基于激光吸收光谱技术的农田氨挥发研究

氨挥发是农田氮素向环境输出的重要途径,也是我国空气中PM2.5形成的主要因素,给环境和农业生产带来了诸多不利影响。传统的农田氨挥发测定大多依赖酸吸收法,但因采样时间长、劳动量大,难以获取氨挥发日内动态变化规律。基于开放光程可调谐二极管激光吸收光谱技术进行田间痕量氨气测定时,测量精度高、选择性好、系统响应速度快,不需要复杂的采样操作,就可以实现激光发射器与反射镜之间数十至数百米的高时间分辨率的氨气浓度原位快速监测。其与微气象反向拉格朗日随机扩散模型相结合(TDLAS-BLS法)是目前农业源氨挥发监测技术领域的研究热点。通过田间试验,分析比较TDLAS-BLS法与微气象水平通量积分法(IHF法)测定的氨挥发速率及氨挥发损失结果,实现对TDLAS-BLS法测定大面积农田氨挥发的可靠性验证。利用监测获取的高时间分辨率数据研究冬小麦追肥期氨挥发日内变化规律及影响因素。结果表明:TDLAS-BLS法和IHF法测定农田氨挥发速率基本一致(斜率为0.97,R2=0.97,n=14),TDLAS-BLS法测定氨挥发速率仅比IHF法低3%,总氨挥发损失仅低6%,证明TDLAS-BLS法可用于冬小麦追肥期大面积农田氨挥发监测中。冬小麦追肥期白天氨浓度明显高于夜间,且受风速波动影响,氨浓度瞬时波动较大。氨挥发速率在追肥后缓慢升高,施肥后第6天出现氨挥发速率峰值8.9 kg N·ha^-1·d^-1,随后逐渐降低,至第15天与背景接近。氨挥发损失主要集中在施肥后的第5~8 d(79~175 h),该时段氨挥发损失占总氨挥发损失的69%。整个监测期间TDLAS-BLS法测定总氨挥发损失为8.8 kg N·ha-1(占施氮量6.3%),较低的损失量与沟施覆土的施肥方式及低温、低光照强度有关。TDLAS-BLS法实现了在线监测大面积农田氨挥发日内变化规律,高时间分辨率数据可更准确地评估气象因素对氨挥发的影响。冬小麦追肥期氨挥发日内波动较大,存在明显的昼高夜低变化规律,与温度、风速、光照有很高的相符性。相关分析表明风速、光照、土壤温度、降水都与氨挥发有显著相关性,异常天气下主导气象因素(如降水)是氨挥发主要控制因素。     

基于TDLAS-bLS方法的夏玉米农田氨挥发研究

采用开放光程可调谐二极管激光吸收光谱技术和反向拉格朗日随机扩散模型,通过田间试验,开展基于高时间分辨率数据的农田氨挥发研究,旨在为揭示农田氨挥发的动态变化规律提供新技术新方法。结果表明,TDLAS-bLS法能有效监测农田氨挥发动态,尤其是日内变化规律。豫北平原潮土农田夏玉米追肥后日内氨挥发有两个挥发峰值,分别在9:00和14:00左右,第一个高峰是由于夜晚溶解在露水中的氨气随露水蒸发而再次挥发,第二个高峰受地温和光照影响所致。追肥后氨挥发速率迅速升高,但挥发高峰期持续时间较短,集中于前四天,整个监测期内氨挥发损失约25.3%。TDLAS-bLS法与通气法相比,测定结果有一定差异。     

傅里叶变换红外光谱法被动遥测大气中VOC

采用傅里叶变换红外光谱法(FTIR)对大气中挥发性有机物(VOC)进行了被动遥测实验,提出了在复杂背景下定量遥测污染气体光谱的算法,讨论了被动FTIR的探测极限。这种测量技术和数据分析方法可在不预先测量背景光谱的情况下得到目标气体柱数密度和目标气体等效辐射温度。     

