激光光谱技术在环境监测中的应用专题系列(Ⅳ)激光光谱学方法测量大气中OH自由基

OH自由基是大气中起核心作用的一种微量成分，其定量测量一直是环境化学研究的一个难点，激光光谱学方法由于其诸多优点而在这一领域有着较为成功的应用，文章综述了其中最重要的三种：激光诱导荧光法，长程光吸收法和衰荡光谱法。     

衰荡光谱法测量OH自由基的理论研究

提出了一种用衰荡光谱法测量对流层OH自由基的新方法,并从理论上推 导出OH自由基浓度与衰荡时间的关系,讨论了该方法的可行性和灵敏度,分析了各种干扰因 素对测量的影响,认为该方法与传统测量OH自由基的方法相比优势较为明显。     

单个水分子影响OH+O3反应的理论研究

利用CCSD(T)和MP2的理论方法研究了OH与臭氧反应,并考虑大气中水分子的影响．理论计算探索了OH与臭氧反应的两个反应通道,计算出的能垒与以前的实验和理论符合得较好．当水分子被加入时,反应变得更加复杂,发现了六个反应通道,更重要的是反应能垒降低约4.18 kJ/mol．为了评估这些过程在大气化学中的重要作用,用过渡态理论计算了反应速率．计算结果表明,在298 K,对于没有水参加反应的反应速率为5.16×10^-14 cm³/(molecule s)与实验一致．     

延时提取正交发射MALDI技术研究

在反射式飞行时间质谱仪上,采用脉冲电场延时提取技术及离子正交发射采样方式,进行了基质辅助激光解吸附电离技术(MALDI)的研究.实验所用激光波长为266nm,基质为2,5二羟基苯甲酸,样品为孔雀石绿和多肽.得到了上述样品在MALDI条件下离子的质谱图和初速度分布.质谱测量的分辨率达到4000,质量测量的线性相关度好于0.9999,平均误差小于0.0075%.     

激光诱导Al等离子体发射光谱特性的实验研究

本文从实验上研究了不同缓冲气体(He,Ar,N2和Air)中激光Al等离子体的时间分辨发射光谱,研究了原子发射谱线的强度和Stark展宽随延时、缓冲气体性质和压力变化的规律.结果表明原子谱线的强度在3μs左右达到最大值,随着延时的增加,谱线的Stark展宽减小,而缓冲气体压力的增大导致谱线的Stark展宽增大,在实验测定的四种缓冲气体中,Ar气体中谱线的Stark展宽最大.     

有机种子对异戊二烯光氧化反应形成二次有机气溶胶的粒谱演化和形成速率的影响

基于室内烟雾箱实验平台,研究了在有机种子气溶胶下,来自OH启动异戊二烯光氧化反应形成的二次有机气溶胶的动力学. 探究了二次有机气溶胶的粒谱分布分别与来自室内大气中痕量碳氢化合物光氧化反应产生的种子颗粒物浓度以及前体物异戊二烯浓度的依赖关系. 研究结果表明在高浓度种子气溶胶和低浓度异戊二烯条件下(对应于典型城市大气条件),光化学反应形成的二次有机产物凝聚到种子颗粒物表面而造成的颗粒物增长起主导作用;而在低浓度种子气溶胶和相对高浓度异戊二烯条件下(对应于典型偏远地区大气条件),二次有机气溶胶粒谱分布出现双模式结构,分别对应于来自均相成核的新粒子生成和二次有机产物在种子颗粒物上的凝聚增长. 此外,还研究了有机种子颗粒物浓度对二次有机气溶胶形成的影响,评估了在不同种子浓度下二次有机气溶胶粒谱分布的演化和相应新粒子的形成速率.     

碱金属卤化物气相团簇的质谱与密度泛函理论研究

利用自制的电喷雾电离源与大气压力接口飞行时间质谱相结合,成功观察到了一系列的Cl^-(NaCl)_n和Br^-(NaBr)_m阴离子团簇．研究发现,Cl^-(NaCl)_n体系中n=4和7时质谱的相对丰度较高,被认为是幻数团簇,而其同系物Br^-(NaBr)_m,则发现了不同的质谱峰形,反映了这两种盐溶液在液相成核当中具有细微的差异．基于密度泛函理论的全局最小值搜索程序进一步验证了实验上的发现,显示出n=4和7时是最稳定的结构．另外对这类体系的能量计算发现它们的垂直解离能非常的高,即所谓的超级卤素     

基于扫描激光的腔增强吸收光谱研究

介绍了一种建立在半导体激光扫描基础上的腔增强吸收光谱技术。简要介绍了从衰荡吸收光谱技术向腔增强吸收光谱的发展及腔增强吸收光谱的实验装置,实验证明能够将 DFB 型半导体激光与高精密光学谐振腔相结合,用简单的实验装置进行高灵敏、高分辨直接吸收光谱测量。实验中,激光器的输出波长用一台波长计精确测量,当激光器的输出频率与某一腔模的频率共振时,激光被耦合到一个用两块高反射率平凹透镜(在 1.572μm 附近,R~0.994)组成的 34cm 长的高精密光学谐振腔,通过测量激光透过谐振腔后的光强,得到了二氧化碳分子在6358.654cm-1附近的吸收光谱,探测灵敏度达到了 1.2×10-5cm-1。     

基于模糊聚类算法的大气粒子激光电离质谱数据分析

实验室自行研制了一台大气气溶胶飞行时间激光质谱仪(ATOFLMS),它可以在线地对气溶胶单粒子进行物理和化学特性分析,利用双束连续激光对单个粒子的空气动力学粒径进行测量,并通过飞行时间完成单粒子化学成分的检测。该仪器在运行过程中将产生海量的实验数据,对这些数据的快速、自动处理并提取有价值的信息是整机系统的关键之一。文章介绍模糊聚类算法FCM(fuzzy c-means)在大气气溶胶单粒子聚类分析中的成功运用。利用该算法对连续24 h采集的室内空气气溶胶单粒子质谱数据进行了聚类分析,在得到的5个聚类结果中包含了无机的海盐粒子、矿物质粒子以及其他的三种二次气溶胶成分粒子类型。在对室内空气气溶胶粒子的粒径进行实时检测的结果表明室内可吸入颗粒物以细粒子为主,其中大于1 μm的粒子所占比重较小。小于1 μm的粒子均占95％以上, 在0.4～0.8 μm之间的粒子占据主要部分。     

1.315μm区域高分辨力水汽吸收光谱研究

水汽吸收特性的研究对评估激光通讯和激光传输等具有重要的意义,因此水汽吸收光谱的研究在理论和工程方面都有重要应用。用工作在室温下,窄线宽、宽调谐范围分布反馈(DFB)二极管激光器作光源,结合光程可调、最长光程为1097m、可控温的改进型千米级怀特(White)池,精确地测量了水汽在1．315μm附近的高分辨力、高灵敏度吸收光谱,得到了水汽分子1．315μm附近31条主要吸收线的位置、谱线强度、压力自加宽系数等参量,测量结果与HITRAN数据库中的值很好地一致。实验中使用先进的电子技术和计算机控制技术,大大提高了实验的效率,确保了实验结果的可靠性。