放大二氧化氮身份標(biāo)識(shí) 快速鎖定大氣污染“元兇”

通俗地講，就是把吸收到的二氧化氮光譜信號(hào)進(jìn)行有效放大，再通過我們開發(fā)的可靠算法進(jìn)行計(jì)算，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)大氣二氧化氮的精確探測(cè)?；诙嗄＜す獾恼穹{(diào)制腔增強(qiáng)吸收光譜技術(shù)，適用于長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行、免人工維護(hù)的二氧化氮高靈敏度測(cè)量，因而具有很好的科研和業(yè)務(wù)應(yīng)用前景。

周家成

中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院安徽光機(jī)所博士

近日，中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院安徽光機(jī)所張為俊研究員團(tuán)隊(duì)在大氣二氧化氮探測(cè)技術(shù)方面取得新突破，團(tuán)隊(duì)利用相敏檢測(cè)的振幅調(diào)制腔增強(qiáng)吸收光譜技術(shù)，創(chuàng)立了一種能夠快速靈敏檢測(cè)大氣環(huán)境中二氧化氮的新方法。這項(xiàng)研究成果日前發(fā)表于美國化學(xué)會(huì)（ACS）出版的《分析化學(xué)》上，并申請(qǐng)了發(fā)明專利保護(hù)。

導(dǎo)致大氣污染的“元兇”之一

“二氧化氮是對(duì)流層大氣中主要的污染物，它的來源主要包括交通運(yùn)輸排放和工業(yè)生產(chǎn)過程中的化石燃料燃燒、農(nóng)作物秸稈等生物質(zhì)燃燒、大氣當(dāng)中的閃電和平流層光化學(xué)反應(yīng)等過程。”中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院安徽光機(jī)所的周家成博士告訴科技日?qǐng)?bào)記者，大氣中的二氧化氮對(duì)臭氧和二次顆粒的生成也起著重要作用，是形成酸雨的重要原因之一。

“二氧化氮的光解是對(duì)流層臭氧的主要來源之一，其參與了光化學(xué)反應(yīng)以及光化學(xué)煙霧的形成。”周家成說，二氧化氮通過光化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生硝酸鹽二次顆粒，導(dǎo)致大氣能見度下降并進(jìn)一步降低空氣質(zhì)量，是形成灰霾的主要因素。同時(shí)，排放到大氣中的二氧化氮可以與水蒸氣發(fā)生作用，產(chǎn)生硝酸和一氧化氮，進(jìn)而形成酸雨。

“正因如此，二氧化氮的高靈敏準(zhǔn)確測(cè)量對(duì)大氣化學(xué)研究以及大氣污染防控具有重要意義。”周家成說，對(duì)于一些特殊應(yīng)用場(chǎng)景，例如青藏高原、海洋等環(huán)境中，大氣中二氧化氮濃度極低，只有高靈敏的儀器才能精確測(cè)量，進(jìn)而開展相應(yīng)的大氣化學(xué)研究。此外，高靈敏的儀器還可以捕捉城市大氣污染的深層次信息，例如通量等關(guān)鍵參數(shù)，從而更好地服務(wù)大氣污染防控。

放大光譜信號(hào)實(shí)現(xiàn)超極限探測(cè)

一般而言，大氣當(dāng)中的每一種成分，都對(duì)應(yīng)有特殊的光譜，也就是相當(dāng)于這種組分的特殊身份識(shí)別標(biāo)志特征。從原理上來講，只要能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)某種大氣組分光譜的高靈敏度探測(cè)，也就做到了對(duì)這種組分的精確探測(cè)。

周家成介紹，他們團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新研發(fā)的“基于多模激光的振幅調(diào)制腔增強(qiáng)吸收光譜技術(shù)”，是將調(diào)制技術(shù)與多模激光相結(jié)合的一種全新的高靈敏度吸收光譜技術(shù)。它的工作原理是把被調(diào)制的光強(qiáng)信號(hào)輸入到相敏檢波器中，與參考信號(hào)進(jìn)行混頻乘法運(yùn)算，再經(jīng)過窄帶低通濾波器濾除掉其他噪聲頻率成分后，得到一個(gè)與輸入信號(hào)成正比的直流信號(hào)，就可以直接用于吸收系數(shù)的計(jì)算。

“通俗地講，就是把吸收到的二氧化氮光譜信號(hào)進(jìn)行有效放大，再通過我們開發(fā)的可靠算法進(jìn)行計(jì)算，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)大氣二氧化氮的精確探測(cè)。”周家成告訴記者，“基于多模激光的振幅調(diào)制腔增強(qiáng)吸收光譜技術(shù)”集成了共軸腔衰蕩吸收光譜的高光注入效率、離軸腔增強(qiáng)吸收光譜的低腔膜噪聲，以及調(diào)制光譜的窄帶高靈敏度微弱信號(hào)探測(cè)等優(yōu)點(diǎn)，能夠提供一種簡(jiǎn)單、可靠、低成本和自校準(zhǔn)的二氧化氮絕對(duì)濃度測(cè)量方法。“它適用于長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行、免人工維護(hù)的二氧化氮高靈敏度測(cè)量，因而具有很好的科研和業(yè)務(wù)應(yīng)用前景。”

