הנדסה סביבתית ממלא תפקיד קריטי בשמירה על בריאות כדור הארץ שלנו על ידי ניטור, שליטה, והפעלה מחדש של מזהמים שמאיים על מערכות אקולוגיות ורווחה אנושית. בין המימדן של מפגעים הדורשים תשומת לב, מזהמים אורגניים - החל מזיהוי חומרים חומרי הדברה ופתרון תעשייתי לפוליסות תרופות ונפט פחמימנים - נניח סיכונים משמעותיים בשל ההתמדה, רעלות, פוטנציאל לגיעת ביומטרידות ספציפית עבור שיטות מדידה כגון חומרים אופטיים, כגון:

מימון של Spectroscopy

[העיקרון] הוא המחקר של איך אור אינטראקציה עם החומר.כאשר מולקולות אורגניות נחשפים לקרינה אלקטרומגנטית, הם יכולים לספוג, פולטים, או לפזר פוטונים באורכי גל ספציפיים, בהתאם למבנה המולקולרי שלהם ולרמות האנרגיה.התבנית המדויקת של זיהוי אלקטרומגנטי - בין אם זה ספיגת אור אולטרה סגול, פליטת פלואורד, או פיזור של קרינה אינפראמית - כמו גם טביעות אצבע ייחודית: 0.

הספקטרום האלקטרומגנטי משתרע על פני קרני גמא לגלי רדיו, אבל טכניקות ספקטרוסקופיות רלוונטיות לגילוי contaminant אורגני בדרך כלל להתמקד אולטרה סגול (UV), גלוי (Vis), אינפרא אדום (IR), ואזורי מיקרוגל. אלקטרוני מעברים (למשל, ⁇ * בארומפלקסים ארימטיים) הם נבדקים על ידי ספקטרום UV-Vistrocopys, בעוד סיבובים אנאליים ומשתנים על ידי מורכבות, Ispectrotic.

טכניקות ספציפיות לחשיפה אורגנית

אולטרה סגול-Visible (UV-Vis) Spectroscopy

UV-Vis spectroscopy מודד את הקליטה של אור בטווח אולטרה סגול וגלוי (כ 200-800 nm) מזהמים אורגניים רבים - במיוחד אלה המכילים אג"ח כפול, טבעות ארומטיות, או chromophores - כיביט להקות חזקות באזור זה. Commonytes כוללים ארומבטן פוליציליקלי (H), הידרומטרה הוא נמוך, וקטנטציה סטנדרטית, הוא נספגת, הוא נמוך.

UV-Vis משמש נרחב עבור מיפוי מים וקרקע תמצית עבור אבקות אורגניות כי זה מציע ניתוח מהיר, עלות נמוכה, הכנת דגימות מינימלית.עם זאת, לעתים קרובות חסרסלקטיביות עקב להקות ספיגה חופפות, מה שהופך אותו יעיל ביותר בשילוב עם טכניקות הפרדה כמו chromatography נוזלי (LC-U). מכשירים UV-V-Vis הם יותר ויותר עבור ניטור שדה של מים ופסולת מים.

Infrared (IR) Spectroscopy

ספקטרוסקופיה אינפראנית מנצלת את העובדה כי מולקולות אורגניות סופגות אורכי גל ספציפיים IR המקביל לתדרים רטט של האג"ח הכימי שלהם.לדוגמה, C=O מתיחות מופיעים ליד 1700 ס"מ -1, O-H מתיחה ליד 3400 ס"מ -1, ו- C-H מתיחה ליד 2900-1- על ידי הקלטת ספקטרום IR, ניתן לזהות קבוצות פונקציונליות ולעתים קרובות לקבוע את המבנה הספציפי של דגימות זיהום בלתי ידועות (atentance) כדי לנתח כלי סטנדרטי (ample) באופן קבוע (ample) כדי לנתח אדפטומטרוני).

Fourier-transform אינפרא אדום (FTIR) spectroscopy החליף בעיקר כלי פיזור, המציע מהירות גבוהה יותר יחס אות-ל-אין-מס. FTIR הוא בעל ערך במיוחד עבור זיהוי פחמימנים (למשל, פיסות נפט), מיקרופלסטיקנים, ופתרונות כלור בדגימות סביבתיות.למרות הכוח שלה, IRspectrocopys יכול לסבול מהתערבות על ידי מים חזקים וקליטת (ת) הדורשת להקות אפילטיביות אפילטיביות , אשר לעתים קרובות אפילטיביות סגסוגת יבשה).

