光学轴类检测

十八年前，英国普利茅斯大学研究人员发表在《Science》上一篇的文章，让“海洋微塑料”进入人们的视野。海洋微塑料是典型的人类污染物，任何一个海洋国家都存在着海洋微塑料的污染，南北极也不例外。这与地区的经济发展程度和人类活动密度直接相关，我国沿海地区多为人口密度大、经济较发达的地区，也不可避免地存在海洋微塑料污染。如今，微塑料已经成为我国乃至全球环境领域的研究热点，而且随着研究的深入，微塑料的介质、粒径以及研究方向均有了进一步的发展。近日，仪器信息网采访了南开大学汪磊教授，就环境微塑料研究现状、痛点和瓶颈及其对生态和人类健康造成的危害等话题进行了深入交流。汪磊教授 南开大学微塑料研究进一步发展：介质、粒径、研究方向微塑料的研究语境不再仅限于海洋，其介质已从海洋环境拓展到淡水环境、陆地环境及大气环境。如大量使用农膜，造成土壤环境出现微塑料；日常洗衣服时，涤纶和尼龙等材质的衣服释放出来的纤维也属于微塑料，进入淡水水环境，造成淡水环境的污染；空气环境中，微小的塑料颗粒通过扬尘进入大气环境，一些更小的颗粒可能会长期悬浮于大气当中，甚至会进一步向大气层上层迁移，并随着气团进行长距离的迁移。这些都是已经有科学证据的环境行为。因此，整个地球面临广泛的微塑料污染。随着微塑料研究的持续开展，研究方向和粒径方面也都有了更进一步的发展。研究方向从最开始的环境调查逐渐深入到毒理学效应和机制的研究；研究对象的粒径也越来越小，从最早微塑料定义的粒径5mm以下，到后来欧洲科学家提出的2mm以下，如今，动物实验发现亚微米级和纳米级的颗粒物更有可能在环境暴露后被吸收并进入到内循环，从而带来更大的健康风险，这引起科学家更为广泛的关注。微塑料研究难点：样品检测和源解析目前，微塑料研究的难点和瓶颈主要在于样品检测。实验室里对纯的化学品、塑料聚合物开展研究相对容易，因为这些物质在检测时加入的成分和剂量都是可控的，甚至还可以用一些染色或同位素标记的方法进行示踪。但环境里的微塑料本身表面粒径很小，比表面积很大，发生同质和异质聚集的能力较强，且有时易在环境中发生老化而与初始状态不同，给检测带来困扰。环境微塑料源解析也是一大瓶颈问题。微塑料的源头和归趋永远是大家关注的问题，由于塑料聚合物本身结构往往是由简单的碳氢结构组成的，很难建立特征性的指纹图谱去分析不同地域环境微塑料到底有哪些差别，所以常规通过化学成分指纹图谱进行污染物溯源的方法不一定适用于微塑料的污染研究。因此，找到合适的、能够对环境微塑料进行科学源解析的方法，也是目前研究当中的瓶颈问题。此外，亚微米级和纳米级别的颗粒已经成为研究人员关注的重点，同时，更小的粒径也使它们的检测难度也非常大，需要科学家和仪器公司技术人员共同努力来实现突破。首创化学解聚质谱检测技术 获学术界认可由于自身具有痕量污染物的环境行为和环境检测研究背景，汪磊自2015年开始关注环境微塑料，当时国内已经有许多团队在开展相关研究工作，但这其中环境分析化学领域的团队还不多。起初，环境生物学专家研究塑料污染时采用的检测技术仍以显微镜下对颗粒观察计数为主，汪磊认为镜检方法虽然可以满足部分实验要求，但由于偶然因素干扰较多，且受前处理过程和操作人员的限制，该方法不适用于痕量微塑料和亚微米尺寸的塑料颗粒检测，也难以实现方法的标准化，且其检测结果也难以用于环境微塑料的释放和迁移通量计算。结合自身研究专长，汪磊团队以将塑料聚合物通过化学解聚的手段解聚成具有特异性的单体化合物，以质谱对单体化合物进行分析检测，进而回溯到聚合物本身的质量思路，开发出聚酯、聚碳酸酯、聚乳酸、尼龙等微塑料的质谱检测技术，搭配镜检技术一起使用，具有更好的准确性和灵敏度。