煙花綻放下的隱形威脅？LIBS技術(shù)助力新年空氣質(zhì)量監(jiān)測！

一、LIBS技術(shù)原理

激光誘導擊穿光譜（Laser-Induced Breakdown Spectroscopy, LIBS）技術(shù)是一種原子發(fā)射光譜技術(shù)，由于它無需樣品制備、可以多種元素同時測量、可以實現(xiàn)原位/在線測量等優(yōu)點，被認為是“化學分析新星”。目前，LIBS技術(shù)處于商業(yè)化前的關(guān)鍵發(fā)展階段，技術(shù)成熟度與二十年前的電感耦合等離子體（ICP）技術(shù)相當，一旦**問題得以突破，LIBS技術(shù)將進入大規(guī)模商業(yè)化的黃金時代。

二、LIBS技術(shù)在空氣監(jiān)測環(huán)境的應用

新年是重要的傳統(tǒng)節(jié)日，承載著無數(shù)歡笑與祝福，但也伴隨著煙花爆竹燃放帶來的空氣污染挑戰(zhàn)。隨著環(huán)保意識的不斷增強，空氣污染問題日益受到關(guān)注，空氣質(zhì)量監(jiān)測技術(shù)日益成為確保公共健康和環(huán)境保護的重要工具。燃放煙花會在短時間內(nèi)導致空氣中顆粒物濃度大幅上升，并釋放多種有害氣體和重金屬，對環(huán)境質(zhì)量和人體健康構(gòu)成威脅。因此，如何對新年期間空氣污染進行快速、精細的監(jiān)測，成為環(huán)境保護領域的重要課題。激光誘導擊穿光譜（LIBS）作為一種高效、精確的分析技術(shù)，以其快速、高靈敏度和非接觸測量的特點，能夠提供實時的污染檢測與評估，幫助及時響應環(huán)境變化，為新年期間的空氣污染檢測提供了有效解決方案。在特殊事件如煙花燃放期間，空氣中的污染物主要包括：

 顆粒物（PM2.5 和 PM10）：來源于煙花的燃燒副產(chǎn)物。

 有害氣體：包括二氧化硫（SO2）、氮氧化物（NOx）和一氧化碳（CO）。

 重金屬元素：如鉛（Pb）、鎘（Cd）、鍶（Sr）、鋇（Ba）等，通常來自煙花中的顏料和助燃劑。

有機化合物：如多環(huán)芳烴（PAHs），具有致*性。

2.1 煙花燃放對空氣質(zhì)量的實時監(jiān)測

新年和節(jié)日期間，煙花燃放為慶?；顒釉鎏砹嗽S多色彩，但也對空氣質(zhì)量造成了***影響。煙花燃放產(chǎn)生的污染物不僅影響視野，還直接威脅到公眾健康，尤其是在PM2.5和重金屬污染物方面。

2.1.1顆粒物檢測

煙花釋放的煙霧中，PM2.5和PM10顆粒物含量明顯增加。LIBS技術(shù)通過激光激發(fā)空氣中的顆粒物，能夠?qū)崟r測量這些顆粒的濃度及其化學成分，快速反應空氣質(zhì)量變化。通過分析不同粒徑顆粒的特征譜圖，LIBS技術(shù)可以有效區(qū)分不同來源的污染物。

大氣燃燒煙塵在 300-780nm 波段的 LIBS 光譜圖

2.1.2重金屬檢測

煙花中常含有鉛、鎘、鍶、鋇等重金屬元素，燃放過程中這些元素釋放到空氣中，嚴重影響空氣質(zhì)量和公共健康。LIBS技術(shù)可直接檢測空氣中這些重金屬的濃度，并評估其污染風險，幫助及時采取應對措施。

大氣燃燒煙塵、含 Pb 大氣燃燒煙塵和純 Pb 的光譜對比圖

2.1.3氣溶膠分析

煙花釋放的氣溶膠顆粒是一種復雜的污染物。LIBS技術(shù)能夠?qū)@些顆粒的成分進行精細分析，幫助了解空氣中不同污染物的種類和濃度，評估污染物對人體健康和環(huán)境的影響