המונחים: Fluorescence Spectroscopy

פלואורנטיה של ספקטרום מזהה תרכובות פולטות אור לאחר קליטת פוטונים. הרבה contaminants אורגני - במיוחד אלה עם מבנים קשיחים, מחוסנים - הם באופן טבעי פלורסנט, כולל PAHs, חומרים לחות, וכמה חומרי הדברה.בטכניקה זו, מדגם נרגש באורכי גל ספציפיים, ואת טווח הפליטה הוא תועדו.

פלואורנס שימשה באופן נרחב לפקח על פיסות שמן, לעקוב אחר חומר אורגני במערכות אקוורטיות, וגילוי של הרש"פ הקרנית ב חלקיקים אוויריים. ⁇ hydroorometers מאפשר בזמן אמת, על זיהוי באתר. מגבלות כוללות photobleaching ואפקטים quenching - למשל, מתמוסס חמצן יכול להפחית את עוצמת השטף - אבל אלה ניתן להפחית באמצעות דגימות קירור תקין וטיפול.

Mass Spectrometry (MS) ו- Hyphenated Techniques

ספקטרום המונים אינו טכניקה ספקטרוסקופית אמיתית (זה מודד יחסי מסה-לטעון ולא אינטראקציה קלה), אבל זה לעתים קרובות מקובצים בשיטות ספקטרוסקופיות בניתוח סביבתי בגלל ההסתמכות שלו על ion וגילוי של שברים מולקולריים. כאשר יחד עם גס chromatography (GC-MS) או סגסוגת זהב נוזלית (LC), מספק טביעות אצבע חד משמעית ואפילו מעקב חד-משמעי של חומרים סגסוגת אורגנית.

GC-MS הוא אידיאלי עבור אורגנים תנודתיים למחצה (למשל, benzene, toluene, ethylbenzene, xylene -BTEX; polychlorinated biphenyls -PCB; חומרי הדברה של איברים ו- MS-bit) מרחיבים כיסוי לא-מקוטב, לא-לא-מעור, תרמילי כגון תרופות, תרופות יקרות, ומוצרים אוטומטיים (מונים) או חומרים לא-מסוגים (מרפאים) או חומרים אוטומטיים יותר (מסוגרים).

ראומן Spectroscopy

Raman spectroscopy הוא טכניקה רטט משלימים IR, המבוסס על פיזור inelastic של אור מונוכרומטי (בדרך כלל מ לייזר) זה מספק מידע על רטט מולקולרי עם הפרעה מינימלית מן המים - יתרון עבור דגימות aqueous. Raman צבר רמות מתיחה במדעי הסביבה עבור זיהוי מיקרופלסטיקה, שאריות נפץ, ומזהמים אורגניים על פני השטח.

יישומים במערכות הנדסה סביבתית

ניטור איכות המים

זיהוי Spectroscopic הוא חיוני כדי להעריך את איכות המים פני השטח, מי הקרקע ושתייה מים. UV-Vis ו- fluorescence spectroscopy מוחל באופן שגרתי על מנת להעריך את הביקוש לחמצן כימי (COD), פחמן אורגני הכולל (TOC), ואת נוכחות של חומר אורגני מפורק (DOM) באופן ספציפי יותר, ספיגה UV ב 254m (U254) הוא פרמטר אופציונלי עבור תוכן אורגני בצמחים, בדיקות מים מתקדמות.

עבור חומרים עדיפויות כגון חומרי הדברה, תרופות, וכימיקלים מרתיעים, LC-MS /MS מספק את הרגישות הדרושה כדי לעמוד בסטנדרטים של שתיית מים.לדוגמה, ה-FLT:0U.S. Environmental Protection Agency (EPA) שיטה 537.1FLT:1 משתמשת LC-MS/MS לניתוח PFAS, בעוד שיטות GC-MS הן prescribed עבור מערכות הגנה סביבתיות מוקדם של הרש"פ למנוע בדיקות מיקרוסקופיות תחת למערכות אבטחה מוקדם של מערכות אבטחה.

ניתוח Soil and Sediment Analysis

זיהום סויה משפך, פעילות תעשייתית, וריצה חקלאית מציב סיכונים ארוכי טווח למים ומערכות אקולוגיות. FTIR spectroscopy יעיל במיוחד עבור סיווג פחמן פחמן פחמן - כגון שמן גס או דיזל - באדמה כי ה- C-H להקות לספק טביעות אצבע ברורות.

