2μm波段高灵敏度离轴积分腔装置实际大气CO2测量

利用分布反馈式(DFB)二极管激光器为光源, 搭建了一套2 μm波段的离轴积分腔输出光谱装置. 利用高纯甲烷气体, 测量了腔镜反射率随腔内气体压力 变化的规律. 当腔内压力为3.59 kPa 时, 标定的镜面反射率为0.99865, 在此条件下, 基长55 cm 的离轴积分腔实现了407.4 m的吸收光程. 选取CO₂ 在4993.7431 cm^-1处的吸收谱线对实际大气中的CO₂浓度进行了测量, 探测限为0.53 ppmv (1σ), 利用小波去噪对光谱信号进行了去噪处理, 信噪比提高了80%, 探测限提高到0.29 ppmv(1σ). 利用搭建的装置在实验室内测量了从上午9时到中午12时实际大气中CO₂的浓度, 并与H₂O/CO₂分析仪进行了同时观测与对比分析, 初步验证了测量装置的可靠性.     

1.39 μm附近H2O谱线参数测量及其在燃烧动力学中的应用

将可调谐半导体激光吸收光谱技术应用于高温气体浓度在线检测,谱线参数的准确性非常重要。为利用红外波段进行燃烧生成H₂O的浓度在线测量,需要实验校准H₂O的谱线参数,尤其是Ar加宽系数,该系数对燃烧反应速率测量和机理验证至关重要。采用半导体激光器作为光源,结合实验室搭建的谱线参数测量系统,采集了1.39 μm波段附近H₂O的4条吸收谱线信号,获得了谱线线强、自加宽系数和N₂加宽系数,与HITRAN数据库和文献结果进行了对比,均吻合较好。首次系统地获得了该波段谱线的Ar加宽系数。在谱线参数确定基础上,获得了在反射激波高温条件下H₂/O₂/Ar燃烧生成H₂O的浓度随时间的演变曲线,验证了相应燃烧动力学机理。结果为利用该波段进行含氢燃料燃烧过程H₂O浓度测量及相关高温燃烧动力学研究提供了可靠的实验依据。     

基于O2-O2吸收的非相干宽带腔增强吸收光谱浓度反演方法研究

针对传统非相干宽带腔增强吸收光谱浓度反演方法的定量结果易受镜片反射率标定误差的影响问题, 提出了一种基于测量大气O₂-O₂吸收的浓度反演方法. 该方法是将非相干宽带腔增强吸收光谱技术的光学增强腔等效成吸收光程不随波长变化的多次反射池, 首先根据测得的宽带腔增强大气吸收谱和参考谱计算出光学厚度, 并应用差分光学吸收光谱算法拟合修正后的气体吸收截面到光学厚度, 反演得到大气中O₂-O₂以及被测气体的柱浓度, 然后根据O₂-O₂在大气中的含量已知且相对稳定这一特性, 确定出等效多次反射池的吸收光程, 最后从被测气体的柱浓度中扣除吸收光程信息得到被测气体的浓度值. 以监测大气中NO₂实验为例, 应用该方法在454-487 nm波段反演得到了大气NO₂的浓度(1-30 ppbv范围内), 并将反演结果与传统浓度反演方法的结果进行了对比, 发现两者的不一致性在7%以内. 实验结果表明, 非相干宽带腔增强吸收光谱技术可以利用大气O₂-O₂的吸收来定量其他被测气体的浓度, 而且定量结果对镜片反射率的标定误差不敏感.     

基于二维吸收光谱重建的数值迭代算法的比较

基于可调谐激光吸收光谱的二维温度和浓度分布重建对于燃烧诊断具有重要意义,而数值迭代算法在温度和组分浓度的重建中起着重要作用。通过对比发现自适应迭代算法和最小二乘QR分解算法对于重建二维温度和气体浓度分布具有很好的优势。研究表明,波长7 154.35, 7 153.75, 7 185.60和7 444.36 cm^-1四条H₂O的吸收谱线,非常适合测量高温预混火焰中的温度和水蒸气浓度分布。与7 444.36, 7 185.60, 7 154.35和7 153.75 cm^-1处的吸收谱线相比,CO₂和CH₄的光谱吸光非常微弱,在该波段O₂和CO基本没有吸收,因此燃烧环境中CO₂, CH₄, O₂和CO等气体对于H₂O吸收谱线基本没有影响。通过比较不同算法的最优松弛因子、计算时间和重建误差等,发现与最小二乘QR分解算法相比,自适应迭代算法具有更好的重建质量和更短的计算时间。在自...     

