1 中国科学技术大学环境科学与光电技术学院， 安徽 合肥 230026 中国科学院安徽光学与精密机械研究所， 环境光学与技术重点实验室， 安徽 合肥 230031
2 张之栋
3 中国科学技术大学环境科学与光电技术学院， 安徽 合肥 230026 中国科学院安徽光学与精密机械研究所， 环境光学与技术重点实验室， 安徽 合肥 230031中国科学院城市环境研究所中科院城市大气环境卓越中心， 福建 厦门 361021
4 中国科学院安徽光学与精密机械研究所， 环境光学与技术重点实验室， 安徽 合肥 230031
5 安徽大学物质科学与信息技术研究院, 安徽 合肥 230039
二氧化硫（SO2）和氮氧化物（NOx）作为大气中重要的一次排放物， 人为活动造成SO2， NOx的过度排放会对生态环境和人体健康产生巨大危害， 2018年环境保护部就规定了“2+26”城市需要执行大气污染物的特别排放限值， 如: 燃煤锅炉排放限值规定的二氧化硫、 氮氧化物均为200 μg·m-3， 因此了解这些城市中SO2和NOx的分布与排放对大气污染防控管制具有重要意义。 唐山市作为“2+26”城市中大气污染最为严重的重工业城市之一， 近年来实施了多项大气污染防治措施， 但空气质量问题仍然严峻。 2021年2月26至3月1日， 使用基于车载差分吸收光谱技术的移动污染气体监测系统对于唐山市区开展了走航观测实验， 获取了走航路径上NOx和SO2的空间立体分布以及走航区域的排放通量。 实验结果表明唐山市一环存在多处NO2高值区域， 均位于车辆较为集中的立交和路口处。 工业园的走航中部分企业存在高NO2、 SO2的排放， 且获取的NO2和SO2VCD均值较高， 分别是一环的1.75~1.99倍和2.21~3.44倍。 结合垂直柱浓度SO2/NO2的比值以及近地面浓度CO/NO2的比值， 并用Pearson相关系数确定SO2和NO2柱浓度以及NO2近地面浓度和柱浓度之间的相关性， 进一步分析不同区域的主要污染源， 结果表明， 一环走航获取的SO2/NO2最低为0.42， CO/NO2最高为10.88， NO2地表与柱浓度之间的相关性r达到0.56， 3月1日丰南工业园区走航中， 获取的SO2/NO2最高为0.81， CO/NO2最低为7.13， SO2与NO2VCD之间有良好的相关性r为0.787， 唐山市一环区域大气污染物以车辆交通尾气排放为主， 丰南工业园区大气污染物来源以工业生产过程中高架点源（烟囱）释放的大量NO2和SO2为主。
空间分布 排放通量 污染源 走航观测 差分吸收光谱 Distribution Emission flux Pollution source Cruise observation Differential optical absorption spectroscopy 光谱学与光谱分析
2023, 43(5): 1651
1 中国科学院安徽光学精密机械研究所, 中国科学院环境光学与技术重点实验室, 安徽 合肥 230031
4 光学辐射重点实验室, 北京 100854
取代基通过取代苯环上的H原子形成不同苯系物(苯、 甲苯、 二甲苯等), 其共有结构苯环上的不固定π键电子受到激发, 使得苯系物在紫外波段240~280 nm具有明显的特征吸收结构, 鉴于此大气中的苯及相关的苯系物可以通过差分光学吸收光谱(DOAS)方法来进行定量, 但采用该波段测量需要考虑以下问题: 首先是氧气(O2)的吸收干扰问题, 苯(C6H6)在该波段的吸收截面与O2在243~287 nm Herzzberg带相互重叠, 且O2的特征光谱结构随O2的浓度不同而变化, 导致O2的吸收光学密度与O2的浓度不成线性关系。 其次, 苯系物结构上的相似性使其在紫外波段的特征吸收结构差别较小并且相互重叠, 从而对C6H6的拟合产生干扰。 此外, 除了O2和苯系物以外, 还有臭氧(O3)、 二氧化硫(SO2)等干扰。 