עבור תרכובות כלור כמו Pentachlorophenol ודיוקסינים, GC- Highרזולוציה spectrometry (HRMS) נשאר הטכניקה הסופית, להגיע ל- picogram למגבלות זיהוי דקדוק. Raman spectroscopy, כולל מערכות מעקב נייד, נחקרת עבור זיהוי שדה של microplastics במשקעים, דאגה סביבתית גוברת.

הערכת איכות אוויר

תרכובות אורגניות וולטיל (VOCs) הן מחלקה עיקרית של זיהום אוויר התורם להיווצרות האוזון ברמה הקרקעית ויש להם השפעות בריאותיות ישירות. שיטות ספציפיות-קופיות המשמשות למעקב אוויר כוללות Open-path Fourier-transform אינפרא אדום (OP-FTIR) spectroscopy, טוטבל דיפול דיפרקטוסקופי לייזר (TDLAS), וקליטת אופטית שונה סביב מתקני ניטור יבשתיים אלה).

עבור איכות אוויר מקורה, גלאי צילום ניידים (PID) עם מנורות UV נפוצים, אבל הם חסרים ספציפיים. GC-MS עם פיגור תרמי הוא שיטת ההתייחסות לזיהוי וזיהוי VOCs ספציפיים כגון benzene, פורמלידה, וסטיילרין. חיישנים המבוססים על פלואורנס מפותחים גם עבור זיהוי בזמן אמת של ארומטים, תוך ניצול של הידרורדם מולדים כמו תרכובות xtha.

יתרונות ומגבלות של גילויים ספקטרוסקופיים

יתרונות

  • (FLT:0) רגישות גבוהה ומגבלות זיהוי נמוכות: FLT:1 טכניקות רבות יכולות לכמת את המזהמים האורגניים ב-Part-b-per-b מיליארד (pb) או אפילו חלקי-טריליון (pt) לטווח, לעמוד בדרישות של תקנות סביבתיות מודרניות.
  • ניתוח:0 (Rapid Analysis:FLT:1) מדידות ספקטרוסקופיות לעתים קרובות לוקח שניות עד דקות, ומאפשר בדיקות מהירות גבוהה ו ניטור בזמן אמת עבור בקרת תהליכים, תגובה חירום, או עמידה.
  • (FLT:0) הכנת דגימות לא הרסניות ומינימום: אנדרל 1 (IR, Raman, ו פלואורסנס דורשים מעט לא חילוץ או מחוספס, שמירה על שלמות הדגימה וצמצום הפסולת המופרעת.
  • (FLT:0) ונרטליות על פני מזחלות: ספקטרום 1: ניתן ליישם את Spectroscopy על מים, אדמה, אוויר ורקמות ביולוגיות, לעתים קרובות עם התאמות כלי קטין.
  • (FLT:0) יכולת לשימוש בשטח: FLT:1 ספקטרום מיניוורידי ובדיקות מוחזקים יד זמינים כעת עבור UV-Vis, IR, Raman, ו פלואורסescence, תמיכה בקבלת החלטות באתר וצמצום עלויות ההובלה של הדגימה.

גבולות ואתגרים

  • (FLT:0Selectivity andהתערבות:FLT:1eurscopic אותות הם רחבים ויכולים לחפוף, במיוחד בדגימות סביבתיות מורכבות.לדוגמה, חומרים לחות סופגים בטווח רחב של UV, מסכימות שיא של contaminants ברמה נמוכה. Spectral subtraction, ספקtroscopyscopyscopy, או pre-steps (g, מיצוי מוצק) הם לעתים קרובות הכרחי.
  • (FLT:0) השפעות ממטריקס: מים מתמוססים, מלחים מומסים, ובודדים יכולים לשנות ספיגה או מאפייני פליטה. פלואורנס המסתובבים על ידי תצלומי מתכת או חמצן הוא נושא משותף. IR spectroscopy עומד בפני ספיגה במים חזקים, הדורש דגימות יבשות או תיקון ATR.
  • (FLT:0) דיוק פיקטיבי: FLT:1eur בעוד החוק של בירה מחזיק פתרונות אידיאליים, סטייה מתרחשת עקב פיזור אור, קליטת לא לינאריות, או אינטראקציות כימיות.
  • (FLT:0) Cost and Complexential: 1FLT:1 מכשירים מתקדמים כמו HRMS או מערכות ההפניה דורשים השקעה משמעותית הון וכוח אדם מאומן.תחזוקה, נקודות, ופירוש נתונים מוסיף עלויות מחזור חיים.
  • (FLT:0) מוקדש לשיעורים מורכבים מסוימים: לא כל contaminants אורגני הם chromophores, פלואורפורפורחים, או יש ספיגות IR חזקות. לדוגמה, פחמימנים אלphatic ללא אג"ח כפול או heteroms קשה לזהות באמצעות UV-Visescences או פלואורד; IR ו- GCMS מתאימים יותר.