采用该方法，汪磊团队进行了包括污染调查和微塑料环境行为方面的研究，相关检测方法分别发表在美国化学会刊物Environmental Science & Technology Letters（EST Lett）、和Analytical Chemistry上，并被EST Lett杂志评为2017年年度最佳论文。采用质谱检测-镜检结合方法，汪磊团队对一些典型塑料污染场景进行了研究，如提出以质谱检测配合光学显微方法能更准确地评估洗衣废水对污水处理厂进水中微塑料污染的贡献；评估了大气沉降与剩余污泥再利用对陆地环境中微塑料污染的输入通量；发现了垃圾填埋场矿化垃圾土中微塑料和它的前体物以及塑化剂在成分分布上的变化与填埋时间存在相关性；并结合环境微生物学技术，揭示了室内灰尘中较高浓度的微塑料特别是生物可降解塑料微粒会影响室内环境中微生物的群落结构，这些研究成果于在EST、科学通报等刊物上连续发表。此外，汪磊还对微塑料的长距离迁移、“双碳”战略背景下生物质塑料和可降解塑料等新课题进行了一些初步的探索。由于从事环境微塑料技术的研究，2021年，汪磊团队获得安捷伦公司的全球开放型课题的支持，汪磊表示：“我很感谢安捷伦，我们很多研究工作都是用安捷伦的仪器完成的，如Agilent 8700 LDIR激光红外成像系统，以及LC/MS/MS产品。安捷伦特别关注微塑料方面的技术开发，也愿意与科研单位合作，因此我们双方一拍即合。”汪磊团队合影质谱技术在反映聚合度和粒径方面存在局限性当前，环境微塑料研究主要用到光学和质谱学两种技术手段，光学手段包括普通光学显微镜和结合聚合物特征光谱开展的显微光学技术，后者如显微红外、显微拉曼等，实验室研究还可用到电镜、原子力显微镜等。大部分微塑料研究工作只会采用两种手段中的一种。在微塑料检测中，光学手段使用更为广泛，该技术简单直接，对研究条件要求较低，方便使用。光谱学手段可以识别塑料聚合物，因此红外光谱在微塑料检测中迅速成为主流技术。质谱学方法在采用不同解聚或裂解处理后，以液质或气质联用仪对相对完整的聚合物功能单体化合物或聚合物的分子碎片进行检测，再回溯聚合物质量。微塑料的质谱检测技术还存在一定局限性，如热裂解技术在产生碎片时一些环境基质会产生同类碎片，对样品分析造成干扰。而相对温和的化学解聚手段也并不能有效解聚所有塑料聚合物，且如果产生的功能单体不具有特异性，该方法将同样面临基质干扰的问题，这些问题限制了质谱技术的应用发展。质谱分析样品解聚手段的另一大局限性是无法有效区分不同聚合度的聚合物，低聚物也会产生相同的碎片和功能单体，因而会对微塑料的定量产生干扰。“在研究过程当中，我们也不断地被要回答编辑和审稿人提出的这类问题，尽管这些低聚物相对于高聚物来说体量常常微小到可以忽略不仅，但它总归是一个客观存在的误差。”汪磊讲到，“但低聚物本身是否也有环境风险和研究的意义呢？”光学技术需更微观 质谱技术期待原位可视化当前，两种主要的微塑料检测技术都存在一定的局限性，汪磊详细讲述了局限问题并提出了对微塑料分析技术的发展期许。光学技术最大的局限性体现在更小粒径的微塑料检测灵敏度不足。目前市场上常见显微红外技术产品灵敏度多在10~20微米左右，这个尺度以下的环境微塑料很难被识别；显微拉曼技术灵敏度相对较高，但对5微米以下的样品也很难检测。因此，光学技术，需要在灵敏度方面进一步发展，使分析更加微观化。