大氣化學(xué)的奧秘：利用FERGIE進(jìn)行瞬態(tài)吸收光譜研究

背景

來(lái)自英國(guó)利茲大學(xué)的丹尼爾·斯通博士(Dr. Daniel Stone)的研究小組主要致力于大氣以及燃燒過程中的氧化反應(yīng)研究。對(duì)那些可以掌控大氣成分和燃料燃燒過程的活性物質(zhì)，如氫氧根(OH)、過氧根(HO2)以及克里奇中間體(Criegee intermediates)等的化學(xué)反應(yīng)過程，斯通博士尤其感興趣。為了完成相關(guān)檢測(cè)和實(shí)驗(yàn)，他不僅需要在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)做研究，也需要進(jìn)行野外測(cè)量以及數(shù)值模擬。

圖1：接入FERGIE系統(tǒng)的吸收光譜實(shí)驗(yàn)設(shè)備

挑戰(zhàn)

斯通博士過去在實(shí)驗(yàn)室里對(duì)克里奇中間體(CH2OO)的動(dòng)力學(xué)進(jìn)行了大量的研究。通過激光誘導(dǎo)熒光光譜法監(jiān)測(cè)HCHO的反應(yīng)產(chǎn)物，他的工作首次直接測(cè)量了以壓力為參數(shù)的CH2OO反應(yīng)動(dòng)力學(xué)(Stone 等人，2014)。他的這項(xiàng)工作還表明，在氧氣存在的大氣條件下， CH2I2發(fā)生光解后會(huì)導(dǎo)致大量CH2OO產(chǎn)生(Stone 等人，2013年)。這一結(jié)論對(duì)理解沿海富碘地區(qū)的氧化過程產(chǎn)生了重要影響。

從那時(shí)起，斯通博士的研究小組一直致力于開發(fā)一種基于量子級(jí)聯(lián)激光器(Quantum Cascade Laser, QCL)的紅外吸收實(shí)驗(yàn)，以直接在大氣條件下監(jiān)測(cè)克里格中間體，以及在克里格中間體與SO2反應(yīng)中生成的SO3的量。這些實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蛟u(píng)估克里格化學(xué)過程產(chǎn)生的硫酸和硫酸鹽氣溶膠對(duì)大氣的影響，進(jìn)而探究其對(duì)空氣質(zhì)量和氣候變化的影響。

Daniel Stone博士：“當(dāng)FERGIE被整合到之前的實(shí)驗(yàn)裝置中后，我就可以自由地決定觸發(fā)因素，并且能夠在一個(gè)測(cè)量日內(nèi)獲得相關(guān)的含時(shí)數(shù)據(jù)。”

解決方案

斯通博士設(shè)計(jì)了一個(gè)精妙的實(shí)驗(yàn)，他首先使用高功率激光脈沖對(duì)氣體混合物進(jìn)行閃光光解，然后利用FERGIE系統(tǒng)(Isoplane81的前身)測(cè)量光解后的氣體混合物的瞬時(shí)吸收。通過在實(shí)驗(yàn)中將光纖連接到FERGIE已有的光纖端口中， FERGIE的觸發(fā)輸入可以與外部延遲發(fā)生器同步進(jìn)行采集。

利用FERGIE的光譜動(dòng)力學(xué)模式(窗口高度為50行)，每條光譜的時(shí)標(biāo)可以縮短至290微秒。這就將實(shí)驗(yàn)的時(shí)間尺度減少了5-6倍，使得原來(lái)只能在毫秒尺度上進(jìn)行的光譜吸收研究擴(kuò)展至亞毫秒尺度。而如果重復(fù)實(shí)驗(yàn)100次，靈敏度還將獲得提高。

圖2：FERGIE光譜儀產(chǎn)品圖

審核編輯 黃宇