循环研究

近日，上海技物所党海政研究员课题组以四级高频脉冲管循环作为前级、JT循环作为终端的复合制冷循环实验方案，获取了迄今为止公开报道的基于多级高频脉冲管耦合JT的复合制冷循环实际获取的最低温度——1.36 K。在此基础上，该团队针对目前获取2 K以下温度的具体实践均需使用昂贵而稀缺的氦-3工质，严重阻碍实用化推广的缺点，提出了以氦-4为唯一工质的创新复合制冷循环方案，并进一步联合上海微系统所尤立星团队，将以氦-4为唯一工质的复合制冷机应用于冷却实际的超导纳米线单光子探测器（SNSPD），通过对系统探测效率和暗计数率等关键指标的实测，结果表明该制冷机可以为SNSPD提供1.84 K工作温度和良好电环境，使其保持稳定可靠的工作状态。以上研究结果为该类复合制冷循环技术在未来的空间应用和进一步实用化奠定了重要基础，相关成果先后发表于低温和超导领域国际期刊《Cryogenics》、《IEEE Transactions on Applied Superconductivity》及国内综合性学术期刊《科学通报》上。 相关工作得到国家自然科学基金、上海市“量子信息技术”市级重大科技专项、上海市产业协同创新项目以及上海市科技创新行动计划项目资助。上海量子科学研究中心、上海铂钺制冷科技有限公司、中科院上海微系统与信息技术研究所、赋同量子科技（浙江）有限公司、中国科学院大学等作为合作单位给予了重要支持。上海技物所1~2 K温区复合制冷机典型实物图：(a)系统整体布置 (b) 低温端细节 【附】相关已发表的系列学术论文链接如下：（1）以氦-4为唯一工质的1.8 K复合制冷机：https://engine.scichina.com/doi/10.1360/TB-2021-1305 （2）复合制冷循环获取1.36 K的实验验证：https://doi.org/10.1016/j.cryogenics.2022.103452 （3）工作于1 K温区的复合制冷循环理论：https://doi.org/10.1016/j.cryogenics.2021.103282 （4）复合制冷循环获取1.52 K的实验结果：https://doi.org/10.1109/TASC.2021.3060357 （5）3.3 K四级高频脉冲管循环理论研究：https://doi.org/10.1016/j.cryogenics.2019.103014 （6）3.3 K四级高频脉冲管循环实验验证：https://doi.org/10.1016/j.cryogenics.2019.103015 （7）三级高频脉冲管循环理论与实验：https://doi.org/10.1016/j.cryogenics.2018.05.005

氨是大气中最主要的碱性气体，在二次气溶胶颗粒物生成中扮演着重要角色，是引发重霾污染和过量氮沉降的重要活性氮，在农业生产中，氨挥发也是农田氮养分损失的主要途径。因氨具有强表面吸附力和水溶性等特性，大气氨浓度和地气氨交换通量的原位准确测量一直是学界的一大挑战，目前国际上主流的测量仪器大多采用闭路吸入式的构造，采样管路的吸附效应一直制约着大气氨浓度的快速高频高精度测量。与此同时，闭路仪器和搭配使用的外置抽气泵均要求交流供电，这意味着目前绝大多数的大气氨通量观测只能在少数电力条件允许的环境下开展。中科院大气物理研究所王凯和郑循华所在的碳氮循环团队和宁波海尔欣光电科技有限公司深入合作，研发了一款便携式、高精度、快响应的开路多通池激光氨分析仪（图1）。这款仪器基于可调谐激光吸收光谱（TDLAS）技术，采用了分布反馈式量子级联激光（DFB-QCL）的光源，其开放式的光路结构，解决了传统闭路仪器管路吸附引起的测量误差，光机电软各个部分高度集成，可完全由太阳能驱动运行，适合野外条件使用。研究团队基于实验室和野外观测试验，对这款仪器的稳定性、测量精度、准确度等指标进行评价，并以它为核心部件，集成开发了一套基于大气湍流方法（涡动相关法）的氨通量观测系统（图2），这是目前测量地气氨交换通量的理想方法。图1 HT8700型开路氨分析仪及其结构图图2 大气氨通量涡动相关法观测系统野外测试结果显示，这款开路氨分析仪可在-15至40度的环境温度下稳定运行，10 Hz采样频率的测量精度（1σ）达0.302 nmol mol-1（即ppbv），半小时氨通量检测限为7.1 ± 1.1 μg N m-2 h-1。凭借这一灵敏度，该通量观测系统能准确有效地测量农田、养殖场等强排放源的氨排放通量，也可有效测量大多数区域的大气氨沉降速率。这款国产仪器的问世，为大气氨浓度和地表与大气间的氨交换通量测量提供了一种先进工具，也将助力国内大气环境学、生态学、农学等领域的氮循环研究。图3 亚热带稻田施肥期间观测的大气氨浓度和地面氨排放通量上述研究工作由国家自然科学基金委面上项目（41975169）和中国科学院从0到1原始创新项目（DBS-LY-DQC007）资助，相关成果发表于国际学术期刊Agricultural and Forest Meteorology。　文章引用：Wang K.*, Kang P., Lu Y., Zheng X.H., Liu M.M., Lin T.J., Butterbach-Bahl K., Wang Y.*, 2021. An open-path ammonia analyzer for eddy covariance flux measurement. Agricultural and Forest Meteorology 308–309: 108570.文章链接：https://doi.org/10.1016/j.agrformet.2021.108570原文转自中国科学院大气物理研究所

