放大二氧化氮身份標識快速鎖定大氣污染“元兇”

吳長鋒

近日，中國科學院合肥物質科學研究院安徽光機所張為俊研究員團隊在大氣二氧化氮探測技術方面取得新突破，團隊利用相敏檢測的振幅調制腔增強吸收光譜技術，創立了一種能夠快速靈敏檢測大氣環境中二氧化氮的新方法。這項研究成果日前發表于美國化學會（ACS）出版的《分析化學》上，并申請了發明專利保護。

導致大氣污染的“元兇”之一

“二氧化氮是對流層大氣中主要的污染物，它的來源主要包括交通運輸排放和工業生產過程中的化石燃料燃燒、農作物秸稈等生物質燃燒、大氣當中的閃電和平流層光化學反應等過程?！敝袊茖W院合肥物質科學研究院安徽光機所的周家成博士告訴科技日報記者，大氣中的二氧化氮對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流層臭氧的主要來源之一，其參與了光化學反應以及光化學煙霧的形成。”周家成說，二氧化氮通過光化學反應產生硝酸鹽二次顆粒，導致大氣能見度下降并進一步降低空氣質量，是形成灰霾的主要因素。同時，排放到大氣中的二氧化氮可以與水蒸氣發生作用，產生硝酸和一氧化氮，進而形成酸雨。

“正因如此，二氧化氮的高靈敏準確測量對大氣化學研究以及大氣污染防控具有重要意義。”周家成說，對于一些特殊應用場景，例如青藏高原、海洋等環境中，大氣中二氧化氮濃度極低，只有高靈敏的儀器才能精確測量，進而開展相應的大氣化學研究。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，例如通量等關鍵參數，從而更好地服務大氣污染防控。

放大光譜信號實現超極限探測

一般而言，大氣當中的每一種成分，都對應有特殊的光譜，也就是相當于這種組分的特殊身份識別標志特征。從原理上來講，只要能夠實現對某種大氣組分光譜的高靈敏度探測，也就做到了對這種組分的精確探測。

周家成介紹，他們團隊創新研發的“基于多模激光的振幅調制腔增強吸收光譜技術”，是將調制技術與多模激光相結合的一種全新的高靈敏度吸收光譜技術。它的工作原理是把被調制的光強信號輸入到相敏檢波器中，與參考信號進行混頻乘法運算，再經過窄帶低通濾波器濾除掉其他噪聲頻率成分后，得到一個與輸入信號成正比的直流信號，就可以直接用于吸收系數的計算。

“通俗地講，就是把吸收到的二氧化氮光譜信號進行有效放大，再通過我們開發的可靠算法進行計算，最終實現對大氣二氧化氮的精確探測?！敝芗页筛嬖V記者，“基于多模激光的振幅調制腔增強吸收光譜技術”集成了共軸腔衰蕩吸收光譜的高光注入效率、離軸腔增強吸收光譜的低腔膜噪聲，以及調制光譜的窄帶高靈敏度微弱信號探測等優點，能夠提供一種簡單、可靠、低成本和自校準的二氧化氮絕對濃度測量方法。“它適用于長期穩定運行、免人工維護的二氧化氮高靈敏度測量，因而具有很好的科研和業務應用前景?！?/p>

周家成告訴記者，他們研制的這臺儀器用到的一個關鍵部件，叫做“寬帶多模二極管激光器”，即能夠輸出波長具有一定寬度，并且可以同時產生兩個或多個縱模的激光器，它被作為整個儀器的探測光源?！罢怯捎谒l出的激光光源能被二氧化氮分子所吸收，所以被用來進行二氧化氮濃度的測量?！敝芗页烧f，他們用到的這款激光器的中心波長為406納米，帶寬約為0.4納米，它發射出的探測光源，恰好能夠被二氧化氮分子所吸收。

一般而言，某種儀器或探測方法，在探測某種參數時所能達到的極限，被稱為“探測極限”，也代表了儀器的最高性能指標。周家成表示，他們研制的探測技術經過多次實際應用驗證表明，超過探測極限濃度的二氧化氮也能夠被測量到。

助力北京冬奧會精準預報天氣

北京冬奧會期間，中國科學院合肥物質科學研究院安徽光機所研制的快速靈敏檢測二氧化氮儀器被用于環境大氣實時在線觀測，為冬奧會高精度數值天氣預報和多源氣象數據融合等關鍵技術方法提供了必要的數據支持，共同構建了冬奧氣象“百米級”預報技術體系。

“在此之前，這臺儀器在北京參加了‘超大城市群大氣復合污染成因外場綜合協同觀測研究’項目，針對北京城市站點大氣環境中氮氧化物的作用開展相關研究，對北京市大氣復合污染成因解析起到了重要作用?！敝芗页杀硎?，后續該儀器還將應用于青藏高原背景站點開展常年觀測，填補青藏高原大范圍區域二氧化氮有效觀測數據的空白。

談起團隊科研歷程，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?！盀榱蓑炞C儀器吸收測量的準確性，我們先在實驗室開展不同濃度二氧化氮測量實驗，但是結果始終和預期不一樣。折騰了幾個小時后，發現居然是外部鎖相放大器的一個參數設置有誤。”周家成說，這件事再次驗證了“細節決定成敗”的道理。自此以后，他每次實驗前，都會仔細檢查儀器的各項參數，防止出現類似的問題。

周家成說，儀器在參加北京冬奧會觀測期間，由于觀測人員在實驗前期對儀器操作不熟悉，光腔被正壓氣體沖擊，導致無法用于測量?！爱敃r我不在現場，內心十分著急，牽掛儀器，到了深夜都不能入睡，怕影響觀測進度。”年后沒幾天，周家成攜帶工具前往北京維修，加班加點終于使儀器正常工作，趕上了綜合實驗的進度。

“接下來，我們將對儀器進行小型化集成，利用鎖相板代替商業鎖相放大器，配合自動控制系統，使得這臺儀器更加智能化、便攜化。”周家成表示，未來他們團隊還計劃把這種二氧化氮探測技術與化學滴定、熱解和化學放大法相結合，應用于一氧化氮、臭氧、活性氮和總過氧自由基的高精度測量。通過增加保護氣，儀器還可應用于氣溶膠消光系數的高靈敏度測量。