C6H6在195~208 nm的深紫外波段具有较大的吸收截面(2.417×10-17 cm2·molecule-1), 为240~260 nm处截面大小(2.6×10-18 cm2·molecule-1)的9倍左右, 针对C6H6在深紫外195~208 nm波段的吸收特征, 开展便携式DOAS定量方法研究, 采用该波段进行C6H6的光谱定量分析并应用到实际的外场观测。 通过建立C6H6与干扰气体SO2, 氨(NH3), 二硫化碳(CS2)和一氧化氮(NO)的差分吸收截面的二维相关性矩阵, 获取C6H6光谱定量的最优反演波段。 通过开展实验室条件下C6H6, SO2和NH3不同浓度配比的混气实验对195~208 nm波段反演C6H6的效果进行评估。 实验结果显示, 采用195~208 nm波段进行光谱反演的探测限为17.6 μg·m-3, 光谱反演浓度与理论浓度的相对测量误差均小于5%且RSD(相对标准偏差)小于3%, 同时与240~260 nm波段反演结果进行对比, 相对误差小于5%。 在外场实际情况下, 利用便携式DOAS系统获取190~300 nm的大气测量光谱, 通过DOAS方法解析并结合GPS信息, 获得了某化工园区C6H6的污染浓度分布, 实验结果表明采用195~208 nm深紫外波段同样能适用于对C6H6的光谱定量, 与240~260 nm波段反演结果进行对比, 二者的相关性达到了0.98且相对误差小于10%。
差分光学吸收光谱 苯 深紫外 Differential optical absorption spectroscopy DOAS Benzene Deep ultraviolet DOAS 光谱学与光谱分析
2021, 41(10): 3007
1 中国科学院合肥物质科学研究院， 环境光学与技术重点实验室， 安徽 合肥 230031
2 中国科学技术大学， 安徽 合肥 230026
3 安徽新华学院， 安徽 合肥 230088
介绍了一种新型的、 针对污染源中特定污染气体在紫外波段的成像方法， 该方法基于朗伯比尔吸收定律， 结合紫外带通滤光片分光， 能以较高的时间分辨率和空间分辨率直观再现污染气体浓度在空间的二维分布。 以SO2气体作为研究对象， 在实验室内搭建了测量系统； 阐述了该成像技术的测量方法， 分析了该方法的线性响应， 实验结果表明该方法的线性响应良好， 响应系数R2高达0985； 探讨了该成像方法在不同成像区域内的灵敏度变化， 其差异在1%～3%； 讨论了成像方法获取柱浓度的准确性， 实验室分析结果显示误差约为1%, 准确性较高； 最后分析了该成像方法的检测限并且根据线性最小二乘拟合方法解析出目标气体SO2在样品池横截面上的二维空间分布。
二维分布 目标气体 SO2相机 线性响应 Two dimensional distribution Target gas SO2 camera Linear response 光谱学与光谱分析
2018, 38(5): 1476
1 中国科学院安徽光学精密机械研究所, 中国科学院环境光学与技术重点实验室, 安徽 合肥 230031
2 安徽理工大学电气与信息工程学院, 安徽 淮南 232001
3 中国科学技术大学环境科学与光电技术学院, 安徽 合肥 230026
介绍了一种基于施密特-卡塞格林望远镜的光纤收发一体长光程差分光学吸收光谱(LP-DOAS)系统, 并应用于实际大气HONO和NO2的测量。 该测量系统采用光纤收发一体设计, 相比于目前广泛使用的卡塞格林式差分光学吸收光谱系统更能充分利用望远镜主镜有效面积, 具有较高的光学效率。 分析了暗电流, 偏置以及望远镜内部反射光对系统的影响, 在晴好天气下, 望远镜内部反散光所占大气谱光强比例小于1%。 且通过与传统卡塞格林式差分光学吸收光谱系统进行了实际大气NO2的测量对比, 相关系数r达到0.968, 验证了新系统测量的准确性。 利用该测量系统在河北固城开展了对大气HONO和NO2高灵敏度、 高时间分辨率的外场观测, 在光程为2 490 m下系统对HONO和NO2探测限(2σ)分别为84.2和144.6 ppt。 测量期间的平均时间分辨率约为30 s, HONO和NO2浓度最大值分别为3.2和37.8 ppb, 最小值均低于探测限, 并根据观测期间的数据结果计算夜间HONO/NO2平均值为0.12。