周家成告訴記者，他們研制的這臺(tái)儀器用到的一個(gè)關(guān)鍵部件，叫做“寬帶多模二極管激光器”，即能夠輸出波長(zhǎng)具有一定寬度，并且可以同時(shí)產(chǎn)生兩個(gè)或多個(gè)縱模的激光器，它被作為整個(gè)儀器的探測(cè)光源。“正是由于它發(fā)出的激光光源能被二氧化氮分子所吸收，所以被用來進(jìn)行二氧化氮濃度的測(cè)量。”周家成說，他們用到的這款激光器的中心波長(zhǎng)為406納米，帶寬約為0.4納米，它發(fā)射出的探測(cè)光源，恰好能夠被二氧化氮分子所吸收。

一般而言，某種儀器或探測(cè)方法，在探測(cè)某種參數(shù)時(shí)所能達(dá)到的極限，被稱為“探測(cè)極限”，也代表了儀器的最高性能指標(biāo)。周家成表示，他們研制的探測(cè)技術(shù)經(jīng)過多次實(shí)際應(yīng)用驗(yàn)證表明，超過探測(cè)極限濃度的二氧化氮也能夠被測(cè)量到。

助力北京冬奧會(huì)精準(zhǔn)預(yù)報(bào)天氣

北京冬奧會(huì)期間，中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院安徽光機(jī)所研制的快速靈敏檢測(cè)二氧化氮儀器被用于環(huán)境大氣實(shí)時(shí)在線觀測(cè)，為冬奧會(huì)高精度數(shù)值天氣預(yù)報(bào)和多源氣象數(shù)據(jù)融合等關(guān)鍵技術(shù)方法提供了必要的數(shù)據(jù)支持，共同構(gòu)建了冬奧氣象“百米級(jí)”預(yù)報(bào)技術(shù)體系。

“在此之前，這臺(tái)儀器在北京參加了‘超大城市群大氣復(fù)合污染成因外場(chǎng)綜合協(xié)同觀測(cè)研究’項(xiàng)目，針對(duì)北京城市站點(diǎn)大氣環(huán)境中氮氧化物的作用開展相關(guān)研究，對(duì)北京市大氣復(fù)合污染成因解析起到了重要作用。”周家成表示，后續(xù)該儀器還將應(yīng)用于青藏高原背景站點(diǎn)開展常年觀測(cè)，填補(bǔ)青藏高原大范圍區(qū)域二氧化氮有效觀測(cè)數(shù)據(jù)的空白。

談起團(tuán)隊(duì)科研歷程，周家成坦言，這其中充滿了艱辛和不確定性，但還是有著很多樂趣。“為了驗(yàn)證儀器吸收測(cè)量的準(zhǔn)確性，我們先在實(shí)驗(yàn)室開展不同濃度二氧化氮測(cè)量實(shí)驗(yàn)，但是結(jié)果始終和預(yù)期不一樣。折騰了幾個(gè)小時(shí)后，發(fā)現(xiàn)居然是外部鎖相放大器的一個(gè)參數(shù)設(shè)置有誤。”周家成說，這件事再次驗(yàn)證了“細(xì)節(jié)決定成敗”的道理。自此以后，他每次實(shí)驗(yàn)前，都會(huì)仔細(xì)檢查儀器的各項(xiàng)參數(shù)，防止出現(xiàn)類似的問題。

周家成說，儀器在參加北京冬奧會(huì)觀測(cè)期間，由于觀測(cè)人員在實(shí)驗(yàn)前期對(duì)儀器操作不熟悉，光腔被正壓氣體沖擊，導(dǎo)致無法用于測(cè)量。“當(dāng)時(shí)我不在現(xiàn)場(chǎng)，內(nèi)心十分著急，牽掛儀器，到了深夜都不能入睡，怕影響觀測(cè)進(jìn)度。”年后沒幾天，周家成攜帶工具前往北京維修，加班加點(diǎn)終于使儀器正常工作，趕上了綜合實(shí)驗(yàn)的進(jìn)度。

“接下來，我們將對(duì)儀器進(jìn)行小型化集成，利用鎖相板代替商業(yè)鎖相放大器，配合自動(dòng)控制系統(tǒng)，使得這臺(tái)儀器更加智能化、便攜化。”周家成表示，未來他們團(tuán)隊(duì)還計(jì)劃把這種二氧化氮探測(cè)技術(shù)與化學(xué)滴定、熱解和化學(xué)放大法相結(jié)合，應(yīng)用于一氧化氮、臭氧、活性氮和總過氧自由基的高精度測(cè)量。通過增加保護(hù)氣，儀器還可應(yīng)用于氣溶膠消光系數(shù)的高靈敏度測(cè)量。