劉文清院士：開拓中國環境光學監測技術新領域

　　分析測試百科網訊 近日，“環境光學技術及其應用”學術報告會在普析通用儀器技術有限責任公司報告廳舉辦，劉文清院士和王橋院士應邀給為大家做了精彩的報告；會議期間，重點介紹了由劉文清院士主編、剛剛付梓出版的學術著作《環境光學與技術》，該書系統詳實的描述了光學技術在環境污染監測中的應用和發展，對推動我國環境監測和保護具有重要意義。會后，分析測試百科網采訪了劉文清院士。

　　 劉文清院士

劉文清院士：開拓了中國環境光學監測技術新領域

　　環境光學的在線現場監測

　　環境光學以光與環境相互作用為基礎，一方面研究光與環境相互作用的機制和規律，另一方面則是使用光學的方法和手段研究解決環境問題。隨著社會的發展和進步，環境問題越來越引起人們的重視，緩解環境問題的各個環節中，環境監測是非常重要的一環，而完整的環境監測系統包括：技術、設備、模型和相關研究。國務院《關于落實科學發展觀加強環境保護的決定》確定了環境監測在環境管理中的重要作用：環境監測為環境狀態的評估提供科學的基礎數據，是環境管理的基礎，是環境執法的標尺和環保管理最大的資源。

　　劉文清院士現任安徽光學精密機械研究所所長、國家環境光學監測儀器工程技術研究中心主任，主要從事環境監測技術應用研究，開拓發展了環境光學監測新方法，開發了一系列環境監測技術設備并實現產業化，使得我國環境監測儀器成本大幅度下降，有利于我國環境更高效、全方位的布點監測；集成了大氣污染綜合立體監測系統并進行應用示范，成功開拓了中國環境光學監測技術新領域。

　　環境監測涉及各種不同的技術，大致可以分為三大類：色譜-質譜/化學-電化學、光學/光譜學、生物傳感器。其中光學/光譜學監測具有遠距離探測潛力、遙控探測方向、現場實時監測等優點，是環境監測的發展方向。

　　環境監測技術分類

　　環境監測對光學儀器不斷提出新的要求，而光學技術發展又對行業發展起到推動作用。劉文清院士以空氣質量監測子站為例向筆者進行了闡述：目前空氣質量需要監測的SO₂、NO₂、HCHO、PM_2.5、PM₁₀、O₃六個參數檢測采用的是光譜技術，這都是國外三四十年前開發的技術，光源主要有氘燈、氙燈、汞燈等。但隨著光電技術的發展，出現了兼具省電和長壽命的LED光源，用LED光源代替原來光源，再加上新的算法技術，就可以形成特有的儀器設備替代國外的儀器，但這一目標的最終實現，需要政府、協會或者幾家公司組成聯盟一起來推動。

　　《環境光學與技術》的社會意義

　　環境光學是利用光學技術來解決環境領域的監測需求，劉文清院士的創新團隊從2000年起，致力于區域環境光學監測研究，其時，環境領域并不太認可光譜技術，但隨著國家環境問題的凸顯，如果僅僅靠人工采樣，再在實驗室用GC-MS、ICP-MS進行分析，無法滿足環境快速變化的監測需求，特別是對污染物與痕量氣體的相互作用的研究，環境光學的實時、在線監測的技術優勢越來越多的發揮作用。在這種情況下，劉文清院士希望把團隊在環境光譜監測的一些研究成果、經驗、甚至教訓，變成一個總結報告，與同行一起分享。劉文清院士向筆者介紹說，得益于安徽科學技術出版社的不斷督促和努力，才使得這本書得以問世。

　　《環境光學與技術》面向國家需求和國際環境監測技術前沿，針對空氣質量、污染源排放、區域污染分布及輸送監測的多種先進光學技術，首次全面總結我國在環境光學領域的方法研究進展、自主技術研發及應用情況等取得的創新研究成果，重點介紹了開展環境光學監測技術的新原理、新方法和新系統等，主要包括差分光學吸收光譜（DOAS）技術、傅里葉變換紅外（FTIR）光譜技術、可調諧半導體激光吸收光譜（TDLAS）技術、非分散紅外（NDIR）技術、激光雷達技術、光散射技術、熒光光譜技術、激光誘導擊穿光譜（LIBS）技術等，以及作者團隊自主研發的具有國際領先水平的大氣環境綜合立體監測系統及其應用方面的成果。當問及新著《環境光學與技術》問世產生的社會效益時，劉文清院士如是說： “這本書比較實際，沒有特別多理論方面的內容，主要包括我們的一些實際數據、基本公式推導以及第一手資料等，更加偏向技術層面。這本書的出版希望給研究生、做行業交叉研究人員起到一個參考、借鑒的作用。”

