一、LIBS技術原理

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

二、LIBS技術在空氣監測環境的應用

新年是重要的傳統節日，承載著無數歡笑與祝福，但也伴隨著煙花爆竹燃放帶來的空氣污染挑戰。隨著環保意識的不斷增強，空氣污染問題日益受到關注，空氣質量監測技術日益成為確保公共健康和環境保護的重要工具。燃放煙花會在短時間內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，對環境質量和人體健康構成威脅。因此，如何對新年期間空氣污染進行快速、精準的監測，成為環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，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：如多環芳烴(PAHs)，具有致癌性。

2.1 煙花燃放對空氣質量的實時監測

新年和節日期間，煙花燃放為慶?；顒釉鎏砹嗽S多色彩，但也對空氣質量造成了顯著影響。煙花燃放產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技術通過激光激發空氣中的顆粒物，能夠實時測量這些顆粒的濃度及其化學成分，快速反應空氣質量變化。通過分析不同粒徑顆粒的特征譜圖，LIBS技術可以有效區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，嚴重影響空氣質量和公共健康。LIBS技術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技術能夠對這些顆粒的成分進行精準分析，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節后空氣質量恢復的跟蹤評估

新年煙花燃放結束后，空氣中的污染物會隨著時間的推移逐漸消散。LIBS技術能夠通過連續監測，幫助追蹤空氣質量的恢復過程：

2.2.1動態監測

LIBS技術能夠在不同時間點監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據支持。通過監測污染物濃度隨時間的變化趨勢，LIBS技術幫助科學評估污染的持續時間和恢復速度。

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

結合大氣擴散模型和實時監測數據，LIBS技術能夠對空氣質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改善措施具有重要意義。

技術實施與方案設計

3.1設備選擇與布置

在新年節日期間，煙花燃放及相關活動顯著增加空氣中的污染物濃度，選擇合適的LIBS設備并優化布置方案是實現高效監測的基礎。固定監測站適用于持續觀測城市核心區及煙花集中燃放區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設備則能靈活監測大范圍區域，適用于難以到達的區域或大面積污染的測量，實時獲取垂直剖面數據，快速定位污染擴散路徑，優化應急響應策略;便攜式LIBS設備用于污染熱點區域的應急檢測，特別是突發事件中的現場響應，如工業區、交通繁忙的道路或煙花燃放區域。設備小巧便于移動，且能夠在短時間內提供詳細的污染數據，幫助環境監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，為節日期間的空氣質量監測提供全面支持。

手持式激光誘導光譜儀

3.2 檢測方案設計

結合新年期間的污染源特征與活動規律，科學規劃監測方案。重點針對煙花燃放點及其周邊區域，實時采集PM2.5、PM10.及重金屬濃度等關鍵指標。動態區域監測方案利用固定站點與無人機采樣相結合，繪制污染分布圖并分析擴散趨勢。同時，根據節慶活動的時間節點，加密采樣頻率，例如在除夕夜高峰期每15分鐘采集一次數據，以捕捉污染物的瞬時變化及高峰持續時間。這些方案的核心目標是量化節日活動對空氣質量的影響，指導污染防治措施。

LIBS裝置示意圖

3.3數據采集與處理

LIBS技術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。為確保數據的準確性和可靠性，需要優化激光參數與采譜時間窗口，并結合高精度光譜數據庫進行定性與定量分析。在數據處理階段，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擴散模型，對復雜背景下的光譜信號進行校正，結合氣象數據模擬污染擴散過程，從而精確評估空氣污染狀況。

四、結論

激光誘導擊穿光譜技術在新年節日期間的空氣污染監測中展示了巨大的應用潛力，其快速、精準的特性使其能夠滿足復雜多變的環境監測需求。隨著技術的不斷發展，LIBS技術將成為環境保護與污染治理的重要工具，為提升節慶活動中的環保意識和社會可持續發展提供強大支持。

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審核編輯 黃宇