前言

工業與生活污水中過量磷排放是導致水體富營養化的關鍵因素，對磷酸鹽進行快速、靈敏、原位檢測具有重要環境意義。傅里葉變換紅外衰減全反射（FTIR-ATR）光譜雖已被證明可用于水體總磷檢測，但其物理結構決定了該技術難以從實驗室走向現場：光學窗口與透鏡在中紅外波段易潮解，對環境溫濕度敏感，系統穩定性高度依賴精密光學元件的維護，幾乎只能在受控實驗條件下工作。開發結構簡單、抗干擾、可便攜化的磷酸鹽原位檢測系統，成為環境監測領域的迫切需求。

一項來自“Spectrochimica Acta Part A”期刊的研究將外腔量子級聯激光器（EC-QCL）引入磷酸鹽檢測領域，構建了一套基于透射模式的長光程檢測系統。

一、EC-QCL透射檢測系統：高光譜功率密度帶來的范式轉變

與傳統FTIR-ATR相比，該系統憑借EC-QCL的高光譜功率密度，實現了三個層面的性能躍升。

（1）高光譜功率密度→長光程→高靈敏度

EC-QCL的光譜功率密度較傳統熱輻射光源（Globar）高出數個數量級（10?倍以上），這意味著即使在水溶液這一強吸收基質中，仍可維持較長的透射光程。更長的光程直接轉化為更高的有效吸光度和更優的信噪比，使系統對磷酸鹽的檢測限（LOD）低于5.1 ppm。基于線性回歸模型對KH?PO?、K?HPO?和K?PO?三種磷酸鹽水溶液的定量分析顯示，所有模型的決定系數R2均高于0.98，證實了系統在寬濃度范圍內的線性響應能力。

（2）高光譜功率密度→擺脫參考背景依賴→提升檢測效率

這是本研究方法學創新性的發現。傳統紅外光譜定量分析必須采集參考背景光譜以計算吸光度（A = -log??(I/I?)），該過程對環境波動高度敏感，且增加了測量時間與操作復雜度。EC-QCL的高功率輸出賦予了原始輻射強度信號本身足夠的信噪比，使得研究者能夠直接以原始輻射強度數據建模，跳過參考背景采集步驟。

基于FTIR-ATR與EC-QCL檢測系統獲取的三種磷酸鹽（KH?PO?、K?HPO?、K?PO?）吸光度光譜（經Savitzky-Golay平滑與基線校正處理）。兩組光譜在特征峰位上展現出良好的一致性，但EC-QCL系統獲取光譜的信噪比顯著優于FTIR-ATR。

實驗結果表明，基于原始輻射強度的模型與基于傳統吸光度數據的模型在整體性能上相當——兩種數據處理方式均能達到R2 > 0.98的擬合優度。這一發現意味著EC-QCL系統可在不犧牲分析準確性的前提下，將檢測流程從“背景+樣品”雙步測量簡化為單步測量，大幅提升了現場檢測的效率和實操性。

（3）簡化光學結構→小型化與抗干擾→適配原位檢測

相較于FTIR-ATR復雜的干涉光學結構，EC-QCL透射系統的光路更為簡潔：激光光源、流通池和探測器呈直線排列，無需分束器、動鏡等精密運動部件。這一結構優勢帶來了兩個直接收益：

•                      小型化潛力：系統體積可大幅壓縮，為便攜式傳感器的開發提供物理基礎；

•                      抗環境干擾：無動鏡等機械部件，對振動和溫度波動的容忍度顯著提高，可適配便攜式電源實現野外穩定工作。

二、檢測性能驗證

研究以KH?PO?、K?HPO?和K?PO?為分析對象，在1-640 ppm濃度范圍內配置了一系列水溶液樣品。EC-QCL檢測系統覆蓋的光譜區域完整捕捉了磷酸鹽PO?3?、HPO?2?和H?PO??在中紅外區的特征吸收峰，三種離子形態因pH依賴的質子化程度差異呈現不同的特征峰位。

基于偏最小二乘（PLS）多元回歸模型的定量結果顯示，EC-QCL系統在三種磷酸鹽各自的校準范圍內均獲得了優異的模型性能——R2cal > 0.98，交叉驗證誤差（RMSECV）處于較低水平，證實了系統在復雜水體中對磷酸鹽進行準確定量的能力。

三、技術定位與展望

本研究的核心價值在于，它不僅展示了EC-QCL在磷酸鹽檢測中的可行性，更揭示了一個具有方法學普適性的技術優勢——高光譜功率密度足以使紅外光譜從”必須依賴參考背景的相對測量”進化為”可直接使用原始強度的絕對測量”。這一范式轉變對于簡化現場檢測流程、降低操作門檻、推動紅外光譜從實驗室分析工具向便攜式環境監測傳感器轉型具有重要意義。

文獻來源：Shen T, Gao S, Liu Y, Wang S, Dong D. A novel phosphate detection sensor: From FTIR to EC-QCL. Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy, 2025, 327: 125331. DOI: 10.1016/j.saa.2024.125331

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