氣溶膠在 370-465nm 的 LIBS 光譜圖

氣溶膠在 450-680nm 波段的 LIBS 光譜圖

氣溶膠在 700-880 nm 波段的 LIBS 光譜圖

2.2 節(jié)后空氣質(zhì)量恢復的跟蹤評估

新年煙花燃放結(jié)束后，空氣中的污染物會隨著時間的推移逐漸消散。LIBS技術(shù)能夠通過連續(xù)監(jiān)測，幫助追蹤空氣質(zhì)量的恢復過程：

2.2.1動態(tài)監(jiān)測

LIBS技術(shù)能夠在不同時間點監(jiān)測污染物濃度的變化，為污染物從濃度高峰到恢復階段的過程提供詳盡的數(shù)據(jù)支持。通過監(jiān)測污染物濃度隨時間的變化趨勢，LIBS技術(shù)幫助科學評估污染的持續(xù)時間和恢復速度。

近八年除夕至初一全國逐小時PM2.5平均濃度示意圖 

2.2.2恢復評估

結(jié)合大氣擴散模型和實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，LIBS技術(shù)能夠?qū)諝赓|(zhì)量的恢復進程進行精確評估。這對于空氣污染應急管理和制定后續(xù)改善措施具有重要意義。

三、技術(shù)實施與方案設計

3.1 設備選擇與布置

在新年節(jié)日期間，煙花燃放及相關(guān)活動***增加空氣中的污染物濃度，選擇合適的LIBS設備并優(yōu)化布置方案是實現(xiàn)高效監(jiān)測的基礎。固定監(jiān)測站適用于持續(xù)觀測城市**區(qū)及煙花集中燃放區(qū)域的重金屬元素濃度變化，便于評估污染來源；無人機搭載LIBS設備則能靈活監(jiān)測大范圍區(qū)域，適用于難以到達的區(qū)域或大面積污染的測量，實時獲取垂直剖面數(shù)據(jù)，快速定位污染擴散路徑，優(yōu)化應急響應策略；便攜式LIBS設備用于污染熱點區(qū)域的應急檢測，特別是突發(fā)事件中的現(xiàn)場響應，如工業(yè)區(qū)、交通繁忙的道路或煙花燃放區(qū)域。設備小巧便于移動，且能夠在短時間內(nèi)提供詳細的污染數(shù)據(jù)，幫助環(huán)境監(jiān)測人員迅速評估污染情況。

這些設備通過合理布局形成互補，為節(jié)日期間的空氣質(zhì)量監(jiān)測提供***支持。

手持式激光誘導光譜儀

3.2 檢測方案設計

結(jié)合新年期間的污染源特征與活動規(guī)律，科學規(guī)劃監(jiān)測方案。重點針對煙花燃放點及其周邊區(qū)域，實時采集PM2.5、PM10。及重金屬濃度等關(guān)鍵指標。動態(tài)區(qū)域監(jiān)測方案利用固定站點與無人機采樣相結(jié)合，繪制污染分布圖并分析擴散趨勢。同時，根據(jù)節(jié)慶活動的時間節(jié)點，加密采樣頻率，例如在除夕夜高峰期每15分鐘采集一次數(shù)據(jù)，以捕捉污染物的瞬時變化及高峰持續(xù)時間。這些方案的**目標是量化節(jié)日活動對空氣質(zhì)量的影響，指導污染防治措施。

LIBS裝置示意圖

3.3 數(shù)據(jù)采集與處理

LIBS技術(shù)通過等離子體特征譜線分析獲取污染物元素組成和濃度信息。為確保數(shù)據(jù)的準確性和可靠性，需要優(yōu)化激光參數(shù)與采譜時間窗口，并結(jié)合高精度光譜數(shù)據(jù)庫進行定性與定量分析。在數(shù)據(jù)處理階段，應用背景干擾剔除、平滑算法降噪等預處理方法，提高信噪比與信背比。利用多元回歸和動態(tài)擴散模型，對復雜背景下的光譜信號進行校正，結(jié)合氣象數(shù)據(jù)模擬污染擴散過程，從而精確評估空氣污染狀況。

四、結(jié)論

激光誘導擊穿光譜技術(shù)在新年節(jié)日期間的空氣污染監(jiān)測中展示了巨大的應用潛力，其快速、精細的特性使其能夠滿足復雜多變的環(huán)境監(jiān)測需求。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，LIBS技術(shù)將成為環(huán)境保護與污染治理的重要工具，為提升節(jié)慶活動中的環(huán)保意識和社會可持續(xù)發(fā)展提供強大支持。

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