频光谱

仪器信息网讯 2012年12月13日，由仪器信息网主办的“光谱网络研讨会(iCS2012)落下帷幕，共吸引了来自大专院校、科研院所、质检机构、分析测试中心、仪器企业等近1500余名专业用户报名参加。 　　本次会议得到了北京光谱学会、中国仪器仪表学会分析仪器分会、中国仪器仪表学会分析仪器分会近红外光谱专业委员会、清华大学分析中心等单位的大力支持，还专门邀请光谱行业内多名专家组成了学术委员会。本次iCS得到了耶拿、HORIBA、聚光科技、海光仪器、珀金埃尔默、岛津、帕纳科、赛默飞世尔科技八家厂商的赞助。 　　会议历时3天(2012年12月11-13日)，开设了原子光谱仪器与应用最新进展、分子光谱仪器与应用最新进展、形态分析、食品/环境中重金属检测、近红外光谱在食品品质检测中的最新进展等5个主题专场，共邀请了20多位著名光谱专家做精彩报告，从光谱技术及应用等多个角度介绍了目前国内外的热点问题，得到了仪器信息网广大用户的积极参与和一致认可。 　　应广大用户要求，主办方现将视频上传到“网络讲堂”栏目中，欢迎相关光谱用户查看。 　　具体视频列表如下： 主题1：原子光谱仪器与应用最新进展 　　视频1：ICP-AES仪器进展与应用动态 　　主讲人：郑国经(北京光谱学会) 　　视频2：连续光源原子吸收光谱技术及其应用 　　主讲人：杨佳霖(德国耶拿分析仪器股份公司) 　　视频3：原子吸收光谱仪器的新进展 　　主讲人：杨啸涛(国家地质实验测试中心) 　　视频4：30多年来AFS仪器与应用发展动态综述 　　主讲人：张锦茂/梁敬(北京瑞利分析仪器有限公司) 　　视频5：X射线荧光光谱分析技术进展 　　主讲人：符斌(北京矿冶研究总院测试所/钢铁研究总院中实国金) 　　视频6：原子光谱分析新技术及应用简介 　　主讲人：冯先进(北京矿冶研究总院) 　　视频7：XRF应用的发展——无标样定量分析软件新概念 　　主讲人：肖又红(荷兰帕纳科公司) 主题2：原子光谱形态分析 　　视频1：中国元素形态分析计量研究进展　　主讲人：韦超(中国计量科学研究院) 　　视频2：多种仪器联用技术概述和应用实例 　　主讲人：姚继军(珀金埃尔默) 　　视频3：元素形态分析技术应用 　　主讲人：刘丽萍(北京疾病预防控制中心) 主题3：食品/环境中重金属检测 　　视频1：食品安全与重金属检测 　　主讲人：舒永红(中国广州分析测试中心) 　　视频2：岛津原子光谱产品在食品安全和环境行业的应用 　　主讲人：陈艳凤(岛津) 　　视频3：奶粉中Pb检测的问题及解决办法 　　主讲人：杜克贺(北京汇智泰康医药技术有限公司) 　　视频4：饮用水中重金属检测 　　主讲人：柳华春(广东省微生物分析检测中心) 主题4：分子光谱仪器与应用最新进展 　　视频1：显微拉曼光谱仪超低波数拉曼信号的测量技术 　　主讲人：谭平恒(中国科学院半导体研究所) 　　视频2：HORIBA最新分子光谱技术(高光谱/荧光/拉曼) 　　主讲人：熊洪武(HORIBA) 　　视频3：快速便携检测技术进展 　　主讲人：袁洪福(北京化工大学) 　　视频4：傅立叶变换红外光谱仪最新技术 　　主讲人：吴秋波(赛默飞世尔) 主题5：近红外光谱在食品品质检测中的最新进展 　　视频1：近红外光谱在食品品质检测中的最新进展 　　主讲人：韩东海(中国农业大学) 　　视频2：近红外光谱在制糖工业过程控制中的应用 　　主讲人：卢家炯(广西大学教授) 　　视频3：近红外光谱分析技术在粮油领域应用进展 　　主讲人：杨伟伟(聚光科技) 　　视频4：近红外光谱在蜂蜜质量检测中的应用 　　主讲人：陈兰珍(中国农业科学院蜜蜂研究所) 编辑：刘丰秋

氨气是形成二次气溶胶的重要前体物，也是城市大气环境治理的关键物种。中国科学院大气物理研究所组织实施的全国大气氨观测研究网络（AMoN-China）通过被动离线采样发现，城市已成为大气氨排放热点区域。然而，被动采样周期较长（周-月），难以捕捉大气氨浓度在日尺度上的快速变化。同时，以往研究常观察到大气氨浓度在早上5:00-12:00快速增加，这一早高峰现象是否具有普遍性亟待更多高频观测站点资料的验证。鉴于此，中国科学院大气物理研究所研究员潘月鹏课题组与华东师范大学教授吴电明团队合作，基于高频光腔衰荡光谱技术在北京和上海两个超大城市开展了大气氨浓度同步观测实验（测量频率1Hz，精度0.03ppb，图1）。这两个城市位于华北平原氨排放热点区域的南北边缘，是研究区域传输和局地排放对大气氨浓度叠加影响的理想站点。图1. 基于光腔衰荡光谱法测量北京和上海的大气氨浓度2020年5月观测结果发现，北京大气氨平均浓度（23.1±10.3 ppb）接近上海（12.0±5.0 ppb）的两倍，与卫星观测的氨气柱浓度和自下而上统计的氨气排放量的空间分布一致。研究还发现两个城市同时存在氨气早高峰现象，其发生频率大于50%，机动车排放是导致氨气浓度早高峰形成的主要原因。早晨边界层打破后，随着对流发展，富含氨气的残留层向下传输也对早高峰有一定贡献。上述结果促进了我们对城市大气氨浓度动态变化特征及背后驱动因素的科学认识，其高频观测数据可用于提升大气化学传输模型的模拟精度，有助于评估大气氨污染的生态环境效应并为氨减排策略的制定提供参考。该研究成果发表于Atmospheric Environment (JCR一区，IF=5.755)。中国科学院大气物理研究所2019级硕博连读生孙倩为该论文第一作者，潘月鹏研究员和华东师范大学吴电明教授为共同通讯作者。该研究受到北京市自然科学基金(8232050)，国家自然科学基金(42077204)和大气边界层物理和大气化学国家重点实验室开放基金(LAPC-KF-2022-09)的共同资助。