p 　　氮是维持生命活动最重要的营养元素之一。氮气是氮元素的丰富来源，但由于性质惰性，不能为生物直接利用。氮的生物地球化学循环是将氮转化成生物可利用形式的关键过程。固氮微生物，包括固氮细菌和固氮古菌，可将惰性的氮气转化成生物可利用的氨态氮或硝态氮。据估计，生物可利用氮的半数由生物固氮过程提供。然而，微生物种类和功能丰富多样，超过99%的环境菌目前无法实现纯培养，因而对环境中固氮菌功能和活性的认识仍非常不足。环境微生物的不可纯培养性，带来了方法学上的挑战。从单细胞水平上研究环境微生物可克服纯培养或富集培养的限制，实现在环境介质下的原位研究。拉曼光谱（包括SERS、常规和共振拉曼）可在单细胞水平上对微生物进行无损检测，并提供微生物组成的指纹图谱。拉曼光谱与稳定同位素标记结合（Stable isotope probing, SIP），利用微生物同化SIP标记底物引起蛋白、脂类、色素的特征拉曼谱峰偏移，已实现从单细胞水平上检测环境功能菌。 /p p 　　中国科学院城市环境研究所城市土壤与生物地球化学研究组（朱永官团队），在发展单细胞拉曼-15N2SIP技术用于固氮功能菌的研究上做了开拓性工作。针对土壤中的固氮菌，首次建立单细胞共振拉曼与15N2标记联用技术，发掘出15N2相关的指示固氮菌的特征偏移谱峰，即细胞色素c共振拉曼峰的偏移。利用此指示峰，实现在单细胞水平上检测复杂土壤环境中的固氮菌，并利用指示峰的偏移程度，在单细胞水平上，比较了土壤固氮菌的固氮活性。此外，研究组与牛津大学教授Wei Huang合作，针对包括固氮菌在内的多种氮循环（N2、NH4、NO3）功能菌，率先发展表面增强拉曼光谱（SERS）-15N SIP联用技术，利用SERS对微生物中含氮生物分子腺嘌呤的选择性增强，获得不同15N标记氮源引起的细菌腺嘌呤谱峰的显著线性偏移，并利用SERS-15N SIP研究厦门杏林湾水体中细菌对15N2、15NH4Cl、15NO3不同氮源的选择性代谢。上述工作促进了对大量未知环境菌群的深入认识，尤其是氮循环功能菌及其活性的深入解析。 /p p 　　相关研究成果分别以Functional Single-Cell Approach to Probing Nitrogen-Fixing Bacteria in Soil Communities by Resonance Raman Spectroscopy with15N2Labeling为题，发表在Anal. Chem.上；以Surface-enhanced Raman spectroscopy combined with stable isotope probing to monitor nitrogen assimilation at both bulk and single-cell level为题，发表在Anal. Chem.上。研究工作得到了国家重点研发计划和国家自然科学基金等的资助。 /p p style=" text-align: center " img src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201808/insimg/95e9fe92-ccc2-4ded-8e88-bac97919cf0d.jpg" title=" W020180807542181390530.jpg" / /p p style=" text-align: center " 城市环境所在发展单细胞拉曼光谱揭示氮循环功能菌研究中取得进展 /p