刘文清院士：开拓中国环境光学监测技术新领域

　　分析测试百科网讯 近日，“环境光学技术及其应用”学术报告会在普析通用仪器技术有限责任公司报告厅举办，刘文清院士和王桥院士应邀给为大家做了精彩的报告；会议期间，重点介绍了由刘文清院士主编、刚刚付梓出版的学术著作《环境光学与技术》，该书系统详实的描述了光学技术在环境污染监测中的应用和发展，对推动我国环境监测和保护具有重要意义。会后，分析测试百科网采访了刘文清院士。

　　 刘文清院士

刘文清院士：开拓了中国环境光学监测技术新领域

　　环境光学的在线现场监测

　　环境光学以光与环境相互作用为基础，一方面研究光与环境相互作用的机制和规律，另一方面则是使用光学的方法和手段研究解决环境问题。随着社会的发展和进步，环境问题越来越引起人们的重视，缓解环境问题的各个环节中，环境监测是非常重要的一环，而完整的环境监测系统包括：技术、设备、模型和相关研究。国务院《关于落实科学发展观加强环境保护的决定》确定了环境监测在环境管理中的重要作用：环境监测为环境状态的评估提供科学的基础数据，是环境管理的基础，是环境执法的标尺和环保管理最大的资源。

　　刘文清院士现任安徽光学精密机械研究所所长、国家环境光学监测仪器工程技术研究中心主任，主要从事环境监测技术应用研究，开拓发展了环境光学监测新方法，开发了一系列环境监测技术设备并实现产业化，使得我国环境监测仪器成本大幅度下降，有利于我国环境更高效、全方位的布点监测；集成了大气污染综合立体监测系统并进行应用示范，成功开拓了中国环境光学监测技术新领域。

　　环境监测涉及各种不同的技术，大致可以分为三大类：色谱-质谱/化学-电化学、光学/光谱学、生物传感器。其中光学/光谱学监测具有远距离探测潜力、遥控探测方向、现场实时监测等优点，是环境监测的发展方向。

　　环境监测技术分类

　　环境监测对光学仪器不断提出新的要求，而光学技术发展又对行业发展起到推动作用。刘文清院士以空气质量监测子站为例向笔者进行了阐述：目前空气质量需要监测的SO₂、NO₂、HCHO、PM_2.5、PM₁₀、O₃六个参数检测采用的是光谱技术，这都是国外三四十年前开发的技术，光源主要有氘灯、氙灯、汞灯等。但随着光电技术的发展，出现了兼具省电和长寿命的LED光源，用LED光源代替原来光源，再加上新的算法技术，就可以形成特有的仪器设备替代国外的仪器，但这一目标的最终实现，需要政府、协会或者几家公司组成联盟一起来推动。

　　《环境光学与技术》的社会意义

　　环境光学是利用光学技术来解决环境领域的监测需求，刘文清院士的创新团队从2000年起，致力于区域环境光学监测研究，其时，环境领域并不太认可光谱技术，但随着国家环境问题的凸显，如果仅仅靠人工采样，再在实验室用GC-MS、ICP-MS进行分析，无法满足环境快速变化的监测需求，特别是对污染物与痕量气体的相互作用的研究，环境光学的实时、在线监测的技术优势越来越多的发挥作用。在这种情况下，刘文清院士希望把团队在环境光谱监测的一些研究成果、经验、甚至教训，变成一个总结报告，与同行一起分享。刘文清院士向笔者介绍说，得益于安徽科学技术出版社的不断督促和努力，才使得这本书得以问世。

　　《环境光学与技术》面向国家需求和国际环境监测技术前沿，针对空气质量、污染源排放、区域污染分布及输送监测的多种先进光学技术，首次全面总结我国在环境光学领域的方法研究进展、自主技术研发及应用情况等取得的创新研究成果，重点介绍了开展环境光学监测技术的新原理、新方法和新系统等，主要包括差分光学吸收光谱（DOAS）技术、傅里叶变换红外（FTIR）光谱技术、可调谐半导体激光吸收光谱（TDLAS）技术、非分散红外（NDIR）技术、激光雷达技术、光散射技术、荧光光谱技术、激光诱导击穿光谱（LIBS）技术等，以及作者团队自主研发的具有国际领先水平的大气环境综合立体监测系统及其应用方面的成果。当问及新著《环境光学与技术》问世产生的社会效益时，刘文清院士如是说： “这本书比较实际，没有特别多理论方面的内容，主要包括我们的一些实际数据、基本公式推导以及第一手资料等，更加偏向技术层面。这本书的出版希望给研究生、做行业交叉研究人员起到一个参考、借鉴的作用。”