基于可调谐半导体激光器吸收光谱的温度测量方法研究

介绍了基于半导体激光器作光源的吸收光谱测温技术研究和开发集成的系统,利用H₂O在1.4μm附近的吸收线对的线强比值来反演温度.介绍了该系统在实验室管式高温上的标定和开放炉管的测量验证,结果显示各设置温度下测量温度波动平均在50 K左右.之后在CH₄/空气预混平焰炉上进行进一步验证,发现在吸收线7153.7 cm^-1长波一侧出现了HITRAN08中未给出的几条H₂O吸收和该吸收线重叠.HITEMP中在这些波长上有对应的吸收线给出,但对另一条选用的吸收7154.354 cm^-1,给出的可对应吸收线中心频率和测量不一致.根据实验测量结果和HITRAN/HIlTEMP的对比,对选择吸收线对的位置和线强等参数继续采用实验室标定结果,并引入HlTEMP中给出的这些高温下表现出来的吸收线参数,在平焰炉不同当量比状态下做了测量对比.     

[1ChCl∶2EG]/CrCl3·6H2O离子液体中Cr(Ⅲ)配合物的研究

利用电喷雾质谱(ESI-MS)和紫外-可见吸收光谱(UV-Vis)分析,研究了CrCl₃·6H₂O 浓度为0.1～0.6 mol·L-1的水溶液和[1ChCl∶2EG]/CrCl₃·6H₂O ILs中,Cr(Ⅲ)配合物的存在形式。研究结果表明,在含有CrCl₃·6H₂O的溶液中,Cr(Ⅲ)与Cl-和H₂O形成[Cr(H₂O)_nCl_6-n]n-3配合物,其配合物的优势物种受CrCl₃·6H₂O浓度的影响。水溶液中Cr(Ⅲ) 的优势配合物为[Cr(H₂O)₆]3+与[Cr(H₂O)₅Cl]2+,并随CrCl₃·6H₂O浓度增加,水溶液的UV-Vis吸收光谱峰红移,[Cr(H₂O)₅Cl]2+的相对含量增加。而[1ChCl∶2EG]/CrCl₃·6H₂O ILs中的优势配合物为[Cr(H₂O)₂Cl₄]-和[Cr(H₂O)₃Cl₃],且随CrCl₃·6H₂O 浓度增加,溶液的颜色从浅橙红色逐渐变为深绿色,溶液的UV-Vis吸收光谱峰蓝移,[Cr(H₂O)₃Cl₃]的相对量增加。说明CrCl₃·6H₂O的浓度变化,将影响配体Cl-和H₂O与Cr(Ⅲ)配位结合的配位数,从而影响配合物优势物种的相对量。     

