放大二氧化氮身份快速锁定空气污染“元凶”

通俗地说，就是将二氧化氮的吸收光谱信号进行有效放大，然后通过我们研发的可靠算法进行计算，最终实现对大气二氧化氮的精确检测。基于多模激光器的调幅腔增强吸收光谱技术适合于二氧化氮的高灵敏度测量，可长期稳定运行，无需人工维护，在科学研究和商业应用中具有良好的前景。

周嘉诚

中国科学院合肥物质科学研究所安徽光机所博士

近日，中科院合肥物质科学研究院安徽光机所张研究员团队在大气二氧化氮检测技术上取得新突破。该团队利用相敏检测的调幅腔增强吸收光谱技术，创造了一种可以快速灵敏检测大气环境中二氧化氮的新方法。这项研究成果日前发表在美国化学学会(ACS)出版的《分析化学》上，并申请了发明专利保护。

空气污染的“元凶”之一。

“二氧化氮是对流层大气中的主要污染物。其来源主要包括运输排放和工业生产过程中化石燃料的燃烧、农作物秸秆等生物质的燃烧、大气中的闪电以及平流层中的光化学反应。”中科院合肥物质科学研究院安徽光机所周嘉诚博士告诉科技日报记者，大气中的二氧化氮对臭氧和二次粒子的形成也有重要作用，是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一，参与光化学反应和光化学烟雾的形成。”周嘉诚说，二氧化氮通过光化学反应产生硝酸盐二次粒子，导致大气能见度降低，进一步降低空气质量，是雾霾形成的主要因素。同时，排放到大气中的二氧化氮可以与水蒸气发生反应，生成硝酸和一氧化氮，进而形成酸雨。

“正因为如此，二氧化氮的高灵敏准确测量对大气化学研究和大气污染防治具有重要意义。”周嘉诚说，对于一些特殊的应用场景，比如青藏高原、海洋等环境，大气中二氧化氮的浓度极低，只有高灵敏度的仪器才能准确测量，从而开展相应的大气化学研究。此外，高灵敏度的仪器还可以捕捉到城市大气污染的深层信息，如通量等关键参数，从而更好地服务于大气污染防治。

放大光谱信号实现超限检测

一般来说，大气中的每一种成分都应该有一个特殊的光谱，相当于这种成分的特殊识别标志特征。原则上，只要能实现对某一大气成分光谱的高灵敏度探测，就能实现对该成分的精确探测。

周嘉诚介绍，他们团队创新研发的“基于多模激光的调幅腔增强吸收光谱技术”，是一种全新的将调制技术与多模激光相结合的高灵敏度吸收光谱技术。其工作原理是将调制后的光强信号输入相敏探测器，与参考信号混频相乘，再由窄带低通滤波器滤除其他噪声频率成分，得到与输入信号成正比的DC信号，可直接用于计算吸收系数。

“通俗地说，就是将二氧化氮的吸收光谱信号进行有效放大，然后通过我们研发的可靠算法进行计算，最终实现对大气二氧化氮的精确检测。”周嘉诚告诉记者，“基于多模激光的调幅腔增强吸收光谱”集成了同轴腔衰荡吸收光谱的光注入效率高、腔低

周嘉诚告诉记者，他们研制的这台仪器中使用的一个关键部件叫做“宽带多模二极管激光器”，即同时具有一定输出波长和两个或两个以上纵模的激光器，作为整个仪器的探测光源。“正是因为它的激光光源可以被二氧化氮分子吸收，所以被用来测量二氧化氮的浓度。”周嘉诚说，他们使用的激光器中心波长为406纳米，带宽约为0.4纳米，其发出的探测光源刚好能被二氧化氮分子吸收。

一般来说，仪器或检测方法在检测某一参数时所能达到的极限称为“检出限”，它也代表了仪器的最高性能指标。周嘉诚说，他们研发的检测技术已经得到了很多实际应用的验证，表明超过检测极限浓度的二氧化氮也可以测量。

帮助北京冬奥会准确预报天气。

北京冬奥会期间，利用中科院合肥物质科学研究院安徽光机所研制的快速灵敏的二氧化氮检测仪器，对环境大气进行实时在线观测，为冬奥会高精度数值天气预报、多源气象数据融合等关键技术手段提供了必要的数据支撑，共同构建了冬奥会“百米级”气象预报技术体系。

“在此之前，该仪器参与了北京市‘超大型城市群空气复合污染成因野外综合协同观测研究’项目，开展了北京市区站点大气环境中氮氧化物作用的相关研究，为北京市空气复合污染成因分析发挥了重要作用。”周嘉诚说，该仪器将应用于青藏高原背景站开展常年观测，填补了青藏高原大面积二氧化氮有效观测数据的空白。

谈到团队研究的过程，周嘉诚承认充满了艰辛和不确定性，但仍然有很多乐趣。“为了验证仪器吸收测量的准确性，我们首先在实验室进行了不同浓度的二氧化氮测量实验，但结果总是与预期不同。折腾了几个小时，发现外置锁相放大器的一个参数设置错误。”周嘉诚说，这件事再次验证了“细节决定成败”的真理。从那以后，每次实验前，他都会仔细检查仪器的参数，防止出现类似问题。

周嘉诚说，在北京冬奥会对仪器的观测过程中，由于观测人员在实验前期对仪器的操作不熟悉，导致光学腔受到正压气体的冲击，无法用于测量。“当时我不在现场，心里很着急。我担心仪器，就深入了。

“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。