כיוונים עתידיים וחדשנות

תחום גילוי ספקטרוסקופי מתפתח במהירות, מונע על ידי הצורך פתרונות רגישים יותר, סלקטיבית, ניידים ויעילים יותר.כמה מגמות מתעוררות מבטיחות לשפר את היכולות של מהנדסים סביבתיים.

מיניטור ומכשירים ניידים

ההתקדמות במערכות מיקרואלקטרוניקה (MEMS), מסננים אופטיים וגלאים של מדינת מוצק יש ספקטרום דקרק לממדי שבבים בקנה מידה.המכשירים האלה משולבים כעת ברחפנים, רובוטים תת-ימיים, ויחידות מוחזקים יד לפריסה במקומות מרוחקים או מסוכנים.לדוגמה, ספקטרום מבוסס סמארטפונים מפותחים עבור ניטור איכות מים אזרחית, הרחבת מאמצי איסוף הנתונים נותרת כדי לשמור על גודל אנליטי, אך ורק התקדמות יציבה.

רשתות מעקב בזמן אמת

מערךי עומק של חיישני ספקטרוסקופיים המחוברים דרך האינטרנט של הדברים (IoT) מאפשר מעקב מתמשך, בזמן אמת של צנרת מדבק, ביצועי צמח טיפול ואיכות אוויר הסביבה. לדוגמה, בדיקות UV-Vis מותקנות במפעלי טיפול במים פסולת לספק התראה מוקדמת של ספיקים מיותרים, המאפשרים למפעילים להתאים תהליכים.

Machine Learning and Advanced Data Analytics

נתונים ספציפיים הם רב-תחומיים מטבעם, עם מערכות יחסים מורכבות בין תכונות ספקטרליות לבין ריכוזים או זהויות contaminant. Machine Learning אלגוריתמים - כולל ריבועים חלקיים לפחות, תמיכה מכונות וקטור, יערות אקראיים ורשתות עצביות בולטות עמוקות - יכולים לחלץ דפוסים עדינים שנמלטו משיטות דיגיט פשוטות, שיפור דיוק כמותי, סיווג מקורות, ולזהות, אפילו לזהות החידושים הבין-לאומיים: 1.F לדוגמה:

גישה מוגברת ו- Multimodal

הכוח של שילוב של טכניקות ספקטרוסקופיות מרובות מוכר יותר ויותר.לדוגמה, שילוב ראמן ו- FTIR spectra מספק מידע רטט משלים, בעוד הפיכה עם LC או GC מרחיבה אתסלקטיביות. מערכות מתקדמות hyphenated, כגון GC-IR-MS או LC-U-fluorescence-MS, המאפשר איסוף של ממדים שונים, למקסם מידע זה הופך להיות יצרניות סטנדרטיות יותר.

רגישות משופרת באמצעות ננו-חומרים

פני השטח-enhanced Raman spectroscopy (SERS) באמצעות תת-סטריטים מתכת nanostructured (למשל, זהב או חלקיקים כסף) amplifes Raman אותות על ידי גורמים של 106 או יותר, המאפשר זיהוי של מולקולות בודדות. SERS מותאם עבור חומרים סביבתיים כגון חומרי הדברה, צבעים, ונפץ במים וקרקע.

פיתוח ותקנות

כשיטות ספקטרוסקופיות בוגרות, גופי רגולציה מעדכנים פרוטוקולים.The FLT:0.0.EPA של תגובת הסביבה TeamFLT:1 מפרסם נהלים סטנדרטיים של פעולות עבור שטח XRF (עבור מתכות) ו FTIR (עבור אורגנים) הארגון הבינלאומי לתקנות סטנדרטיזציה (ISO) פיתח הנחיות ל- IR spectroscopy של נפטמנים באדמה.

מסקנה

גילוי ספציפי הפך אבן הפינה של הנדסה סביבתית מודרנית, המציעה חבילה של כלים חזקים לזיהוי וזיהוי זיהום אורגני לאורך מים, אדמה ואוויר.מפשטות של UV-Vis סופגת כוח ללא תקדים של ספקטרום רחב של בדיקות אקלים, כל טכניקה מביאה כוחות ייחודיים לאתגר של הגנה על מערכות אקולוגיות ובריאות הציבור.