波长调制吸收光谱技术的燃气轮机燃烧室温度组分二维分布测量方法

可调半导体激光光谱技术（TDLAS）可实现温度、组分浓度等多参数同时测量,具有体积小、响应速度快、环境适应性高等优点,逐渐成为燃烧流场诊断的主要手段之一。TDLAS光谱测量常采用直接吸收技术和波长调制技术,其中强度归一化的波长调制技术,适合存在振动、湍流等致光束偏转效应和强辐射本底等恶劣应用环境条件的燃气轮机流场参数测量。基于TDLAS技术,开展了1f归一化波长调制技术燃气轮机燃烧室温度、组分浓度参数测量方法研究和实验室验证工作,并在某燃气轮机单喷嘴台架进行了冷态、热态试验验证,实现了燃气轮机燃烧室沿气流方向温度及H₂O、CH₄浓度二维分布测量。采用1f归一化波长调制技术抑制台架振动、热辐射背景噪声,采用1 392,1 469和1 343 nm蝶形封装的DFB激光器,三支激光器的出光方式为时分复用,选取H₂O的7 185.6,6 807.83和7 444.3 cm-1处的吸收线,两两组合使用,测量热态下一定范围内的温度和H₂O浓度;采用1 654 nm蝶形封装的DFB激光器,选取CH₄的6 046.96 cm-1处的吸收线进行冷态CH₄浓度测量。实验室对测量系统可靠性进行验证,配置4%~6%范围内的CH₄气体进行测量并与实际值对比,浓度测量最大相对偏差为3.72%;在高温炉中设定900~1 500 K范围内的温度台阶,充入纯水汽,计算不同设定温度和压力下的温度和浓度测量值,温度测量最大相对偏差3.07%,浓度测量最大相对偏差为-2.00%,验证了该测量系统的可靠性。台架燃气轮机实验中,集成了一套小型化测量仪器,设计多束激光收发一体的测量结构。实验采用两个电动位移台,搭载测量结构,每间隔5 mm逐点移动采样,对燃气轮机燃烧室300 mm×60 mm的燃烧区域进行测量,获取了若干工况下冷热态结果。通过双三次插值的方法绘制分辨率为0.5 mm的二维流场分布图,结果分别反映了测量区域范围内CH₄和火焰分布的真实状态。为燃气轮机喷嘴燃料、空气掺混情况和燃烧特性研究提供了新的研究方法和技术手段。     

基于便携式柱面镜多通池的二氧化碳高灵敏度探测研究

二氧化碳作为大气中重要的温室气体，与气候变化和人类活动密切相关，因此对其浓度的探测具有重要意义。利用近红外可调谐二极管激光器结合自主设计的便携式小型化柱面镜光学多通吸收池，实现了二氧化碳气体的高灵敏探测。通过Matlab编写光线传输矩阵，优化设计了基于柱面镜的光学多通吸收池，相比于传统Herriott型多通池，具有腔镜利用面积高、在相同体积内可实现有效光程长等特点，在物理基长为15 cm的情况下，实现了14 m的有效光程。实验中使用中心波长为1.57 μm的DFB二极管激光器，采用直接吸收光谱方法对CO₂气体进行了探测研究，并用Allan方差对系统性能进行了分析。结果表明，在平均时间为5 s时，系统的探测灵敏度为33.1 μL·L-1，平均时间为235 s时，系统的探测灵敏度可达到5.3 μL·L-1。此外，利用该系统实现了大气中CO₂的探测，得到大气中的CO₂浓度为383.4 μL·L-1。基于柱面镜多通池搭建的可调谐激光吸收光谱(TDLAS)系统，结合了柱面镜多通池可在小体积内实现长光程和可调谐激光吸收光谱技术高灵敏度、高分辨率、快速响应的优点，大大减小了系统体积，提高了系统探测灵敏度，在气体探测领域有广泛的应用。     

便携式FTIR的机动车尾气检测方法

随着汽车排放标准的提高,相关VOC标准从总烃检测变为非甲烷碳氢化合物(NMHC)检测;随着含氧燃料的增加,增加了非甲烷有机气体(NMOG)测量。针对国内汽车尾气分析仪分析组分单一、精度有限、VOCs检测过程复杂等问题,提出了基于便携式FTIR的机动车尾气检测方法,基于立体角镜优化FTIR光学系统结构,提高动镜扫描速度,设计便携式且满足抗振动需求的快速FTIR光谱仪。FTIR红外光源输出波段范围为2～20 μm,分辨率为0.5 cm-1,扫描速度1 Hz,气体池光程为10 m,采用斯特林探测器,其光谱响应范围为600～6 000 cm-1。选择CH₄,C₂H₂,C₂H₄,C₂H₆,C₃H₆,n-C₅H₁₂,i-C₅H₁₂,C₇H₈,HCHO,C₂H₅OH,CH₃CHO这些典型HC化合物作为VOC气体检测的替代物。通过标准谱确定尾气成分的波段为900～1 100和2 700～3 100 cm-1,涵盖所有待测气体吸收波段。基于AVL台架测试,开展NEDC和WLTC工况实验测试,测试车辆为丰田威驰,测试油品为92号国五。便携式FTIR采用抽取方式进行尾气测量,原始的废气样本来自安装在排气管延长部分的多孔探头,前端安装样气取样装置,主要包括颗粒物过滤和除水汽装置,以防止污染FTIR光学系统。实验表明FTIR可以有效快速测量汽车尾气中CO,CH₄,NO和主要HC化合物,在FTIR检测限0.5 μmol·mol-1下会引入噪声信号,浓度可信度降低。通过分析可以看出输出气体平均浓度降级排列依次是：CO,C₂H₄,CH₄,NO,i-C₅H₁₂,C₂H₆,C₇H₈,n-C₅H₁₂,C₂H₅OH,CH₃CHO。从3个循环的NEDC工况可以看出,每种气体排放呈现一致的规律性变化。针对CO进行了SEMTECH-DS与FTIR测量数据的时间序列比较,结果呈现了较好的规律一致性,但是由于FTIR和SEMTECH-DS测量技术和取样稀释系统不同导致二者浓度差异较大。与传统尾气检测技术相比,便携式FTIR测量系统对瞬态事件有良好的响应,可以在线进行多组分浓度实时测量获取机动车的瞬时排放数据,在满足新规测试要求下,也可以为后期的机动车在实际道路上的排放特征分析和模拟提供可靠的数据支持。     

