XS11639微型光谱仪在测量大气痕量气体中的应用

摘要：本文研究利用微型光谱仪进行大气痕量气体（如气态亚硝酸）浓度测量。采用非相干宽带腔增强吸收光谱技术，对HONO浓度进行快速准确检测。比对实验结果显示，该装置与NOX分析仪测量结果一致性良好，为大气化学研究提供了重要手段。

一、研究背景

气态亚硝酸（Nitrous Acid, HONO），HONO光解是城市大气中OH自由基的主要来源之一，OH自由基会提供大气氧化性，进而促进大气中形成各种污染物，如气溶胶、PM2.5等。研究大气中的气态亚硝酸浓度对促进理解大气化学有着重要的意义。  

二、测量原理

非相干宽带腔增强吸收光谱技术（IBBCEAS），其原理是基于Lambert-Beer定律，光对气体物质的吸收与气体物质的浓度成正比。由宽带光源发出的非相干光在谐振腔内来回多次反射，从而提高了有效光程，在减少装置所占空间的同时大大提高了装置的检测下限。一束宽带光源发出的光进入由两面反射率为R的高反镜组成的光学谐振腔，光在每次反射以后都会从高反镜透射出一部分光，投射出的光经透镜汇聚后被光谱仪（XS11639）接收，由于光每次反射的时间远小于光谱仪的信号采集时间，所以光谱仪接受到的是光强的叠加信号其根据物质在不同波段的吸收特性不同来对待测物质浓度进行直接测量。该装置使用非相干宽带（LED）光源，在紫外波段选取了368nm处的HONO的显著吸收峰作为特征峰，该波段只有HONO和NO2有明显的吸收截面，在测量HONO的同时也可以得到NO2的浓度。

图1 IBBCEAS测量HONO的原理图

图2 HONO和NO2的吸收截面

图3 IBBCEAS腔的实物图

三、测试结果

HONO-IBBCEAS装置与NOX分析仪进行了比对实验，Ecophysics nCLD的NOx分析仪采用了化学荧光法原理测量NO，NO2则由内置的钼转化炉还原成NO进行测量。该仪器量程为0-1000ppb，检测限为100ppt，低时间分辨率为1s。两台装置测量的NO2浓度范围为10-120ppb，NOX分析仪在测量峰值时略高于HONO-IBBCEAS装置。两组测量数据呈现较好的一致性，斜率为0.98，R2为0.99。

图4 IBBCEAS装置测量NO2的比对图

四、参考文献

[1]刘文洋,王孟,黄聪艳,马东翔,吴宇航,周文鑫,朱雯斐,杨荟楠,黄成,楼晟荣,陈军.腔增强吸收光谱测量大气亚硝酸的车载走航观测应用[J/OL].环境科学学报:1-11[2023-05-14].DOI:10.13671/j.hjkxxb.2023.0084.