　　《环境光学与技术》

“双碳”战略带给环境光学仪器的机遇和挑战

　  环境监测是“双碳”达标的重要技术支撑

　　当前威胁人类生存与发展的气候变化主要由人类活动造成的二氧化碳排放所致。应对气候变化的关键在于“控碳”，其必由之路是先实现碳达峰。2021年的全国“两会”，“碳达峰”和“碳中和”首次被写进政府工作报告。碳达峰是指二氧化碳排放总量在某一个时间点达到历史峰值，这个时间点并非一个特定的时间点，而是一个平台期，期间碳排放总量依然会有波动，但总体趋势平缓，之后碳排放总量会逐步稳步回落。碳中和则是指一定时间内直接或间接产生的二氧化碳排放总量，通过二氧化碳去除手段，抵消这部分碳排放，达到“净零排放”的目的。

　　监测技术是“双碳”目标达成的重要技术支撑，比如二氧化碳捕集封存与利用技术、工业减碳技术、新能源替代技术等，但需要的是监测技术来评估效果。因此对于温室气体（主要包括二氧化碳、甲烷）的监测，需要从点源、多点源、面源、区域、全球等不同空间尺度开发天空地一体化碳源碳汇监测技术，环境监测是必须的，核算不能代替监测。点源就是工业排放源的碳监测，美国已经在2005年开始在工业排放气体监测设备中增加了CO₂作为必须监测指标；多点源就是多个点源监测；面源监测主要针对面源排放，如对养殖场碳排放的监测，可以采用傅里叶光谱技术，测量养殖场边界的二氧化碳和甲烷浓度，计算出每头牛排放CO₂和甲烷的量，根据全国牛的头数，从而计算全国牛对碳排放的贡献情况；区域监测主要针对一个区域，可以采用无人机遥感技术；全球监测需要采用的碳卫星，目前中国、美国、日本、韩国、欧洲等都已经发射了碳卫星，只不过分辨率还有待改进，目前只能看到一年的变化。

　　“双碳”监测带来的机遇和挑战

　　刘文清院士认为，科学仪器研制难度大、门槛高、开发周期长，至少需要5~10年持续资金投入和技术积累。环境监测需求的大量设备，不可能全部依赖进口，我国的仪器仪表厂商目前已经具备研发生产与碳监测有关的仪器设备的能力。而且国家应该会安排一些科研项目对关键器件进行攻关，也会有企业进行先期开发，目前距离“碳达峰”目标还有十几年时间，距离“碳中和”目标还有30年时间，如果企业从现在开始策划，加快研发，肯定能赶上我国大量碳监测仪器设备需求。此外，刘文清院士重点强调了二氧化碳背景站的仪器需求：目前二氧化碳浓度大约为400ppm，而每年的变化范围为1-1.5ppm，因此要求仪器分辨率达到ppb的量级。

　　二氧化碳最早的背景站是美国于1950年在夏威夷设立，当时仪器采用的是非分光红外的原理，采用滤光片分光，组成高分辨率的产品。现在随着激光器的出现，一些新技术如强增强、强衰荡、QCL中红外等的出现，二氧化碳分析仪可以利用的技术种类在不断增多。CO₂有很强的光谱特征，如基频、泛频和二倍泛频，都是不同的吸收截面，而吸收截面越大，仪器分辨率就越高，现在的技术可以满足CO₂的背景值监测。

　　写在最后

　　采访之时，刘文清院士刚刚参加完习总书记的科学技术大会，在此分享了感想：习总书记的讲话非常令人振奋，科技就是要自强自立，技术是买不来的，技术的垄断可能比市场垄断更重要。我觉得我们还需要把一些关键、核心技术掌握在自己手上，这需要一定的时间来实现，需要把科技人员从“迎来送往”中解脱出来，相信以后的科研环境会越来越好。而且现在国家支持创业，我看到很多年轻人思想活跃，很有想法，通过建立一个小微公司，将想法变成现实，他们做的可能不是整个仪器，可能只是一个部件，这都是非常好的，而且年轻人的创业也受到了学校的支持。