非相干宽带腔增强吸收光谱技术对大气乙二醛的高灵敏度快速定量方法研究

Glyoxal is one of the most important volatile organic compounds in the atmosphere， and glyoxal is the tracer of the photochemical oxidation process of VOCs, which can effectively reflect the emission level and reactivity of atmospheric VOCs. However, the high quality data of glyoxal in China is relatively scarce, due to the very low concentration of glyoxal, the general measurement technology is difficult to accurately and fast detect glyoxal. For the high sensitivity, high precision and high time resolution measurement of atmospheric glyoxal, this project will study the fast quantitative measurements of glyoxal by using open-path incoherent broadband cavity enhanced absorption spectroscopy, establish an optical resonant cavity of which optical path length can be up to tens of kilometers, study the efficient coupling of the optical resonator and the precise temperature control of the system, and catch the glyoxal absorption spectrum signal with high signal-to-noise ratio and high stability. We will also study the on-line measurement method of mirrors’ reflectance and the sampling loss and calibrate the measurement results accurately. On this basis, the comparison and evaluation with DOAS technology will be carried out, and the system will be optimized to achieve the high sensitivity on line measurements of glyoxal. The project will not only provide new technical means for rapid quantitative quantification of atmospheric glyoxal, but also help to promote the further development of cavity enhanced absorption spectroscopy in China and reduce our dependence on foreign measurement technology, moreover, provide technical support to the study of atmospheric photochemical process and fog Haze formation mechanism.

乙二醛不仅是一种重要的挥发性有机物（VOCs），也是VOCs光化学氧化过程的示踪物，能有效的反应大气VOCs的排放水平和反应活性，而我国乙二醛的数据相对匮乏，原因是乙二醛浓度非常低，一般测量技术很难快速准确探测。针对乙二醛高灵敏度探测要求，本项目拟采用非相干宽带腔增强吸收光谱技术，研究有效光程达数十公里的光学增强腔的高效耦合以及各元件温度变化对光谱拟合的影响，获取高信噪比、高稳定性的乙二醛吸收光谱信号，并开展镜片反射率在线测量方法以及乙二醛采样损耗等研究，对测量结果进行精准标定与校正，在此基础上，开展与差分吸收光谱技术的对比与评估，并有针对性地进行优化，最终实现乙二醛的高灵敏度快速在线测量。该项目最终不仅为我国大气乙二醛浓度高灵敏度快速定量提供新的技术手段，也有助于推动我国腔增强吸收光谱技术的进一步发展，降低对国外大气测量技术的依赖，为研究我国大气光化学过程及雾霾形成机理研究提供技术支撑。

乙二醛不仅是一种重要的挥发性有机物（VOCs），也是VOCs光化学氧化过程的示踪物，能有效的反应大气VOCs的排放水平和反应活性，而我国乙二醛的数据相对匮乏，主要在于乙二醛浓度低，测量难度大，本项目主要解决了大气乙二醛高灵敏度探测的问题，发展了用于大气乙二醛测量的宽带腔增强吸收光谱技术，为大气乙二醛浓度高灵敏度快速定量提供新的技术手段。项目研究中，针对乙二醛浓度低的特点，研究了有效光程达数十公里的光学增强腔以及各元件温度变化对光谱拟合的影响，能够获取高信噪比、高稳定性的乙二醛吸收光谱信号，并开展镜片反射率在线测量方法以及乙二醛采样损耗标定等研究，重点开展了乙二醛的光谱反演研究，减少了高浓度二氧化氮对乙二醛吸收光谱干扰的问题，最终实现乙二醛的高灵敏度快速在线测量。研制的大气乙二醛腔增强吸收光谱测量系统在时间分辨率为30s时，乙二醛和二氧化氮的探测限（2σ）分别为23pptv和29pptv，优于预期目标。本项目也开展了研制的腔增强吸收光谱系统与其他系统的对比工作，包括与差分吸收光谱（DOAS）系统对比和北京大学研制的同技术类型（BBCEAS）系统对比，测量结果具有优良的一致性，验证了自研系统能够准确测量大气乙二醛和二氧化氮。参与了两次综合外场观测实验，观测期间运行稳定，软硬件可靠，未出现明显故障，数据质量高，显示出较好的时间分辨率，探测灵敏度和稳定性，获取了成都新津地区和合肥地区的大气乙二醛，二氧化氮的准确浓度分布与变化特征，为进一步研究乙二醛的大气分布特征和演变规律及收支关系能够提供有效的数据支持。本项目执行期间，发表SCI/EI论文4篇（其中SCI二区论文2篇），申请发明专利1项，培养博士研究生1名。