战是，紫外光学器件的寿命往往有限，这主要是由于高功率紫外光子与环境相互作用以及紫外光破坏光学器件的涂层和基底所产生的污染。随着时间的推移，这两种效应都会降低光学组件的性能。

当高功率紫外光与系统中的颗粒、水蒸气、有机物和其他污染物相互作用时，有害的材料可能会沉积在光学器件的表面。排气和其他空气中的污染物通常会导致光学表面上的碳沉积。图5显示了紫外光引发的污染树枝状生长的一个例子。

图5：未涂覆的熔融二氧化硅窗口暴露在紫外光下引起污染的例子。这张图像是在大约3W的紫外激光照射6周后拍摄的，这与Danfoss IXA的气体分析仪的使用情况不同，但它可以说明可能发生的紫外污染类型。[3]

与光学器件周围气体的相互作用，也会导致污染物的沉积，因此任何进入系统的废气都是污染源。小于400nm的紫外波长的光子能量与周围分子的键能接近相同，这允许紫外光破坏其中一些键。这会产生其他离子和分子，从而污染光学表面。

由于光学疲劳过程，紫外光学器件的涂层和基底材料本身在高功率紫外光照射下，也容易随着时间的推移而退化。随着时间的推移，大量使用会导致它们退化，并导致材料变色或其他变化。它们的折射率可以被修改，以产生可以增加局部强度的透镜效应。也可以形成自陷激子，这导致吸收中心的积累。

由于这些影响，紫外光学器件可能需要随着时间的推移进行更换，但适当的密封、清洗和清洁可以减轻这些影响。

Danfoss IXA气体排放分析仪要适应的苛刻环境，给该系统的光学和光学机械设计带来了许多挑战；但该设备被证明是成功的，目前正在帮助监测全球数千艘船舶的排放情况。

这对环境来说是一项伟大的胜利——朝着最大限度地减少国际航运中的NOx、SO2和NH3排放迈进了一步。这种污染的任何减少，都有助于减少每年因航运排放而导致的心肺疾病所带来的死亡人数。

设计在苛刻环境中运行的光学系统时，请与光学组件制造商讨论具体的环境要求。光学组件制造商应该能够指导您完成关键考虑事项，清楚地解释可能需要进行的任何权衡，并确保您的系统按需运行。

参考文献

1. M. Dwortzan, “Smarter regulation of global shipping emissions could improve air quality and health outcomes,” MIT News (Aug. 17, 2021); https://tinyurl.com/yt4sxr2a.

2. H. Ritchie, F. Spooner, and M. Roser, “Causes of death,” Our World in Data (Dec. 2019); https://ourworldindata.org/causes-of-death.

3. B. Arnold, C. Rashvand, L. Willis, and M. Dabney, Proc. SPIE, 12300 (Dec. 2, 2022); doi:10.1117/12.2638404.