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环境监测仪器新秀——小型化激光同位素分析仪

2017-11-15

采用稳定同位素分析方法,可以准确估算大气中各排放源的排放总量,进而通过测量这些组分的浓度变化,评估它们的辐射效应,研究气候变化的趋势,在此基础上对工厂、城市实施“节能减排”发挥一定的指导作用。目前,国际上稳定同位素分析仪所采用的技术主要包括质谱技术、傅里叶变换红外光谱(FTIR)技术和激光光谱技术三种。三者相比,基于质谱的同位素比值质谱仪(IRMS)研究历史最长,最初是伴随着核科学与核工业的发展而逐步发展起来的,其技术成熟度和分析精度最高,是目前进行稳定同位素分析的主要工具。但该类仪器结构复杂,造价较高,尤其是需要取样制样难以实现野外原位实时快速测量,很难得到大范围的推广应用。基于FTIR技术的光谱仪虽然可以在某些场合进行同位素分析,但是因其光谱分辨率受限,需较高气体浓度,且耗时长,体积大,价格高,操作复杂,很少作为专门仪器用于同位素分析。基于激光光谱技术的同位素分析仪,虽然进入市场相对较晚,但是因其高选择性、高灵敏度、体积小、响应快等优势,近年来发展迅速,已成为稳定同位素分析仪的主力军。

波长调制离轴积分腔输出光谱(Wavelength Modulation Off-Axis Integrated Cavity Output Spectroscopy,WM-OA-ICOS)技术是新型超高灵敏激光光谱技术之一,利用气体分子在红外波段的吸收光谱并结合长光程光学无源腔技术,进行痕量气体探测和同位素分析,吸收光程可达数千米,测量灵敏度可达ppbv甚至pptv,这是普通的光谱技术如可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)和非分散红外光谱(NDIR)技术等难以达到的。因此,可广泛应用于CO、CO2、CH4、N2O等痕量气体浓度测量以及13C/12C、18O/16O、D/H、15N/14N的丰度测量。

近3年来,中国科学院合肥物质科学研究院董凤忠研究员率领团队在中国科学院科研装备研制项目的支持下,成功研发了基于WM-OA-ICOS技术的同位素在线测量系统,突破了激光输出的在线锁频、长光程无源谐振腔体研制及光路调节、算法解析、温度和压力的精确控制等关键技术,研制出3套不同分析精度要求的激光同位素分析仪样机,并在大气环境监测、煤矿瓦斯溯源、温室气体排放源汇等领域的用户单位进行了现场示范应用,为我国大气环境污染物的实时监测及精确解析、煤矿瓦斯气体溯源及煤炭分层等提供了新的技术手段。

相较于基于质谱技术的同位素分析仪和傅里叶变换红外光谱仪,该项目研制的激光光谱同位素分析仪可同时进行痕量气体浓度和同位素(13C/12C、18O/16O)丰度测量,精度与基于质谱技术的同位素分析仪相当;无需制备样品和任何化学耗材,运行成本低,性价比高;操作简单,测量速度快,无需专职的测量人员;无需标定,长时间基本无漂移;动态量程大,线性度高,有利于自然丰度下大差异的同位素测量;功耗低,体积小,便于携带,适于野外测量。

稳定同位素分析在农业、生物、地球化学、临床医学、资源勘探、食品、核工业、生态环境科学和环保等领域有广泛的应用,尤其在大气、土壤、水质及生态环境研究中均可发挥重要作用,是环境监测和环境保护领域的重要组成部分。如:应用稳定性同位素丰度变化,确定温室气体和环境污染排放源汇;利用测定同位素比的方法,判定汽油生产厂家及其对大气的污染贡献;使用同位素稀释方法测定各种水资源中有害的微量元素含量,可监测水质质量;利用稳定同位素的示踪作用,可辨别温室气体的排放来源,检测CO2封存的泄漏,分析人类活动如化石燃料燃烧、水泥生产、养殖畜牧和农业生产等对温室气体排放的贡献。该项目研发的激光光谱同位素分析仪灵敏度高,响应速度快,操作简便,在环境保护、资源勘探以及农业等领域具有广阔的应用前景。

项目负责人简介

董凤忠,博士,研究员,博士生导师,中国科学技术大学双聘教授,中国科学院“百人计划”入选者。1986年毕业于南开大学物理系,1989年和1992年分别在中国科学院获理学硕士和博士学位。1992年进入中国科学院物理研究所做博士后。1994年6月应邀赴希腊克里特研究中心工作。1996年底进入英国斯特拉斯克莱德(Strathclyde)大学电子与电气工程系工作,参与并负责了多项大型欧共体以及英国贸易发展部资助的工业研发和基金项目。2000年作为国外杰出人才引进并入选中国科学院“百人计划”,率领研发团队在国内系统地开展了大气痕量气体多种在线检测新技术研究。近年来负责多项国际合作、国家科技支撑计划、国家863计划和国家973计划、国家自然科学基金、中国科学院科研装备研制及数十项工业横向合作项目。迄今发表学术期刊论文150多篇,撰写了3部英文专著部分章节。目前主要致力于研究开发新的光电测控、高灵敏光谱探测和光纤传感技术,开发应用于能源勘探、环境保护、工业过程控制和节能减排的实时在线监测和物质成分分析等仪器设备。