光纤收发一体 Fiber coupling LP-DOAS HONO LP-DOAS HONO NO2 NO2 光谱学与光谱分析
2016, 36(7): 2001
1 中国科学院安徽光学精密机械研究所环境光学与技术重点实验室, 安徽 合肥 230031
2 中国白城兵器实验中心, 吉林 白城 137001
3 中国国防科技信息中心, 北京 100036
4 中国科学技术大学环境科学与光电技术学院, 安徽 合肥 230026
介绍了自行研发的便携式DOAS系统, 该系统基于差分吸收光谱技术(differential optical absorption spectroscopy, DOAS), 并结合了光纤光谱仪和多次反射池技术。 通过采用SO2标准气体和NO2标准气体对系统的精确度及稳定性进行测试, 利用该系统对铜陵市某工业园区的SO2, NO2和苯等污染成分开展了走航观测实验。 结果表明, 在整个测量期间, 以上污染气体在近污染厂区显示了较高的浓度值, SO2的最高浓度为5 023.2 μg·m-3, NO2为2 195.2 μg·m-3, 苯为162.5 μg·m-3。 在吸收光程为12.6 m时, 系统对SO2, NO2和苯的最低检测限分别为67.0, 169.9和30.6 μg·m-3。 该便携式DOAS系统可为工业园区气体泄漏、 无组织排放等气态污染物的应急性及监督性监测和评估提供便捷、 有效的技术手段。
走航观测 便携式DOAS 苯 Cruise observation Portable DOAS SO2 SO2 NO2 NO2 Benzene 光谱学与光谱分析
2016, 36(6): 1936
1 中国科学院安徽光学精密机械研究所, 中国科学院 环境光学与技术重点实验室, 安徽 合肥 230031
2 中国科学技术大学环境科学与光电技术学院, 安徽 合肥 230026
非相干光宽带腔增强吸收光谱作为高灵敏检测技术, 已成功应用于多种大气痕量气体浓度的测量。 根据腔增强吸收光谱技术测量原理可知, 若已知测量气体准确浓度, 镜片反射率随波长的变化曲线、 有效吸收长度、 光学腔内有无测量气体吸收前后的光辐射变化, 可测量出待测气体的吸收截面。 SO2由于a3B1—X1A1自旋禁阻跃迁, 在345～420 nm波段吸收截面较低（～10－22 cm2/molecule）, 其测量有一定难度, 而准确的弱吸收截面对于卫星反演大气痕量气体浓度以及大气研究等方面均有重要意义。 采用365 nm LED光源的宽带腔增强吸收光谱实验装置测量357～385 nm波段范围SO2的弱吸收, 获得该波段SO2弱吸收截面, 并与已公开发表的SO2吸收截面进行对比, 相关系数r为0.997 3, 验证了非相干光宽带腔增强吸收光谱技术准确测量气体弱吸收截面的适用性。
吸收截面 非相干光宽带腔增强吸收光谱 Absorption cross section IBBCEAS SO2 SO2
中国科学院安徽光学精密机械研究所, 中国科学院环境光学与技术重点实验室, 合肥, 230031
为确定光学腔内高反射率镜片的反射率随波长的变化, 分别采用不同气体瑞利散射的差异性和已知浓度的吸收气体对同一对高反射率镜片的反射率随波长变化曲线进行标定.结果表明: 高反射率镜片在359~380 nm光谱区间内反射率曲线为0.99962~0.99990, 两种方法标定结果的相关系数达到0.998, 具有较高的一致性.用腔增强吸收光谱实验装置与商用氮氧化物分析仪同时对实际大气NO2进行测量, 验证了镜片反射率标定的准确性.