基于傅里叶变换红外光谱法CO2气体碳同位素比检测研究

介绍了基于傅里叶变换红外技术检测CO₂气体碳同位素比的新方法, 详细介绍了如何从HITRAN红外数据库中提取气体标准吸收截面; 介绍了基于非线性最小二乘法反演CO₂气体碳同位素比和整套实验装置的组成及实验步骤. 从理论和实验分析两方面讨论了温度和气压变化对δ¹³CO₂值的影响规律. 对于同一CO₂标准气体, 采用FTIR和同位素质谱法两种技术进行了δ¹³CO₂值对比检测, 两种测量技术的平均值差异仅为0.25%. 从实验结果可以看出, FTIR技术可以实现对CO₂气体碳同位素比的检测.     

航空发动机尾气FTIR被动检测

航空发动机尾气排放情况可以反映发动机的燃烧状态,从而可以为发动机视情维修提供依据,同时可以为因尾气排放造成的环境污染分析提供依据,因此,对航空发动机尾气进行检测非常重要。由于传统的航空发动机尾气取样分析不方便,而且无法满足飞机爬升与空中飞行状态下的检测需要,文章将FTIR被动检测技术引入到航空发动机尾气检测中。首先详细介绍了FTIR被动检测原理和被检测气体浓度反演算法模型,接着分析了FTIR被动检测技术用于航空发动机尾气检测的可行性,给出了发动机尾气FTIR被动检测方法,最后利用布鲁克公司生产的Tensor27型FTIR对某航空发动机尾气进行了被动检测,得到了该发动机尾气中主要气体CO和NO的浓度,并与取样分析结果进行了比较,两者结果基本吻合,这表明FTIR被动检测技术满足航空发动机尾气检测要求。     

SOF-FTIR在化工厂区氨气排放通量测量中的应用

介绍了一种化工厂区污染气体排放通量实时监测的新方法,即太阳掩星法傅里叶变换红外光谱技术(SOF-FTIR),提出了复杂条件下的背景谱、测量谱和污染区域周边大气透过率谱获取模型。通过对欲监测的污染源区域周边做闭合环路连续测量以获得测量光谱,最终应用非线性最小二乘拟合算法对污染源区域污染气体的柱浓度信息进行反演,并结合实验时气象参数以及GPS信息得到该区域污染气体的排放通量。运用此方法实际遥测了某化工厂区氨气的排放情况,并对氨气气体浓度分布及排放通量进行了定量分析。相对于传统的FTIR监测方法,该方法操作简单、机动性强,在污染气体区域监测以及其他污染源污染排放应急监测等应用领域具有良好的应用前景。     

精油中挥发性成分GC/FTIR与GC/MS联合分析

采用同时蒸馏萃取(SDE)法获得了香紫苏(Salvia sclarea L.)精油,利用气相色谱/傅里叶变换红外光谱联用(GC/FTIR)和气相色谱/质谱联用(GC/MS)相结合的手段,对其挥发成分进行了定性和定量分析,着重讨论了GC/FTIR在精油分析中的应用研究。通过不同波数官能团(Gram-Schmidt)重建红外光谱图、红外光谱差谱技术及质谱等相互验证的方法,大大提高了香紫苏油挥发成分的定性分析准确性。     

在不同空间高度下遥感FTIR定量测定大气中的某些VOCs

应用遥感FTIR在不同高度下,测定大气中的有毒易挥发有机化合物(VOCs)——甲苯,正己烷和丙酮的浓度。并对相同的高度下,测量的精度做了研究。当高度为0.61 m时,所测得的气体的浓度值最大,而当仪器高度为0.36和0.86 m时,测得的浓度则较低。实验结果表明,在不同的高度下VOCs的挥发是不同的。     

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。     

测量气体分子平均速率的一种简易方法

用一种简易的方法测量了常温下气体分子运动的平均速率.根据易挥发性液体的质量随时间逐渐减少的特点和盛放液体的容器加盖前后挥发的气体分子对容器作用力的变化,通过分析天平测量液体质量的改变得到挥发出来的气体分子对容器的作用力,利用变质量物体的动量守恒定理,测量得到了易挥发性气体分子的平均速率,实验结果较好地与理论值符合.     