氩气掺入对类金刚石沉积过程的影响

在电子助进化学气相沉积(EACVD)类金刚石薄膜中,使用和比较CH₄/H₂与CH₄/H₂/Ar两种体系,用静电探针测量这两种体系的电子温度、电子密度,结果表明,在CH₄/H₂/Ar体系中,电子密度较高,使成膜的速率增加。 关键词：     

氧化反应调控的金纳米簇“关-开”型荧光探针检测过氧化氢和葡萄糖

基于过氧化氢（H₂O₂）氧化单巯基（—S）为双巯基（S—S）,抑制金纳米簇（AuNCs）荧光猝灭,建立了一种灵敏的荧光传感方法用于过氧化氢和葡萄糖（Glu）的检测。DNA为模板合成的金纳米簇作为荧光探针,荧光强度高、稳定且合成简单快速。加入半胱氨酸（Cys）,半胱氨酸上的单巯基可以与金纳米簇发生化学键合反应形成稳定的Au—S键,破坏金纳米簇的结构,导致金纳米簇荧光强度猝灭。但当体系中存在过氧化氢时,将单巯基半胱氨酸氧化成双巯基的胱氨酸。双巯基的胱氨酸不能与金纳米簇发生键合作用,金纳米簇在471 nm处发射出强烈的荧光信号。葡萄糖可以在葡萄糖氧化酶（Gox）的作用下产生过氧化氢,利用该方法进一步开展了对葡萄糖的检测。以金纳米簇荧光强度的变化值F/F₀为纵坐标,过氧化氢或葡萄糖浓度为横坐标,实现了对过氧化氢和葡萄糖的灵敏检测,线性范围分别为10~100和10~200 μmol·L-1,检测下限分别为2.8和3.1 μmol·L-1。选择4种其他糖类化合物和5种金属离子作为干扰物质,均不会抑制半胱氨酸对金纳米簇的荧光猝灭效应,表明该方法具有很好的选择性。用该方法成功检测了胎牛血清样品中的葡萄糖,加标回收率为94.5%~112.7%。此外,该方法可拓展到其他基于酶催化产生过氧化氢体系的分析物检测,如胆固醇、辣根过氧化物酶等,为过氧化氢相关反应的分析提供了一种通用、简便的方法,在临床诊断、食品科学和环境分析等领域具有潜在的应用价值。     

质谱和拉曼光谱对[M(H2O)n]+(M=Li,K)水合团簇的研究

采用质谱、拉曼光谱及理论计算对[M(H₂O)_n]+(M=Li,K)水合团簇进行了研究。质谱分析[M(H₂O)_n]+(M=Li,K)水合团簇的离子峰,推测其水溶液中最大水化数为12和13。采用拉曼光谱对浓度梯度相同的LiCl和KCl水溶液进行了讨论与比较,Li+和K+的水化作用导致~3 208 cm-1水结构拉曼峰发生了明显的变化,其中LiCl和KCl溶液的浓度分别在0~2.0和0~2.5 mol·L-1范围内,水化作用呈线性增强,浓度大于2.0和2.5 mol·L-1时,偏离线性关系,出现缔合。理论计算[M(H₂O)_n]+水合团簇结构和理论拉曼光谱表明,Li+,K+分别在n>4和n>6开始第二水化层,O-H伸缩振动频率发生了蓝移,氢键结构遭到了破坏,与实验结果一致。     