腔增强吸收光谱 镜片反射率 标定方法 瑞利散射 Cavity Enhanced Absorption Spectroscopy (CEAS) Mirror reflectivity Calibration method Rayleigh scattering NO2 NO2 光子学报
2015, 44(12): 1201001
1 中国科学院安徽光学精密机械研究所中国科学院环境光学与技术重点实验室, 安徽 合肥 230031
2 安徽理工大学电气与信息工程学院, 安徽 淮南 232001
采用蓝色发光二极管(LED)作为非相干宽带腔增强吸收光谱技术(IBBCEAS)系统光源，测量了436~470 nm波段内NO2样气的吸收，验证IBBCEAS的高探测灵敏度。通过氮气和氦气两者瑞利散射截面的差异标定了镜片在430~490 nm波段内的反射率，并利用纯氧中氧气二聚体(O2-O2)在477 nm处的吸收验证了镜片反射率标定的准确性。镜片反射率在461 nm处最大且为0.99937，光学腔长度为73.5 cm时的最大有效光程为1.17 km。当光谱采集时间为20 s时，NO2的探测灵敏度(1σ)达到了0.25×10-9。进行了开放光路下环境大气中NO2和O2-O2在454~486 nm波段内的吸收测量，结果表明大气中气溶胶等颗粒物的Mie散射消光降低了IBBCEAS仪器的探测灵敏度 (1.04×10-9)。大气中O2-O2的测量为IBBCEAS吸收光程的在线标定提供了一种可行的途径。
大气光学 非相干宽带腔增强吸收光谱技术 开放光路 蓝色发光二极管 大气NO2
中国科学院安徽光学精密机械研究所, 中国科学院环境光学与技术重点实验室, 安徽 合肥 230031
提出了一种基于非色散紫外(NDUV)算法, 利用光电二极管阵列(PDA)探测器和光谱仪检测一氧化氮气体的分析方法。 通过对比分析不同积分次数下一氧化氮吸收谱和无吸收谱内不同波长宽度的总光强, 引入光源影响因子F和吸收谱因子B, 得到吸光度与浓度的拟合方程及相关系数。 结果表明, 采用合适的拟合阶数、 拟合波长宽度和分析方法, 吸光度与浓度的二阶拟合相关系数可达0.999 9以上, 通过拟合方程所获得的待测气体浓度与标准值浓度的误差在3%以内。
一氧化氮浓度 非色散紫外 光源影响因子 吸收谱因子 Nitric oxide concentration Non-dispersive ultra-violet Light source impact factor Absorption spectrum impact factor 光谱学与光谱分析
2012, 32(12): 3381
1 中国科学院安徽光学精密机械研究所, 中国科学院环境光学与技术重点实验室, 安徽 合肥230031
2 合肥金星机电科技发展有限公司, 安徽 合肥230088
3 铜陵金隆铜业有限公司, 安徽 铜陵244021
介绍了在铜冶炼时运用转炉火焰中氧化铅(PbO)和硫化铅(PbS)特征发射光谱强度比值进行过程检测(区分制矿渣阶段和制铜阶段)的一种方法。 根据已知气体分子的特征发射光谱, 确定了实测谱线中PbO和PbS的存在, 并通过现场实验确定了制矿渣阶段的主要特征发射光谱来自PbS, 而制铜阶段的主要特征发射光谱来自PbO。 转炉冶炼时, PbO和PbS特征发射光谱强度的相对变化提供了铜冶炼过程的检测方法, 通过利用特征发射光谱相对强度的比值可以区分炼铜过程中的两个不同阶段——制矿渣阶段（S期）与制铜阶段（B期）。 在一个完整的炼铜周期中, 利用光谱测量设备采集转炉火焰发射光谱, 将噪声滤除后的PbO和PbS特征发射光谱用于过程检测, 准确地完成了S期与B期的鉴别。 理论和实验都证明基于发射光谱的铜冶炼过程检测方法是可靠的。
发射光谱 铜冶炼 过程检测 Emission spectrum Copper smelting Process determination 光谱学与光谱分析
2012, 32(5): 1371