华东师大曾和平教授与黄坤研究员课题组在中红外高速光谱探测方面取得重要进展，发展了宽波段、超灵敏、高帧频的中红外上转换光谱测量技术，其具有逼近量子极限的单光子探测灵敏度和近百万帧每秒的光谱刷新率，可为燃烧场分析、高通量分选和化学反应跟踪等应用所需的高速灵敏红外光谱测量提供支撑。相关成果以《High-Speed Mid-Infrared Single-Photon Upconversion Spectrometer》为题于2023年5月9日在 Laser & Photonics Reviews 在线发表。中红外波段包含众多分子振转能级跃迁的特征谱线，是分子的“指纹”光谱区。高灵敏、高速率的中红外光谱技术在天文观测、药物合成和环境监测等诸多应用中具有重要应用。然而，传统中红外光谱仪的性能往往受到探测器灵敏度及宽带光源亮度的限制。长期以来，实现高信噪比的中红外高速光谱测量，一直都是红外光谱领域的研究热点。近年来，频率上转换技术为红外灵敏探测提供了一种有效方案。该技术通过非线性过程将中红外波段转换到可见光或近红外波段，进而利用高性能硅基探测器实现信号的灵敏捕获。当前，实现宽带光谱范围内的高转换效率与低背景噪声仍颇具挑战。迄今，单光子水平的超灵敏中红外光谱测量仍局限在较窄的光谱范围内，单次测量谱带一般仅为数十纳米。此外，基于热辐射或参量荧光作为照明源的上转换光谱仪，其较低的光谱亮度使得光谱探测速率受限。因此，实现宽波段、超灵敏、高帧频的中红外上转换光谱探测仍具挑战，亟需发展高亮度中红外光源、高效率频率转换和低噪声光子探测等关键技术。图2：宽波段中红外单光子上转换光谱仪示意图为此，研究团队构建了具有单光子探测灵敏度和亚兆赫兹刷新率的宽带中红外上转换光谱仪（图2）。在中红外光源制备方面，利用氮化硅（Si3N4）光子波导制备出覆盖1.5-4.2 μm的宽光谱中红外超连续谱光源，相对传统热辐射光源具有更好方向性、更优光束质量以及更高光谱亮度，且通过波导结构色散调控与泵浦光场时频控制，可以实现光谱覆盖范围以及光谱平坦度等参数的定制与优化（图3）。此外，相对于基于固态光学参量振荡器的中红外制备方式，基于光学波导集成的超连续谱源可以直接兼容光纤激光，为发展高集成、高稳定的中红外宽带相干光源获取提供了有效途径，有助于提升后续光谱测量的信噪比与刷新率。图3：基于氮化硅光子波导的中红外超连续谱产生，光谱覆盖范围1.5-4.2 μm在中红外光谱探测方面，研究人员发展了同步脉冲泵浦的非线性频率上转换探测技术，通过制备与红外信号光子时域高精度同步的泵浦脉冲，在啁啾性极化铌酸锂非线性晶体中实现了1700 nm超宽带的中红外高效转换，然后借助高性能可见光/近红外分光与探测器件，实现了高分辨、高灵敏的中红外光谱测量（图4）。为了进一步压制参量荧光噪声与环境背景噪声，研究人员结合高效空间滤波与光谱滤波技术，获得了高达210 dB的噪声抑制比，利用硅基EMCCD最终获得了0.2光子/纳米/脉冲的超灵敏度中红外光谱，光谱分辨率为5 cm−1。进一步地，得益于高亮度的宽带中红外源、高效率的频率转换以及高抑制比的噪声滤波性能，研究者利用高性能硅基CMOS相机实现了高达212,500帧的光谱采集速率，比此前相关报道在相同信噪比下提高了至少一个数量级。图4：宽波段中红外上转换光谱，探测灵敏度达0.2光子/纳米/脉冲值得一提的是，所发展的中红外光谱仪利用硅基探测阵列，能够在室温条件下工作，有助于其在实际应用中的稳定运行。在未来工作中，可将直波导换成双芯氮化硅波导，从而产生更加平坦的中红外超连续谱；通过优化频率转换泵浦脉冲的光谱宽度，利用啁啾脉冲非线性上转换技术，可以进一步提升系统的光谱分辨率；同时，将面阵列COMS相机换成线阵列，有望将光谱采集速率提高到MHz以上。该光谱仪具备的宽带光谱覆盖、单光子灵敏度和　兆赫兹刷新率等性能可为燃烧场分析、高通量分选和反应跟踪等领域的红外瞬态光谱测量提供有力支撑。本项成果得到了上海大学郭海润教授团队的支持，论文第一作者为博士研究生郑婷婷，通讯作者为黄坤研究员与郭海润教授。近年来，曾和平教授与黄坤研究员课题组在红外光子非线性测控方面开展了系列创新研究，先后发展了中红外单光子上转换成像技术、中红外非线性广角成像技术、中红外单光子单像素成像等。相关工作得到了科技部、基金委、上海市科委、重庆市科技局与华东师大的资助。