大气化学的奥秘：利用FERGIE进行瞬态吸收光谱研究

背景

来自英国利兹大学的丹尼尔·斯通博士(Dr. Daniel Stone)的研究小组主要致力于大气以及燃烧过程中的氧化反应研究。对那些可以掌控大气成分和燃料燃烧过程的活性物质，如氢氧根(OH)、过氧根(HO2)以及克里奇中间体(Criegee intermediates)等的化学反应过程，斯通博士尤其感兴趣。为了完成相关检测和实验，他不仅需要在实验室内做研究，也需要进行野外测量以及数值模拟。

图1：接入FERGIE系统的吸收光谱实验设备

挑战

斯通博士过去在实验室里对克里奇中间体(CH2OO)的动力学进行了大量的研究。通过激光诱导荧光光谱法监测HCHO的反应产物，他的工作首次直接测量了以压力为参数的CH2OO反应动力学(Stone 等人，2014)。他的这项工作还表明，在氧气存在的大气条件下， CH2I2发生光解后会导致大量CH2OO产生(Stone 等人，2013年)。这一结论对理解沿海富碘地区的氧化过程产生了重要影响。

从那时起，斯通博士的研究小组一直致力于开发一种基于量子级联激光器(Quantum Cascade Laser, QCL)的红外吸收实验，以直接在大气条件下监测克里格中间体，以及在克里格中间体与SO2反应中生成的SO3的量。这些实验能够评估克里格化学过程产生的硫酸和硫酸盐气溶胶对大气的影响，进而探究其对空气质量和气候变化的影响。

Daniel Stone博士：“当FERGIE被整合到之前的实验装置中后，我就可以自由地决定触发因素，并且能够在一个测量日内获得相关的含时数据。”

解决方案

斯通博士设计了一个精妙的实验，他首先使用高功率激光脉冲对气体混合物进行闪光光解，然后利用FERGIE系统(Isoplane81的前身)测量光解后的气体混合物的瞬时吸收。通过在实验中将光纤连接到FERGIE已有的光纤端口中， FERGIE的触发输入可以与外部延迟发生器同步进行采集。

利用FERGIE的光谱动力学模式(窗口高度为50行)，每条光谱的时标可以缩短至290微秒。这就将实验的时间尺度减少了5-6倍，使得原来只能在毫秒尺度上进行的光谱吸收研究扩展至亚毫秒尺度。而如果重复实验100次，灵敏度还将获得提高。

图2：FERGIE光谱仪产品图

审核编辑 黄宇