　　《環境光學與技術》

“雙碳”戰略帶給環境光學儀器的機遇和挑戰

　  環境監測是“雙碳”達標的重要技術支撐

　　當前威脅人類生存與發展的氣候變化主要由人類活動造成的二氧化碳排放所致。應對氣候變化的關鍵在于“控碳”，其必由之路是先實現碳達峰。2021年的全國“兩會”，“碳達峰”和“碳中和”首次被寫進政府工作報告。碳達峰是指二氧化碳排放總量在某一個時間點達到歷史峰值，這個時間點并非一個特定的時間點，而是一個平臺期，期間碳排放總量依然會有波動，但總體趨勢平緩，之后碳排放總量會逐步穩步回落。碳中和則是指一定時間內直接或間接產生的二氧化碳排放總量，通過二氧化碳去除手段，抵消這部分碳排放，達到“凈零排放”的目的。

　　監測技術是“雙碳”目標達成的重要技術支撐，比如二氧化碳捕集封存與利用技術、工業減碳技術、新能源替代技術等，但需要的是監測技術來評估效果。因此對于溫室氣體（主要包括二氧化碳、甲烷）的監測，需要從點源、多點源、面源、區域、全球等不同空間尺度開發天空地一體化碳源碳匯監測技術，環境監測是必須的，核算不能代替監測。點源就是工業排放源的碳監測，美國已經在2005年開始在工業排放氣體監測設備中增加了CO₂作為必須監測指標；多點源就是多個點源監測；面源監測主要針對面源排放，如對養殖場碳排放的監測，可以采用傅里葉光譜技術，測量養殖場邊界的二氧化碳和甲烷濃度，計算出每頭牛排放CO₂和甲烷的量，根據全國牛的頭數，從而計算全國牛對碳排放的貢獻情況；區域監測主要針對一個區域，可以采用無人機遙感技術；全球監測需要采用的碳衛星，目前中國、美國、日本、韓國、歐洲等都已經發射了碳衛星，只不過分辨率還有待改進，目前只能看到一年的變化。

　　“雙碳”監測帶來的機遇和挑戰

　　劉文清院士認為，科學儀器研制難度大、門檻高、開發周期長，至少需要5~10年持續資金投入和技術積累。環境監測需求的大量設備，不可能全部依賴進口，我國的儀器儀表廠商目前已經具備研發生產與碳監測有關的儀器設備的能力。而且國家應該會安排一些科研項目對關鍵器件進行攻關，也會有企業進行先期開發，目前距離“碳達峰”目標還有十幾年時間，距離“碳中和”目標還有30年時間，如果企業從現在開始策劃，加快研發，肯定能趕上我國大量碳監測儀器設備需求。此外，劉文清院士重點強調了二氧化碳背景站的儀器需求：目前二氧化碳濃度大約為400ppm，而每年的變化范圍為1-1.5ppm，因此要求儀器分辨率達到ppb的量級。

　　二氧化碳最早的背景站是美國于1950年在夏威夷設立，當時儀器采用的是非分光紅外的原理，采用濾光片分光，組成高分辨率的產品。現在隨著激光器的出現，一些新技術如強增強、強衰蕩、QCL中紅外等的出現，二氧化碳分析儀可以利用的技術種類在不斷增多。CO₂有很強的光譜特征，如基頻、泛頻和二倍泛頻，都是不同的吸收截面，而吸收截面越大，儀器分辨率就越高，現在的技術可以滿足CO₂的背景值監測。

　　寫在最后

　　采訪之時，劉文清院士剛剛參加完習總書記的科學技術大會，在此分享了感想：習總書記的講話非常令人振奮，科技就是要自強自立，技術是買不來的，技術的壟斷可能比市場壟斷更重要。我覺得我們還需要把一些關鍵、核心技術掌握在自己手上，這需要一定的時間來實現，需要把科技人員從“迎來送往”中解脫出來，相信以后的科研環境會越來越好。而且現在國家支持創業，我看到很多年輕人思想活躍，很有想法，通過建立一個小微公司，將想法變成現實，他們做的可能不是整個儀器，可能只是一個部件，這都是非常好的，而且年輕人的創業也受到了學校的支持。