质谱方面，希望能发展对高分子聚合物直接进行检测的质谱技术，虽然据悉已有相关技术，但尚未能应用到塑料聚合物的检测上；另外，现有质谱方法分析塑料聚合物时，只能间接证明它的存在，不能实现微塑料的直接原位检测，说服力不足，期待适用于微纳塑料的质谱成像检测技术出现，从而更直观地揭示这些人造高分子聚合物的生物富集行为和毒理学作用机制。政策监管尚空白 制定相关标准应考虑多技术结合目前，在政策方面，针对塑料本身的地方性和行业性的约束，如各类“限塑令”时有颁行，但目前尚未出台针对微塑料的监管或污染治理标准。据悉，国家海洋监测中心编制了《海洋微塑料监测评价技术规程(试行)》。全球公认的环境微塑料污染监测标准技术尚未形成，各国和各团队使用的方法不同程度上存在差别。“因为环境微塑料的检测本身有很大的困难，同时又要考虑到自身的污染现状、科研能力和软硬件条件，因此构建科学、实用的监测和检测标准方法十分具有挑战性。”汪磊解释。汪磊认为，在制定环境微塑料相关监测法规或标准时，应考虑多种技术结合，例如光学检测的计数结果不利于数据之间的比较，质谱学技术无法直接反映颗粒形态和聚合度，两种技术的结合可以提高检测结果的准确性和科学性。大众应正确面对微塑料危害 减少环境中的微塑料排放微塑料对于生态环境和人类健康都存在一定的风险。较大粒径的微塑料易被动物摄食，导致海洋生物食道阻塞、厌食甚至死亡；附着到珊瑚礁表面的微塑料会引起珊瑚病变，而由于珊瑚礁对于海洋环境调节十分重要，珊瑚礁的死亡会引起一系列不良海洋环境生态效应的出现；也有研究表明，土壤环境中，微塑料会影响营养物质的传质，导致植物对营养物质的吸收障碍；浮萍类水生植物容易与悬浮的微塑料结合在一起，影响生物表面膜的通透性；微塑料表面普遍具有疏水性，其负载的内生和外源污染物对生物也可能存在毒性，这些都反映了微塑料对生态环境的潜在风险。同时，微塑料的人体暴露广泛存在，由于微塑料中存在未聚合的单体化合物、及其含有的添加剂和吸附的其他污染物，人体摄入微塑料后，这些物质可在人体内释放，造成人类对这些化学品的额外摄入；微塑料表面微生物的特异性定植可能形成独特的微生物 “塑料域”，在致病菌和抗性基因传播方面可能导致新的风险。此外，塑料纳米颗粒本身也可能对人类健康产生危害，这方面的研究仍“在路上”。但由于人体摄入微塑料的机会和剂量都不大，微塑料对人体健康的已知影响并不显著。塑料是人造高分子聚合物，而自然界中动物、植物、微生物也都在制造高分子聚合物。人们每天都可能摄入木质素颗粒，这些植物聚合物颗粒无法被消化吸收而会自行排出体外，所以对人造聚合物也没必要过分紧张。汪磊认为，对于大众来说，还应正确面对其对健康产生的潜在影响。最后，汪磊建议，减少微塑料的污染，应该从减少塑料的污染。“塑料作为20世纪最伟大的发明之一，给人类带来了巨大的便利，减少塑料污染并不等于放弃使用塑料，而是增加其循环使用和回收再生，从而减少环境中的塑料排放，这对我们每一个人或者说对每一个消费者来说是最容易做到的事情。”人物简介：汪磊，南开大学教授、博士生导师，环境科学系系主任，“环境污染过程与基准”教育部重点实验室副主任。主要研究领域为新型污染物的环境行为与环境暴露。曾获得国家海洋科技进步二等奖、天津市科技进步一等奖、教育部高等学校科学研究优秀成果奖自然科学二等奖；首届全国环境化学青年奖。获得国家基金委优青基金项目、天津市杰青项目，入选天津市中青年创新领军人才、131创新人才第一层次，并担任Bulletin of Environmental Contamination and Toxicology亚洲副主编、Ecotoxicology and Environmental Safety编委、环境科学学会环境地学分会、环境化学分会委员。