不同分辨率下气体样品傅里叶变换红外光谱的定量分析误差

通过分析牧场附近测量的大气FTIR光谱中NH3在4种分辨率(分别为1、2、4cm-1和8cm-1)下的浓度,系统研究了不同分辨率下气体样品FTIR光谱定量分析的误差。选择72个实测光谱作为研究对象,其中NH3的光程积分浓度(Path-integrated concentration,PIC)分布在40—1300(μmol/mol).m。分析了NH3的最大吸收峰和次大吸收峰的选取对定量的影响。结果表明:选用NH3的次大吸收峰的定量误差更小;在允许的误差范围内(本研究中设为5%),不需要制作校准曲线,通过选用多个浓度适当的参考光谱,直接应用Beer定律仍能实现气体样品的定量分析;并且分辨率越低,定量分析所需的参考光谱数目越多。本研究通过合理选用多个参考光谱,实现了不同分辨率下FTIR光谱的定量分析;既充分利用了Beer定律,又克服了吸光度-浓度在低分辨率下的非线性问题;为不同分辨率下气体样品FTIR光谱的定量分析提供了参考。     

FTIR光谱拟合方法在反演气体浓度中的应用

研究用FTIR光谱测量系统反演气体浓度的方法,在WINDOWS操作系统下应用非线性最小二乘拟合算法实现了CO气体的定量分析。在FTIR光谱拟合中,使用HITRAN数据库中的光谱作为校准训练集,使测量的CO红外透过率谱与计算的参考光谱达到最佳拟合得到了该气体的浓度,反演结果的绝对准确度达到1%～5%。     

不同配伍方式凉血活血复方的红外光谱法研究

采用红外光谱法(FTIR)、二阶导数红外光谱法和二维相关光谱分析技术(Two-dimensional correlation spectroscopy)研究不同配伍方式的大血藤、牡丹皮、赤芍水煎液的“宏观指纹特征”。结果表明,不同配伍方式的复方水煎液在3种谱图上均具有显著的变化规律。君药大血藤的特征峰1 610,1 518,1 446 cm-1为芳香物的特征峰,说明大血藤提取物中含有大量芳香类化合物,说明君药在原配伍中具有很好的溶出度,有效成分得以充分利用。不同比例的水煎剂中1 614 cm-1的特征峰倾向于大血藤1 610 cm-1,说明大血藤对水煎剂溶出物质影响较大。根据对特征峰的指认和归属,可揭示药物剂量的增减对复方整体配伍的影响。所提方法为中药复方配伍整体研究提供了新的途径。     

基于碘化银固定相的薄层色谱-红外光谱联用研究

在分析复杂混合物方面原位薄层色谱-红外光谱联用有巨大潜力,二者联用能够相互取长补短,极大地提高对复杂混合物的解析能力。但因固定相自身的红外吸收能够对样品的检测造成干扰,使该方法进展缓慢。实验应用对中红外光透明的碘化银纳米微粒作为固定相制备薄层层析板,并对碘化银薄层板的层析效果及原位红外光谱检测的可行性进行了初步的研究。通过正交设计实验法优化反应条件,制备出粒径为100 nm左右的碘化银颗粒;应用沉降-挥发法制备薄层层析板,实验表明该薄层板具备分离混合物的能力,且原位红外光谱检测结果表明碘化银作为固定相不干扰样品检测。     

傅里叶变换红外光谱对枯草芽孢杆菌的光学特性研究

使用傅里叶变换红外光谱(FTIR)技术,测量了两种不同浓度的枯草芽孢杆菌的红外透过率谱,根据朗伯-比尔定律计算出它们的质量消光截面,通过算出复折射率的虚部,再使用KK(Kramers-Kronig)关系,导出复折射率的实部,并对实验结果作了分析和讨论。通过研究枯草芽孢杆菌复折射率的测量和分析方法,对于进一步研究生物气溶胶的吸收和散射特性、拓宽生物气溶胶的测量和遥测技术方法,具有重要的意义。     

