基于长光程技术的痕量海水营养盐自动分析仪的设计与测试

海水中可溶性的营养盐浓度是海洋监测的常规项目之一;大洋水体中的营养盐含量很低,使用传统的分光光度计难于定量测量。文章基于液芯波导长光程技术,设计了高灵敏度的痕量海水营养盐光谱分析仪。分析仪以1.02 nm的光谱分辨率实现350～900 nm光谱范围的水样吸光度连续光谱测量,并由嵌入式PC104微机自动实现了水样采集、吸光度测量和数据分析的功能。针对亚硝酸盐的测试实验结果表明,仪器检出限达到nmol·L-1的量级,比传统分光光度计的检测限提高了三个量级,且显色反应时间可缩短到3 min,能适用于大洋水体中营养盐的现场痕量分析。     

浅海底质高光谱反射率测量系统的设计及应用

海底光谱反射率是光学浅水中太阳辐射传输的重要组成部分,影响着海水表面离水辐亮度的光谱特性,因此底质光谱信息的准确获取对于浅海遥感工作的开展至关重要。专门设计了一套海底光谱反射率测量系统填补了国际上在这方面的空白。采用可自由伸缩并旋转角度的参考白板贴近目标物测量,以消除探头到目标物之间水体吸收衰减的影响,双光路采集系统同步测量的设计避免了水下光场迅速变化对辐射测量的影响。于2018年9月3日—8日,用该系统在三亚珊瑚礁保护区进行原位海底反射率测量试验,测量对象包括珊瑚、海草、泥沙、沙滩等多种底质。各底质类型之间具有光谱可分性,具体表现为,在波长大于580 nm的长波段,浅海沙子底质与岸上沙滩光谱反射率特征差异明显,表明相对于空气中,水体和水中微藻介质的吸收散射作用严重影响着水下光谱辐射的测量,证实了空气中测量的目标光谱不可替代水中的结果。珊瑚和水草的光谱反射率特征主要区别在于海草反射率光谱在540~600 nm波段有一个宽反射峰,而珊瑚的典型特征是在575,600和650 nm附近有三个特征反射峰。此外,珊瑚、沙子和沙滩三种碳酸盐质底质在395,430,490和520 nm存在反射峰,485和585 nm处有一个小吸收峰,而海草则相反,在395,430,490和520 nm存在吸收峰,485和585 nm处显示反射峰。以上数据为将来利用底质反射率提取底栖物质组成信息奠定了基础,同时其结果也能够证实系统的可靠性和有效性。     

密云县潮河流域沿岸铁矿集中区土壤中稀土元素的地球化学特征及粒度效应

研究评价了原土及粒级土壤中稀土元素地球化学特征以及粒度效应。采用ICP-MS对原土和各个粒级土壤中15种稀土元素,包括La,Ce,Pr,Nd,Sm,Eu,Gd,Tb,Dy,Ho,Er,Tm,Yb,Lu和Y进行了测定。结果表明:研究区内土壤中稀土元素的含量高于中国大陆土壤稀土元素背景值,平均值变化较大;15种稀土元素含量与不同粒级的关系趋势一致,即随着粒径的减小而呈现增大的趋势;原土及各粒级土壤经Masuda(1973)的6个Leedy球粒陨石平均值标准化后,REEs的配分模式一致,呈富集轻稀土的右倾型,明显的Eu负异常,Ce弱亏损,主要受陆源控制。潮河流域沿岸土壤中REE随粒度的变化特征与粘土矿物对其吸附及不同粒级中的矿物成分密切相关。该研究结论为选取稀土元素作为示踪剂提供了科学依据,并为不同粒径组分中稀土元素的进一步研究提供一定的参考价值。     

锚链式水下多光谱辐射计的设计

研发了一种向下光谱辐照度和向上光谱辐亮度的锚链式水下多光谱辐射计,主要用于深层海水的测量。解决了水下光学窗口的污染问题。采用高灵敏度光电探测器与高精度ADC相结合的方法探测了深层海水的微弱光信号。电池的使用采用了时钟控制和间断供电方式。通过电感式Modem实现了数据的实时传输。     

紫外分光光度法测定硝酸盐氮时消除铁离子干扰的新方法

在未受有机物污染的体系中,采用吸光度校正法可以准确快捷的消除铁离子的干扰.铁离子在220nm和275nm处都有吸收,而且这两个吸光度之间具有A220,Fe3+=3.8A275,Fe3+的线性关系.利用硝酸根在275nm处没有吸收,将A220,Fe3+从水样在220nm的吸光度值中扣除后即得到水样中硝酸盐氮的浓度.     

基于双光路原理的海水IOPs高光谱测量仪方案

设计了基于双光路原理的海水固有光学参数测量仪。该仪器可同步测量水体光谱吸收系数a、光束衰减系数c和体散射系数b。其中吸收系数a采用反射式吸收管测量,光束衰减系数c采用全吸收式样品池测量,体散射系数b根据c=a+b计算。光信号由光纤收集、光谱仪分光后用CCD探测器测量。光谱分辨率为4nm,灵敏度为0 001m-1。该仪器直接在水下工作,由水泵抽取被测海水,水下最大工作深度为200m。测量数据可以自动记录,同时也可以通过水下电缆实时传输到调查船实验室。     