激光雷达的研究起源于上世纪60年代末，起初主要用于军用领域，自1995年正式实现商业化之后，在测绘、资源勘探等领域发挥了越来越多的作用，在最近盛行的“黑科技”无人驾驶技术的开发上，激光雷达更是核心技术之一。随着技术的发展和完善，激光雷达的应用范围也越来越广，其中环境监测领域就是很重要的一个方面，可以用来测量颗粒物、臭氧、温度和湿度的变化等等。　　中科院安徽光学精密机械研究所于1991年建立了当时我国最大L625激光雷达系统，用于探测平流层气溶胶分布，该激光雷达系统被美国国家宇航局选为全球10个激光雷达站之一。后来又陆续开发出了探测平流层臭氧的紫外差分吸收激光雷达、可移动式双波长米散射L300激光雷达、车载式拉曼-米散射激光雷达等等，受到了广泛的关注。　　近日，仪器信息网编辑专门针对激光雷达在环境监测领域的应用采访了中科院安徽光学精密机械研究所所长刘文清院士。刘院士为我们详细介绍了激光雷达在我国环境监测领域的应用、技术发展以及未来的技术需求。中科院安徽光学精密机械研究所所长刘文清院士　　Instrument: 我们知道刘院士在环境光学领域有很多研究成果，今天我们把目光聚焦在空气质量监测上，空气质量监测仪器和技术种类众多，如常规六参数、VOCs监测仪、激光雷达、卫星遥感等等。首先请刘院士谈一谈目前我国空气质量监测仪器的整体情况?国产环境监测仪器与同类进口产品相比有何不同?　　刘文清：我国大气环境监测技术现阶段主要还是以点式监测方式为主，如AQI六参数、VOCs等。这些监测设备组成了我国现阶段的地面空气质量监测网，为我国空气质量监测做出了巨大的贡献，逐步形成了具有中国特色的环境监测技术规范、环境监测分析方法、环境质量标准体系。目前采用的标准方法，主要以人体健康为关注重点，测量的是人们日常生活和工作活动范围内的空气质量，可以较为准确的监测空气中气溶胶和污染气体的含量，但它的局限性主要是获得局部低层、较小地域范围内的污染物浓度变化信息，缺乏污染物区域性变化、时空演变等指标的数据演变信息。近年来随着分析仪器的快速发展，结合卫星遥感，探空气球和高塔能够测量一些气溶胶、气体成分的垂直分布特征，但是卫星遥感直接获取的是整层大气污染，反演近地面污染有一定误差，而探空气球及飞机受时间空间影响，此类探空设备仍然存在着不足之处。　　对于区域性复合污染监测，需要快速有效的技术手段进行区域范围内时间和空间上的监测。与以上传统点式监测方法相比，激光雷达等光学遥感监测技术的发展改变了传统的由点到线再到面的演绎方法，为大气环境研究提供了一个新的技术手段，克服了传统大气环境研究中的诸多局限性，实现了大空间、长时间、多尺度、多参数的遥感遥测。此类技术已达到了国际先进水平，尤其在业务化应用方面，我们已根据中国环境监测现阶段的需求进行了深入的研发，这是国外进口设备所不能做到的。目前，国产环境监测仪器已基本打破了进口产品的国际垄断地位，全面实现了中国造。　　Instrument:颗粒物激光雷达技术被越来越多的用户所接受，请刘院士重点谈一谈颗粒物激光雷达技术。颗粒物激光雷达的核心技术要点是什么?在我国大气环境领域的应用情况?此技术在空气质量监测系统中的独特作用?　　刘文清：激光雷达主要由激光器、发射和接受光学系统、探测器、高速数据采集卡和数据分析软件等部件组成，其核心技术在于稳定可靠的激光器和性能优良的反演算法。