荧光光谱法研究氨基改性介孔泡沫对DhaA的稳定化机理

采用F-4600荧光光谱仪,对尿素和二甲基亚砜两种变性剂中烷基卤脱卤酶DhaA在氨基改性介孔泡沫固定化前后的荧光光谱特征进行测定。运用荧光相图分析DhaA在两种变性剂中的去折叠过程,并结合活性残留率进行了变性过程热力学参数计算,比较固定化前后DhaA去折叠过程和热力学参数的区别。实验结果表明,DhaA催化活性随变性剂浓度增加而降低。相同变性剂浓度下,固定化DhaA能够比游离态DhaA保持更高的催化活性,在变性剂到达临界浓度之前（尿素浓度5.5 mol·L-1,DMSO浓度7 mol·L-1）,氨基改性介孔泡沫的稳定化作用显著。DhaA在尿素诱导下的变性过程符合“二态模型”,而在DMSO诱导下符合“三态模型”,DhaA中间态出现在浓度为5.6 mol·L-1。氨基改性介孔泡沫固定化不改变DhaA变性过程,但能够提高DhaA的去折叠热力学参数。在尿素诱导下,计算得到的DhaA初始吉布斯自由能变ΔG(H₂O)为8.51 kcal·mol-1,固定化后ΔG(H₂O)提高为9.55 kcal·mol-1;但由于尿素分子容易通过静电作用进入氨基介孔泡沫孔道,固定化后DhaA的溶液可及面积m由3.69 kcal·(mol·mol·L-1)-1增大到4.00 kcal·(mol·mol·L-1)-1,孔道内的氨基、羟基能够通过氢键作用增强DhaA的刚性,从而有效的降低了尿素可及面积增加带来的影响,提高了DhaA的尿素耐受性。在DMSO诱导下,计算发现游离态与固定化DhaA在折叠态向中间态转变过程中的ΔG(H₂O)均为12.12 kcal·mol-1,由于孔道内的氨基、羟基能够有效阻碍非极性DMSO分子的进入,造成m从3.39 kcal·(mol·mol·L-1)-1降低为2.30 kcal·(mol·mol·L-1)-1;当DhaA从中间态向去折叠态转化时,DhaA内部疏水基团暴露导致m增加,由于孔道内极性微环境作用,固定化DhaA的m值（4.40 kcal·(mol·mol·L-1)-1）仍然低于游离态DhaA（4.94 kcal·(mol·mol·L-1)-1）。荧光光谱法研究固定化对DhaA去折叠过程及热力学参数的影响是深入研究DhaA稳定性的有效手段,能够为其他生物酶的稳定化机理研究提供方法指导。     

基于TDLAS技术的CH4气体检测与温度补偿方法

CH₄气体的精准检测对防止矿井瓦斯爆炸,确保安全生产至关重要。目前基于可调谐半导体激光吸收光谱技术（TDLAS）存在因温度变化导致气体浓度测量误差较大。探究了基于TDLAS的CH₄气体检测系统与温度补偿方法,分析温度对CH₄气体吸收谱线的影响,通过算法补偿模型消除环境温度对CH₄气体检测的影响。依据TDLAS技术原理及相关理论,对系统发射单元、吸收池、信号接收单元、数据处理单元进行设计,搭建了基于TDLAS技术的CH₄气体浓度检测系统,实验检测了不同环境温度（10~50 ℃）时0.04%CH₄气体浓度,分析温度变化对CH₄气体在波长为1.653 μm处吸收谱线强度和半宽度的影响。为消除温度对CH₄气体检测的影响并提高补偿效果,采用粒子群优化算法（PSO）优化BP神经网络（BPNN）的最佳权值和阈值,建立CH₄气体的PSO-BP温度补偿模型,克服了BP神经网络收敛速度慢、易陷入局部最优的缺点。结果表明：（1）基于TDLAS的CH₄气体检测浓度随环境温度升高而下降,整个实验温度内相对误差范围为4.25%~12.13%,不同环境温度下CH₄气体检测浓度与温度之间的关系可用一元三次多项式表示;（2）CH₄气体的吸收强度和半宽度随着温度的升高而下降,与温度变化之间的关系为单调递减函数,温度对CH₄气体吸收谱线强度的相对变化率大于吸收谱线半宽度的相对变化率,CH₄气体吸收谱线的强度更容易受温度变化的影响;（3）BP神经网络和PSO-BP模型测试样本的绝对平均误差（MAE）分别为12.88%和1.81%,平均绝对百分比误差（MAPE）分别为2.3%和0.3%,均方根误差（RMSE）分别为15.96%和2.69%,相关系数R2分别为0.980 6和0.999 6。通过建立PSO-BP温度补偿模型,补偿效果大部分分布在±1.0%的误差范围内,MAE,MAPE,RMSE和R2等评价指标均大幅度提升,对提高TDLAS技术在矿井CH₄的精准检测具有一定的参考意义。     

