近共心腔液体探测拉曼光谱系统的优化及CO2-3/HCO-3探测

海洋中碳循环研究对环境监测和资源探测有着重要意义,其中研究海水中的碳酸盐又是研究碳循环的重要环节,目前对海水中碳酸盐的测量没有直接的现场测量手段,传统海水中碳酸盐的探测主要采用间接探测方法,例如：向海水中加入磷酸,将海水中的碳酸盐转化为二氧化碳,然后再对二氧化碳进行探测。拉曼光谱作为一种可用于海水现场测量的技术,具有对海水中碳酸盐直接检测的潜力,但要在海洋探测中实际应用主要受限于灵敏度。针对海水中碳酸盐的检测需求,搭建了一套近共心腔液体拉曼光谱系统,利用软件分别对反射率为99.66%(@532 nm)、直径为25.4 mm的近共心腔的主要参数（腔镜的焦距、液体样品池两端窗片的厚度及间距）进行了模拟和优化,模拟结果显示：①对直径为25.4 mm的腔镜,焦距为25 mm时,反射次数最多;②对液体样品池光学窗片而言,厚度越小,样品池中心处的光斑越密集,总光通量越大;③液体样品池光学窗片距离越短,样品池中心处的光斑越密集,总光通量越大。基于模拟结果对近共心腔液体拉曼光谱系统优化后,在实验室配置了一系列浓度的碳酸氢根和碳酸根溶液进行测量,并对光谱进行二次微分和高斯滤波预处理,然后提取各浓度下碳酸根和碳酸氢根的峰强信息,建立定标曲线。结果显示：碳酸根、碳酸氢根的拉曼信号强度与其浓度之间线性关系良好,R2分别为0.994和0.998。按照3倍信噪比计算系统对碳酸根和碳酸氢根检测限,结果分别为0.06和0.38 mmol·L-1,检测限低于海水中碳酸根和碳酸氢根浓度（海水中碳酸根浓度约为0.2 mmol·L-1,碳酸氢根浓度约为2.0 mmol·L-1）。该系统灵敏度比目前报道的海洋现场探测拉曼光谱系统提高了10倍以上,为下一步海水中碳酸根和碳酸氢根的现场探测提供了可能。