激光器单脉冲能量大小直接决定了激光雷达的探测高度。保证激光器单脉冲能量，能够有效保证系统信噪比，实现理想高度的探测。国内外不同厂家的激光雷达反演算法存在一定的差异性，应用最为广泛的是Fernald方法，也是我们安光所选择的反演算法。应用该算法，参考点的选择尤为重要，一般须假定一个近乎不含大气气溶胶的清洁大气层所在高度来视作参考点，为保证反演结果的有效性，必须通过明显气溶胶层或者云层的剔除方法来确认合适的参考高度。　　随着“说清环境质量、改善环境质量”重大管理需求的发展和监测事权上收等管理机制的改革，地方政府动态精准管理能力支撑成为越来越迫切的要求，尤其是快速说清空气质量监测点数据变化原因、重污染应对、事故应急监测与快速评估等。针对区域性大气污染问题，及监测管理的迫切需求，作为一种成熟的主动遥感手段，颗粒物激光雷达在大气环境监测方面具有重要的意义。其在大气环境监测中的应用可分为以下几点：1)垂直监测：监测边界层变化特征，了解污染来源和变化趋势 2)水平扫描监测：可获取区域污染物的空间立体分布、变化规律和排放特征，摸清局地污染物对污染形成的贡献 3)车载移动监测：对污染源进行快速溯源，应对污染突发事件，并对污染气团进行跟踪 4)雷达组网监测：说清区域间污染跨界传输，为短时间空气质量预警预报提供及时、有效、准确的数据支撑。　　Instrument:安徽光机所可以说是我国激光大气探测研究领域的先行者，在激光雷达技术的研发上，刘院士主要做过哪些工作?您认为未来还有哪些技术需要突破?　　刘文清：激光雷达按照监测方法和监测种类可分为米散射激光雷达、大气成分差分吸收激光雷达、拉曼激光雷达等。我所在颗粒物激光雷达和大气差分吸收激光雷达方面已取得了阶段性进展。在北京奥运会、上海世博会、广州亚运会、北京APEC会议、北京九三阅兵式、南京青奥会、福州青运会、郑州上合首脑会议、乌镇物联网大会的联合环境空气保障工作中交上了令人满意的答卷，相应成果也证实了我们激光雷达在稳定性、有效性方面取得了一定的成绩。但在某些方面还是存在一定的不足，需要我们进一步完善，如：1)拉曼激光雷达方面。由于其监测原理的限制，拉曼激光雷达白天会受到天空背景噪声的严重影响，如何有效提高其信噪比，将拉曼激光雷达成功的应用于环境监测日常业务中，为环境污染的扩散、大气化学过程的演变提供有效的气象数据。2)颗粒物激光雷达方面。雨水消光系数大，颗粒物雷达在降雨天气条件下应用效果不佳，如何去除降雨对颗粒物监测的影响，也是接下来的研究重点。3)细粒子质量浓度空间分布。我们已在无锡中科光电成功产业化了双波长三通道颗粒物激光雷达，应用532nm波长我们已可以反演PM10质量浓度的时空分布。对于细粒子质量浓度的时空分布也是迫在眉急的管理需求，目前我们已加大投入，研究开发应用355nm反演PM2.5质量浓度的时空分布的相应工作。4)大气差分吸收激光雷达方面。应用大气差分吸收原理监测臭氧的时空分布，已被成功运用，为证实其监测准确性，我们也参与了由上海环境监测中心举办的探空联盟比对实验。实验中监测臭氧的差分吸收激光雷达与探空气球、无人飞机等监测技术进行了廓线比对，比对结果令人非常满意。对于差分吸收激光雷达只能监测臭氧不是我们的目的，我们希望应用一种技术可以进行多参数测量，如同时监测二氧化硫、二氧化氮等，此类设想我们已取得了阶段性的成果。　　Instrument: 安徽光机所的产业化公司——中科光电最近推出了高能扫描系列的大气颗粒物监测激光雷达，此台仪器的主要特点是什么?