背景

來自英國利茲大學(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)檢測和實驗，他不僅需要在實驗室內(nèi)做研究，也需要進(jìn)行野外測量以及數(shù)值模擬。

圖1：接入FERGIE系統(tǒng)的吸收光譜實驗設(shè)備

挑戰(zhàn)

斯通博士過去在實驗室里對克里奇中間體(CH2OO)的動力學(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HCHO的反應(yīng)產(chǎn)物，他的工作首次直接測量了以壓力為參數(shù)的CH2OO反應(yīng)動力學(xué)(Stone 等人，2014)。他的這項工作還表明，在氧氣存在的大氣條件下， CH2I2發(fā)生光解后會導(dǎo)致大量CH2OO產(chǎn)生(Stone 等人，2013年)。這一結(jié)論對理解沿海富碘地區(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)一種基于量子級聯(lián)激光器(Quantum Cascade Laser, QCL)的紅外吸收實驗，以直接在大氣條件下監(jiān)測克里格中間體，以及在克里格中間體與SO2反應(yīng)中生成的SO3的量。這些實驗?zāi)軌蛟u估克里格化學(xué)過程產(chǎn)生的硫酸和硫酸鹽氣溶膠對大氣的影響，進(jìn)而探究其對空氣質(zhì)量和氣候變化的影響。

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

解決方案

斯通博士設(shè)計了一個精妙的實驗，他首先使用高功率激光脈沖對氣體混合物進(jìn)行閃光光解，然后利用FERGIE系統(tǒng)(Isoplane81的前身)測量光解后的氣體混合物的瞬時吸收。通過在實驗中將光纖連接到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的光譜動力學(xué)模式(窗口高度為50行)，每條光譜的時標(biāo)可以縮短至290微秒。這就將實驗的時間尺度減少了5-6倍，使得原來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)實驗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