河流是全球眾多城市和社區(qū)的重要自然資源。保持獲得清潔水以及生態(tài)健康的河流和地表水對(duì)于推動(dòng)區(qū)域經(jīng)濟(jì)、支持人類和水生物種的健康以及提供娛樂至關(guān)重要。維護(hù)河流和湖泊生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)性需要研究人員、監(jiān)管機(jī)構(gòu)、行業(yè)和公民之間的合作，以及適應(yīng)性強(qiáng)的光學(xué)傳感技術(shù)，以幫助監(jiān)測(cè)水質(zhì)和成分的變化。

科學(xué)家們正在使用光譜學(xué)等技術(shù)來跟蹤流水及其周圍環(huán)境的穩(wěn)定性和健康狀況。在水中發(fā)現(xiàn)的許多材料都具有光學(xué)響應(yīng)，例如反射率，吸光度或熒光，可以使用光學(xué)傳感器和光譜儀進(jìn)行測(cè)量。光譜學(xué)等光學(xué)傳感技術(shù)提供紫外-可見分光光度計(jì)數(shù)據(jù)，以幫助人類提高對(duì)河流和湖泊生態(tài)福祉的理解和監(jiān)測(cè)。

隨著科技的迭代更新和時(shí)間的推移，光譜儀變得更便攜、更智能、更容易操作。曾經(jīng)被認(rèn)為在室外不切實(shí)際的應(yīng)用程序現(xiàn)在已經(jīng)變得司空見慣。便攜式、緊湊型的光纖光譜儀可以直接安裝在環(huán)境中，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)，比采集樣品并準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)室分析時(shí)更直接、更靈活地監(jiān)測(cè)各種參數(shù)。

紫外-可見光譜的優(yōu)點(diǎn)包括使用緊湊和精心設(shè)計(jì)的儀器收集原位測(cè)量的便利性，特別是與傳統(tǒng)方法相比，模塊化光譜儀的便攜性與提取和制備樣品以在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行分析所需的工作量，現(xiàn)代光譜儀的低功耗要求，使長(zhǎng)期現(xiàn)場(chǎng)使用更易于管理，以及自動(dòng)將實(shí)時(shí)測(cè)量數(shù)據(jù)從現(xiàn)場(chǎng)儀表傳輸?shù)交谠频臄?shù)據(jù)環(huán)境以進(jìn)行更詳細(xì)分析和存儲(chǔ)的能力。

便攜式光譜儀的優(yōu)勢(shì)功能吸引了廣泛的用戶，包括對(duì)實(shí)地工作的準(zhǔn)確性感興趣的研究人員和科學(xué)家以及環(huán)境監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)人員。對(duì)于后者，他們可以根據(jù)實(shí)地探測(cè)的需求，將具有成本效益和高度定制的光譜組件與堅(jiān)固耐用的復(fù)雜儀器相結(jié)合，創(chuàng)造出新的實(shí)地采樣方法，促進(jìn)了產(chǎn)品創(chuàng)新。

虹科便攜式光譜儀

通過光譜儀測(cè)試樣本的吸光度、反射率、輻照度和熒光光譜等，能夠獲得以下與水質(zhì)相關(guān)的各種指標(biāo)的信息，例如：

? 高葉綠素水平與高濃度的營養(yǎng)物質(zhì)有關(guān)，這可以追溯到化糞池系統(tǒng)泄漏、廢水處理廠運(yùn)行不良和肥料徑流。這些升高的營養(yǎng)水平與導(dǎo)致藻華的藍(lán)藻的存在有關(guān)，藍(lán)藻會(huì)耗盡溶解氧水平。

? 懸浮沉積物（如粘土、土壤和淤泥顆粒）使水更加渾濁，并可能影響水質(zhì)。

? 總?cè)芙夤腆w（包括鹽、礦物質(zhì)和金屬）可能表明存在其他污染物。此外，即使在被認(rèn)為對(duì)人類安全的水平上，高濃度的溶解固體也可能損害水生物種并破壞生態(tài)系統(tǒng)。

? 顆粒物含量的增加會(huì)影響光的穿透深度，導(dǎo)致淺水湖泊和海灣更快地填滿并窒息底棲生境（在河流或湖底發(fā)現(xiàn)的棲生境），影響植被生長(zhǎng)和浮游植物等水生生物。

來自美國一光譜儀公司的應(yīng)用科學(xué)家測(cè)試了光譜學(xué)測(cè)量水質(zhì)的功效。科學(xué)家們?cè)u(píng)估了佛羅里達(dá)州大坦帕灣地區(qū)兩個(gè)湖泊的水樣。

在第一個(gè)實(shí)驗(yàn)中，研究人員使用緊湊型模塊化光譜儀測(cè)量了湖水樣本以確定葉綠素a的濃度。在湖面的三個(gè)點(diǎn)收集樣品并進(jìn)行吸光度測(cè)量。每個(gè)樣本都顯示出不同的濃度水平，很可能與水溫、陽光照射和營養(yǎng)濃度的差異有關(guān)。在河水中也可以進(jìn)行類似的測(cè)量，其中葉綠素a的濃度隨停留時(shí)間（物質(zhì)在水中的持續(xù)時(shí)間）、河流流量和其他標(biāo)準(zhǔn)2而變化。

湖水樣品中的葉綠素a濃度（毫克/升）。在三個(gè)點(diǎn)收集水樣，并使用模塊化測(cè)量葉綠素a濃度的差異 光譜儀配置為吸光度。OD：光密度。

另一個(gè)令人感興趣的水質(zhì)參數(shù)是湖泊和河流中顆粒物的存在。例如，德國一家光譜傳感器公司將光譜儀集成到其環(huán)境監(jiān)測(cè)儀器中，其太陽能系統(tǒng)可以測(cè)量雪的反射率。目的是檢測(cè)灰塵、黑碳和藻類的光譜證據(jù)，這些證據(jù)會(huì)影響融雪過程的速度、徑流的化學(xué)特性以及水流入附近山間溪流和河流后的富營養(yǎng)化（營養(yǎng)物質(zhì)和礦物質(zhì)的積累）。

由小型太陽能電池板供電的基于光譜儀的系統(tǒng)測(cè)量雪的反射率并跟蹤灰塵、藻類和污染中的雜質(zhì)。這些數(shù)據(jù)可以幫助預(yù)測(cè)融雪可能影響水質(zhì)的區(qū)域。

近年來，使用靈活的光學(xué)傳感工具來理解和獲取有關(guān)地表水的信息以及獲取此類信息的能力有了顯著提高。更高分辨率的光學(xué)傳感儀器以及更復(fù)雜算法的出現(xiàn)，能夠有助于科研人員從光學(xué)特性中提取的數(shù)據(jù)，適應(yīng)不斷變化的監(jiān)管需求，以實(shí)現(xiàn)更清潔、更健康的淡水生態(tài)系統(tǒng)。

審核編輯黃宇