浮游植物的吸收和散射特性:理论模型

利用Mie理论模型对不同粒径分布和复折射率的浮游植物吸收和散射特性进行了模拟计算。在550nm波长处,直径<10μm的颗粒对总的散射系数贡献最大,单位体积浓度的散射系数随着折射率实部n的增大呈有规律的地增加。对给定的n值来说,随着微分粒径分布参数j值的增大而增加,折射率实部n对单位色素浓度的吸收系数ap*(λ)的影响很小,对bp*(λ)影响相对较大。折射率虚部n′对单位色素浓度的吸收系数ap*(λ)的影响很大,对bp*(λ)的影响相对较小。微分粒径分布参数j对ap*(λ)和bp*(λ)的影响都很大,ap*(λ)随j值的减小而减小的主要原因是因为大颗粒“打包效应”引起的吸收减弱,而bp*(λ)随j值的增大而增大的主要原因是因为小粒径颗粒对散射的贡献。     

基于顺序注射分析的海水亚硝酸盐快速检测方法研究

为实现海水亚硝酸盐的快速检测,使测量过程更适用于在线监测,对前期已有的顺序注射分析技术进行了优化,结合自主研制的Z型高灵敏度液芯波导样品池和多适应环管器,基于分光光度检测方法,在不完全显色反应的基础上,建立了一种海水亚硝酸盐快速全自动检测方法。进样技术中高精度注射泵与多通道选择阀配合,顺序吸入样品和试剂至储液盘管后,再反推至混合盘管,期间发生不完全显色反应,并最终由注射泵将显色混合溶液缓推过Z型液芯波导样品池,同步流动检测溶液吸光度变化,结合朗伯比尔定律最终获取待测亚硝酸盐溶液浓度。为达到稳定且快速分析的目的,分析了测量方法中几个关键参数,如不完全显色反应时间、检测时流速和盐度对测量结果的影响,寻求最佳的技术及参数组合。不完全显色反应研究结果表明,在10~60 s显色时间范围内,吸光度检测结果的相对标准误差（RSD）均不超过1.64%,说明10~60 s的显色时间对本方法无影响,因此选择10s作为快速检测方法的显色反应时间。通过对不同流速情况下样品检测结果的分析发现,流速过快会导致检测不稳定,过慢则不利于快速分析,选择吸光度测量较为稳定的10,11.6,13和15 μL·s-1四个流速,对测量结果的稳定性和重复性进行分析,结果表明,上述四个流速下的线性效果都很好,因此,选择最快的15 μL·s-1作为该方法的检测流速。为验证该方法对盐度的敏感性,以适应淡水和大范围海水为出发点,研究分析了0~35盐度范围内,三种不同浓度（150,250,350 μg·L-1）亚硝酸盐溶液的吸光度变化情况,得到的RSD分别为1.39%,2.03%和1.28%,证明盐度对本方法的吸光度测量基本无影响。对80,150和250 μg·L-1亚硝酸盐标准溶液平行测定11次得到的RSD分别为2.13%,1.07%和1.83%,说明本方法精密度较好。通过对空白样品进行10次平行样测量,计算得到本方法检出限为37 μg·L-1（约0.5 μmol·L-1）。为验证本方法的可信度,利用该快速检测方法和《海洋调查规范》标准测量方法对同一批次亚硝酸盐标准溶液制作标准曲线,二者的R2均大于0.999,对同一浓度样品两种方法得到的测量结果数据拟合线性回归方程为y=1.046 1x-0.005 7,R2=0.999 6,说明两种检测方法结果高度一致,更进一步验证了该研究快速测量方法的可行性和可靠性。亚硝酸盐快速检测方法测样速率高达50样·h-1,与传统的人工检测和流动注射分析方法相比,亚硝酸盐的测量耗时从十几分钟缩短到1 min左右,检测分析过程中样品和试剂消耗量极少,测量过程重复性好,整个测量过程全自动进行,操作更为简单智能,避免了人工介入带来的误差,使得基于分光光度的营养盐要素在线及原位检测系统更加小巧、快速和低耗,更适用于现场在线及长时间序列监测,具有很广的应用范围和较好的应用前景。     

利用PNA添加剂来调控钙钛矿薄膜结晶和覆盖率实现高效太阳能电池

钙钛矿薄膜形貌的控制是一个提高太阳能电池能量转换效率的关键问题,而引入添加剂是解决这一问题的一种有效而简便的方法。利用聚丙烯腈（PNA）作为CH₃NH₃PbI₃前驱体溶液溶剂添加剂,通过其浓度可以调控钙钛矿薄膜结晶和表面的覆盖率。本文通过SEM、XRD以及UV-Vis研究了PNA掺杂CH₃NH₃PbI₃钙钛矿薄膜后的表面形貌、结晶度和光学性能的变化。结果表明,通过添加少量的PNA可以优化钙钛矿薄膜的性能,其强烈影响薄膜的结晶过程,有助于形成均匀连续的薄膜,减少针孔,从而增强了钙钛矿层的覆盖率和光吸收。当PNA 的含量为1%（质量分数）时,钙钛矿太阳能电池的各项性能最佳,能量转换效率达到了8.38%。与未加PNA 的电池效率（1.31%） 相比,提高了540%。这些结果表明,PNA可以有效调控钙钛矿薄膜的晶体生长和薄膜形貌,在钙钛矿太阳能电池的大规模生产过程中是一种可以改善钙钛矿薄膜质量的有效添加剂。     

海水硝酸盐/亚硝酸盐原位快速测量仪

基于SIA顺序注射法以及分光光度原理研制了海水硝酸盐/亚硝酸盐原位快速测量仪。对最佳不完全显色反应时间以及硝酸盐镉铜柱还原速度进行了实验优化筛选,采用液芯波导替代比色皿作为样品池,在实现原位快速测量(测量时间可短至4 min)的同时也大大减少了样品量,缩小了仪器体积、 重量,降低了仪器功耗,提高其灵敏度(nmol·L-1),使其更适于原位测量。仪器具有良好的通用性和可扩展性,稍作调整,即可用于不同海域各种营养要素的剖面及定点测量。