CRDS技術(shù)革新：高精度溫室氣體分析儀的核心原理與優(yōu)勢(shì)

CRDS 技術(shù)的核心原理

光腔衰蕩光譜技術(shù)是一種基于光腔中循環(huán)光的吸收率的高靈敏度的吸收光譜檢測(cè)技術(shù)。其核心部件為光學(xué)諧振腔，由兩片具有超高反射率（≥99.99%）的腔鏡構(gòu)成。當(dāng)特定波長(zhǎng)的激光進(jìn)入光腔后，會(huì)在腔鏡間反復(fù)反射，形成超長(zhǎng)光程，極大地增強(qiáng)了光與腔內(nèi)氣體分子的相互作用。

具體工作過(guò)程如下：首先，激光光源發(fā)射出的激光進(jìn)入光腔，當(dāng)激光頻率與光腔的諧振頻率匹配時(shí)，腔內(nèi)光強(qiáng)會(huì)迅速增強(qiáng)。隨后，激光被快速切斷，此時(shí)腔內(nèi)光強(qiáng)開(kāi)始呈指數(shù)衰減。通過(guò)探測(cè)器測(cè)量光強(qiáng)衰減為初始強(qiáng)度的1/e 所需的時(shí)間，即衰蕩時(shí)間，來(lái)推算腔內(nèi)氣體的吸收情況。根據(jù)比爾 - 朗伯定律，衰蕩時(shí)間與腔內(nèi)氣體的吸收系數(shù)相關(guān)，進(jìn)而可得出氣體濃度。與其他直接吸收光譜法不同，CRDS 技術(shù)測(cè)量的是光在衰蕩腔中的衰蕩時(shí)間，該時(shí)間僅與衰蕩腔反射鏡的反射率和衰蕩腔內(nèi)介質(zhì)的吸收有關(guān)，而與入射光強(qiáng)的大小無(wú)關(guān)。

與傳統(tǒng)檢測(cè)技術(shù)的對(duì)比

氣相色譜（GC）技術(shù)

氣相色譜技術(shù)是一種經(jīng)典的分離分析技術(shù)，通過(guò)將混合氣體在流動(dòng)相（載氣）和固定相之間進(jìn)行多次分配，實(shí)現(xiàn)各組分的分離，然后再進(jìn)行檢測(cè)。雖然氣相色譜在復(fù)雜樣品的分離方面表現(xiàn)出色，但在溫室氣體檢測(cè)中存在一些局限性。例如，氣相色譜的分析周期較長(zhǎng)，難以滿足對(duì)溫室氣體實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的需求。此外，其檢測(cè)精度在低濃度范圍內(nèi)相對(duì)有限，對(duì)于ppb 級(jí)別的溫室氣體濃度檢測(cè)，往往需要復(fù)雜的前處理和高靈敏度的檢測(cè)器，增加了設(shè)備成本和操作難度。

傅里葉變換紅外光譜（FTIR）技術(shù)

傅里葉變換紅外光譜技術(shù)利用物質(zhì)對(duì)紅外光的吸收特性來(lái)進(jìn)行分析。它通過(guò)測(cè)量干涉圖并進(jìn)行傅里葉變換，得到樣品的紅外吸收光譜，從而確定物質(zhì)的成分和含量。FTIR 技術(shù)具有分析速度較快、可同時(shí)檢測(cè)多種氣體等優(yōu)點(diǎn)，但在檢測(cè)精度上，尤其是對(duì)于低濃度溫室氣體的檢測(cè)，與 CRDS 技術(shù)存在差距。傳統(tǒng)傅里葉紅外光譜儀的精度通常在 ppm 級(jí)別，難以滿足對(duì)溫室氣體 ppb 級(jí)精度檢測(cè)的要求。而且，F(xiàn)TIR 技術(shù)易受環(huán)境因素如溫度、濕度變化的影響，導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性下降。

CRDS 技術(shù)在溫室氣體檢測(cè)中的優(yōu)勢(shì)

ppb 級(jí)精度

CRDS 技術(shù)憑借其超長(zhǎng)的等效光程（可達(dá)數(shù)公里甚至更高），極大地增強(qiáng)了光與氣體分子的相互作用，使得即使是痕量的溫室氣體也能產(chǎn)生可檢測(cè)的吸收信號(hào)。這使得 CRDS 技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn) ppb 級(jí)甚至更低濃度的高精度檢測(cè)，可精準(zhǔn)捕捉大氣 / 過(guò)程氣體中 CO?、CH?、H?O 等關(guān)鍵溫室氣體的極低濃度變化，為氣候變化研究和碳排放監(jiān)測(cè)提供了極為可靠的數(shù)據(jù)支撐。例如，在一些高精度的大氣監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)中，CRDS 技術(shù)能夠清晰地分辨出大氣中溫室氣體濃度的微小波動(dòng)，為深入了解溫室氣體的源匯機(jī)制提供了有力的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

快速響應(yīng)速度

由于 CRDS 技術(shù)直接測(cè)量光的衰蕩時(shí)間，無(wú)需復(fù)雜的分離過(guò)程或信號(hào)處理步驟，因此具有極快的響應(yīng)速度。在實(shí)際應(yīng)用中，能夠?qū)崟r(shí)、快速地反映溫室氣體濃度的變化，適用于對(duì)動(dòng)態(tài)變化過(guò)程的監(jiān)測(cè)，如工業(yè)廢氣排放過(guò)程中的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、大氣邊界層中溫室氣體濃度的快速變化監(jiān)測(cè)等。相比之下，氣相色譜等傳統(tǒng)技術(shù)由于需要進(jìn)行樣品分離等操作，分析周期較長(zhǎng)，無(wú)法及時(shí)捕捉到溫室氣體濃度的瞬間變化。

抗干擾性強(qiáng)

由于 CRDS 技術(shù)的測(cè)量結(jié)果不受入射光強(qiáng)波動(dòng)的影響，僅取決于衰蕩時(shí)間，因此在復(fù)雜環(huán)境中具有很強(qiáng)的抗干擾能力。無(wú)論是在高溫、高濕等惡劣環(huán)境條件下，還是在存在其他干擾氣體的情況下，CRDS 技術(shù)都能穩(wěn)定地工作，確保測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。例如，在工業(yè)廠區(qū)等復(fù)雜環(huán)境中，存在大量的干擾氣體和環(huán)境因素的波動(dòng)，傳統(tǒng)的檢測(cè)技術(shù)可能會(huì)受到嚴(yán)重影響，而 CRDS 技術(shù)則能夠有效排除干擾，準(zhǔn)確測(cè)量溫室氣體的濃度。

光腔衰蕩光譜（CRDS）技術(shù)以核心原理，在與傳統(tǒng)檢測(cè)技術(shù)的對(duì)比中，展現(xiàn)出在 ppb 級(jí)精度、響應(yīng)速度和抗干擾性等方面的顯著優(yōu)勢(shì)。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，CRDS 技術(shù)有望在溫室氣體監(jiān)測(cè)領(lǐng)域發(fā)揮更為重要的作用，為全球氣候變化研究和碳減排行動(dòng)提供強(qiáng)有力的技術(shù)支持，助力人類更好地應(yīng)對(duì)氣候變化挑戰(zhàn)。