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据|安徽日报 放大二氧化氮光谱信号 快速锁定大气污染“元凶”
2022年04月22日 10:12 来源:庐阳区委宣传部     作者:庐阳发布

2022年北京冬奥会观测。(资料图片)

近日,中科院合肥物质科学研究院安徽光机所张为俊研究员团队在大气二氧化氮探测技术方面取得新突破,团队利用相敏检测的振幅调制腔增强吸收光谱技术,创立了一种能够快速灵敏检测大气环境中二氧化氮的新方法。“通俗地讲,就是把吸收到的二氧化氮光谱信号进行有效放大,再通过我们开发的可靠算法进行计算,最终实现对大气二氧化氮的精确探测。”中科院合肥物质科学研究院安徽光机所周家成博士告诉记者,这项研究成果日前发表于美国化学会出版的《分析化学》上,并申请了发明专利保护。

二氧化氮是导致大气污染“元凶”之一

“二氧化氮是对流层大气中主要的污染物,它的来源主要包括交通运输排放和工业生产过程中的化石燃料燃烧、农作物秸秆等生物质燃烧、大气当中的闪电和平流层光化学反应等过程。”周家成介绍,大气中的二氧化氮对臭氧和二次颗粒的生成也起着重要作用,是形成酸雨的重要原因之一。

“二氧化氮的光解是对流层臭氧的主要来源之一,其参与了光化学反应以及光化学烟雾的形成。”周家成说,二氧化氮通过光化学反应产生硝酸盐二次颗粒,导致大气能见度下降并进一步降低空气质量,是形成灰霾的主要因素。同时,排放到大气中的二氧化氮可以与水蒸气发生作用,产生硝酸和一氧化氮,进而形成酸雨。

正因如此,二氧化氮的高灵敏准确测量对大气化学研究以及大气污染防控具有重要意义。对于一些特殊应用场景,例如青藏高原、海洋等环境中,大气中二氧化氮浓度极低,只有高灵敏的仪器才能精确测量,进而开展相应的大气化学研究。此外,高灵敏的仪器还可以捕捉城市大气污染的深层次信息,例如通量等关键参数,从而更好地服务大气污染防控。

二氧化氮在空气中比较稳定,易于监测,而且二氧化氮在可见光的蓝光波段的特征吸收峰结构明显,可通过光谱技术直接进行探测,配合走航车、无人机或人造卫星等各种搭载平台,能实现大范围立体测量,更好地服务大气污染防控。

放大光谱信号实现超极限探测

常见的大气污染物测量技术包括质谱、色谱和光谱三大类,其中,质谱和色谱技术受工作方式、体积重量和时间分辨率等限制,通常只能用于实验室分析或地基站点测量,而光谱技术具有高灵敏度、高精确度、非接触、响应快、可无人值守等特点,非常适合大气环境监测,已经在固定点监测、地基遥感、机载或探空测量和卫星遥感等方面得到广泛应用,为“大气污染立体监测”提供了一种良好的技术手段。

一般而言,大气当中的每一种成分,都对应有特殊的光谱,也就是相当于这种组分的特殊身份识别标志特征。从原理上来讲,只要能够实现对某种大气组分光谱的高灵敏度探测,也就做到了对这种组分的精确探测。周家成介绍,他们团队创新研发的“基于多模激光的振幅调制腔增强吸收光谱技术”,是将调制技术与多模激光相结合的一种全新的高灵敏度吸收光谱技术。它的工作原理是把被调制的光强信号输入到相敏检波器中,与参考信号进行混频乘法运算,再经过窄带低通滤波器滤除掉其他噪声频率成分后,得到一个与输入信号成正比的直流信号,就可以直接用于吸收系数的计算。

一些背景站点无明显的人为活动,能代表自然大气环境,但相应的大气二氧化氮浓度也非常低,只有开发更高灵敏的探测设备,才能实现背景站点二氧化氮浓度的准确测量,从而开展大气氮循环化学研究。科学岛研发的“基于多模激光的振幅调制腔增强吸收光谱技术”集成了共轴腔衰荡吸收光谱的高光注入效率、离轴腔增强吸收光谱的低腔膜噪声,以及调制光谱的窄带高灵敏度微弱信号探测等优点,能够提供一种简单、可靠、低成本和自校准的二氧化氮绝对浓度测量方法。“它适用于长期稳定运行、免人工维护的二氧化氮高灵敏度测量,因而具有很好的科研和业务应用前景。”周家成说。

“我们研制的这台仪器用到的一个关键部件,叫做宽带多模二极管激光器,即能够输出波长具有一定宽度,并且可以同时产生两个或多个纵模的激光器,它是整个仪器的探测光源。周家成介绍,这款激光器的中心波长406纳米,带宽约0.4纳米,它发射出的探测光源,恰好能够被二氧化氮分子所吸收,所以被用来进行二氧化氮浓度的测量。

一般而言,某种仪器或探测方法,在探测某种参数时所能达到的极限,被称为“探测极限”,也代表了仪器的最高性能指标。周家成表示,他们研制的探测技术经过多次实际应用验证表明,超过探测极限浓度的二氧化氮也能够被测量到。

助力北京冬奥会精准预报天气

北京冬奥会期间,中科院合肥物质科学研究院安徽光机所研制的快速灵敏检测二氧化氮仪器被用于环境大气实时在线观测,设备全程无人值守,数据结果良好,为冬奥会高精度数值天气预报和多源气象数据融合等关键技术方法提供了必要的数据支持,共同构建了冬奥气象“百米级”预报技术体系。

在此之前,这台仪器在北京参加了“超大城市群大气复合污染成因外场综合协同观测研究”项目,针对北京城市站点大气环境中氮氧化物的作用开展相关研究,对北京市大气复合污染成因解析起到重要作用。此外,课题组于2019和2021年参加了第二次青藏高原科学考察,分别在纳木错(4730米)、林芝鲁朗(3326米)和拉萨市(3650米)开展大气活性氮的综合观测实验,并且于2020年在珠峰站(4276米)和香格里拉区域大气本底站(3552.7米)开展常年的高原背景站点的大气二氧化氮业务观测。周家成表示,后续该仪器还将继续应用于青藏高原背景站点开展常年观测,填补青藏高原大范围区域二氧化氮有效观测数据的空白。

谈起团队科研历程,周家成坦言,这其中充满了艰辛和不确定性,但也有着很多乐趣。“为了验证仪器吸收测量的准确性,我们先在实验室开展不同浓度二氧化氮测量实验,但结果始终和预期的不一样。折腾了几个小时后,发现居然是外部锁相放大器的一个参数设置有误。”周家成说,这件事再次验证了“细节决定成败”的道理。自此以后,他每次实验前,都会仔细检查仪器的各项参数,防止出现类似问题。

周家成说,仪器在参加北京冬奥会观测期间,由于观测人员在实验前期对仪器操作不熟悉,光腔被正压气体冲击,导致无法用于测量。“当时我不在现场,内心十分着急,牵挂仪器,到了深夜都不能入睡,担心影响观测进度。”年后没几天,周家成赶紧携带工具前往北京维修,加班加点,终于使仪器正常工作,保证了综合实验的进度。

“接下来,我们将对仪器进行小型化集成,利用锁相板代替商业锁相放大器,配合自动控制系统,使得这台仪器更加智能化、便携化。”周家成表示,未来他们团队还计划把这种二氧化氮探测技术与化学滴定、热解和化学放大法相结合,应用于一氧化氮、臭氧、活性氮和总过氧自由基的高精度测量。通过增加保护气,仪器还可应用于气溶胶消光系数的高灵敏度测量。

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