其研发目的是什么?其市场竞争力主要体现在哪?　　刘文清：高能扫描颗粒物激光雷达是基于快速扫描振镜的激光雷达技术，该技术使激光雷达在保留原有垂直探测的功能上，还可以实现快速多角度扫描功能。如此针对固定安装的激光雷达，高能扫描激光雷达不仅可以监控5KM半径范围内的污染源(本地源以及外来源)变化过程，还可以同时获取垂直的颗粒物时空演变数据、边界层高度变化数据。使一台雷达可以同时获取区域内垂直与水平立体空间数据，为说清区域污染变化提供了更有力的数据支撑。同时，在产品设计中，我们也考虑了车载走航监测获取线源数据的技术要求，在固定加走航监测结合的模式下，可以全面获取“点面域、地空天”一体化数据。　　我所张天舒研究员率领的激光雷达团队联合中科光电，组织技术骨干进行技术攻坚，经过近两年的不懈努力，攻克了快速扫描振镜技术、高重复频率激光器技术、多姿态雷达扫描数据分析技术、车载雷达减震避震技术和快速走航观测技术等一系列关键问题。其中，快速扫描振镜技术其核心竞争力在于，可以使扫描及成图时间分辨率达到3分钟，确保了监测数据的时效性(目前国内外采用3D支架扫描方式，完成扫描及成图时间需要2小时，没有时效性保证，无法动态说清变化过程)。　　Instrument:在环保领域，标准被认为是一类仪器推广的“利器”，对于激光雷达，有没有正在制定的标准?或者说您认为需要哪些方面来规范此类仪器的生产和应用?　　刘文清：激光雷达目前还没有正式的国家规范标准，很多单位对于激光雷达的性能校验也一直存在着疑问。实际上，为了保持激光雷达的有效探测距离及探测精度、保证激光雷达的稳定性及准确性，我们联合合作企业已经编制了相关的企业技术规范标准，希望能够逐步发展为行业和国家标准。　　激光雷达标准规范的建立目的是为了保证雷达数据的有效性和一致性，科学的系统测试和校验方法是其重要的技术支撑。完整的系统测试即包括仪器组成部分的性能测试，如激光器的功率、脉冲能量、发散角，光学发射和接受系统与激光准直系统的匹配性，数据采集系统本身的采集速率、电子学噪声，以及雷达数据处理和分析软件性能 也包括功能指标，包括探测成分、探测距离、距离分辨率以及信噪比等。对于激光雷达这样一个复杂的光电探测系统的校验也可以与其他观测设备进行一致性的对比分析。使用激光雷达与能见度仪、太阳光度计等观测仪器进行数据一致性对比分析，采用探空气球数据对激光雷达观测数据产品的准确性进行校验等。　　后记：随着我国大气环境治理工作的深入，大气环境质量监测的项目、时间要求和空间要求都在提升，随之而来的是监测手段的多样化。除激光雷达之外，卫星遥感、无人机、探空气球等技术不断被引入大气环境质量监测领域，不同的手段为我们多维度了解大气污染过程提供了依据，也为我们更精准的治理大气环境提供了技术支持。（编辑：李学雷）

项目编号：LZU-2022-326-HW-GK项目名称：兰州大学光学式分析仪器类设备采购项目（第4批）预算金额：556.8000000 万元（人民币）采购需求：标段标的名称数量预算金额（万元）是否进口备注第一标段阴极发光显微成像系统1套88是第二标段单细胞分析系统设备1套110是第三标段傅里叶变换红外光谱仪2套82是紫外分光光度计2套是第四标段时间分辨荧光光谱仪1套90是第五标段一体式细胞成像系统1台186.8是细胞计数仪2台是荧光定量PCR仪1台是发光检测仪1台是全能型成像系统1台是超微量分光光度计1台是 详见采购文件第三章项目采购需求合同履行期限：详见采购文件第三章项目采购需求本项目( 不接受 )联合体投标。