槲皮素-Sn(II)配合物荧光、紫外及红外光谱的测量与分析

以NH4Cl-NH3.H2O为缓冲液,十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)为荧光增强剂,用荧光分光光度计分别采集槲皮素、槲皮素-Sn(II)配合物溶液、槲皮素-Sn(II)-NH4Cl-NH3.H2O、槲皮素-Sn(II)-NH4Cl-NH3.H2O-CTAB溶液以及将其溶液分别静置7h和21h后的荧光光谱,并对光谱进行分析。在不加CTAB的条件下,用紫外分光光度计分别测量加入缓冲液前后的紫外光谱。用漫反射方法测定配合物的红外光谱,并对其结构进行初步分析。在缓冲液的作用下,槲皮素-Sn(II)配合物的结构发生了变化;通过分析,发现与缓冲液发生反应的主要基团为酚羟基,红外光谱中酚羟基的消失和NH4+基团的出现,说明了配合物中的酚羟基与NH4+发生了取代反应。     

Fluorescence characteristics of Dy ions in calcium fluoroborate glasses

Calcium fluoroborate (CFB) glasses doped with different concentrations of trivalent dysprosium ions were prepared and investigated by the FTIR, optical absorption, photoluminescence and decay analysis. Free-ion Hamiltonian model and Judd-Ofelt theory have been used to analyze the energy level scheme and the spectral intensities of Dy³⁺ ions in CFB glasses. From the emission spectra it is observed that the samples emit intense light yellowish color which is nearer to white light. Chromaticity color coordinates have been calculated and the dominant emission wavelength has also been indicated. Decay curves of ⁴F_9/2 level for the samples with different concentrations have been analyzed using the Inokuti-Hirayama model and the energy transfer and non-radiative decay rates have been determined.     

山豆根不同部位化学成分的FTIR表征比较与分析

采用傅里叶变换红外光谱结合二阶导数谱法分析了山豆根不同部位化学成分的红外光谱特征及其差异.结果表明,山豆根根、茎、叶均含有生物碱、黄酮、皂苷、蛋白质、多糖等化学成分,但其含量在不同部位存在一定差异,叶中蛋白质和黄酮含量高于根和茎,而皂苷和多糖含量则低于根和茎.可见红外光谱结合二阶导数谱法为山豆根不同部位化学成分及含量的研究提供了一种快速、全面的分析方法.     

Real‐Time Monitoring of Transport of Chlorinated Hydrocarbons from Industrial Areas Using Open‐Path FTIR Spectrometry with COL1SB

Abstract

Open‐path Fourier transform infrared (FTIR) spectrometry was used to continuously monitor 11 chlorinated hydrocarbon species in the region connecting two different industrial complexes for 24 hr. The single‐beam spectra obtained from open‐path FTIR were analyzed by newly developed software named COL1SB, which generates site‐specific background spectra as well as path‐averaged water vapor concentrations in addition to performing regression analyses. The path‐averaged water vapor concentrations calculated by the COL1SB agreed very well with those measured by a thermo‐hygrometer. In addition, site‐specific background spectra were generated by accounting for chemical absorption of 50 chemical species. The accurate estimation of path‐averaged water vapor concentrations, as well as the usage of site‐specific background spectra, enables chlorinated hydrocarbons to be measured by open‐path FTIR spectrometry at the ppb level. Among 11 chlorinated hydrocarbons considered here, trichlorofluoromethane, carbon tetrachloride, trichloroethylene, and tetrachloroethylene were identified as major chlorinated hydrocarbons having concentrations above 1 ppb. Wind affected the temporal variations of these chlorinated hydrocarbons, indicating the importance of local transport. However, the effect of wind differed from one species to another because of different source characteristics.