Magnetic ordering temperature of [(CH3)3ND] CoCl3·2D2O

Deuteration of the readily-exchangeable protons in [(CH₃)₃NH]-CoCl₃·2H₂O causes little or no change in the long-range magnetic ordering temperature. This is consistent with the strong two-dimensional anisotropy of exchange interactions in this chained compound.     

牛血清蛋白纳米金团簇基于荧光共振能量转移法灵敏检测尿酸

基于纳米金团簇（AuNCs）良好的光学稳定性、生物相容性和简单无毒的制备方法,开发了一种具有高度选择性、高灵敏度且可视化的尿酸（UA）传感器。使用牛血清白蛋白（BSA）作为模板合成了BSA-AuNCs。在尿酸氧化酶的催化下,UA产生化学计量的过氧化氢（H₂O₂）,导致AuNCs的荧光猝灭。此外,发现BSA-AuNCs在该体系模拟过氧化物酶发挥酶活性,它可以催化产物H₂O₂将底物3,3’,5,5’-四甲基联苯胺（3,3’,5,5’-tetramethylbenzidine, TMB）氧化成ox-TMB,此时BSA-AuNCs的发射光谱与ox-TMB的吸收光谱重叠,发生了一种荧光共振能量转移（FRET）。BSA-AuNCs作为供体将激发能量转移到受体ox-TMB,使ox-TMB产生荧光,同时BSA-AuNCs的荧光强度明显低于单独存在时的强度,从而大大提高了UA检测的灵敏度。在最佳条件下,发现UA浓度在2～100 μmol·L-1猝灭程度线性关系良好,线性方程为（F₀-F）/F₀=0.005 85c_UA+0.103 64,线性相关系数为0.995 4,UA的检出限为0.26 μmol·L-1,远低于正常人体UA水平的最低限（90 μmol·L-1）,同时研究了血液样本中UA的加标回收,回收率在97.3%～104.7%,表明了该方法在临床血样UA的检测中具有很大的应用潜力,为进一步的临床分析提供了良好的理论依据和方法学指导。     

ArF laser-induced discharge interruption in a mixture of C2H3Cl/CF4/CH4, CF4/CH4, and C2H3Cl/He

The ArF-laser (193-nm)-induced discharge interruption is comparatively described in a mixture of C₂H₃Cl/CF ₄/CH₄, CF₄/CH₄, and C₂ H₃Cl/He using a hollow-cathode-type discharge tube. The unfocused ArF laser (typically 27 mJ/cm² and 10 ns duration) illuminated both the negative glow inside the hollow cathode and the column between the two electrodes. With a 1.8-torr mixture of C₂ H₃Cl/CF₄, the discharge current of 1 mA was decreased rapidly with a current-decay time constant of 1 μs and a current-decay rate of 1 kA/s. With a 1.5-torr mixture of CF₄/CH₄, 2.2 μs and 450 A/s were obtained. With a 1.5-torr mixture of CH₂H₃Cl/He, a time constant of over 3 μs and a rate of less than 300 A/s were obtained. An analysis of the discharge interruption induced by ArF-laser irradiation is given in terms of photon-plasma kinetics. The current peak induced by ArF irradiation is also explained for a mixture of C₂H₃ Cl/He in terms of photoionization and photodetachment processes