基于红外吸收光谱技术的CO<sub>2</sub>同位素测量研究进展

李庚昱; 马若梦; 臧金亮; 马路遥; 林鸿

doi:10.12338/j.issn.2096-9015.2024.0077

基于红外吸收光谱技术的CO₂同位素测量研究进展

doi: 10.12338/j.issn.2096-9015.2024.0077

李庚昱^{1, 2,},
马若梦²,
臧金亮^{1, 2},
马路遥²,
林鸿^{1, 2, ,}

1.
中国计量科学研究院，北京 100029
2.
郑州计量先进技术研究院，郑州 450001

基金项目: 国家重点研发计划-战略性科技创新合作（2023YEE0207200）；中国计量科学研究院重点基本业务费项目（AKYZD2207）。

详细信息

作者简介:
李庚昱（1999-），中国计量科学研究院在读研究生，研究方向：精密分子吸收光谱，邮箱：1341991373@qq.com

通讯作者:
林鸿（1979-），中国计量科学研究院研究员，研究方向：大气反演计算、温室气体和大气污染物精密光谱计算，邮箱：linhong@nim.ac.cn

中图分类号: TB96
计量
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出版历程
- 收稿日期: 2024-03-12
- 录用日期: 2024-03-15
- 修回日期: 2024-03-18
- 网络出版日期: 2024-03-25

Research Progress on CO₂ Isotope Measurement Based on Infrared Absorption Spectroscopy

LI Gengyu^{1, 2
,},
MA Ruomeng²,
ZANG Jinliang^{1, 2},
MA Luyao²,
LIN Hong^{1, 2
, ,}

1.
National Institute of Metrology, Beijing 100029, China
2.
Zhengzhou Institute of Metrology, Zhengzhou 450001, China

摘要

摘要: 全球气候变暖形势加剧，温室气体排放是关键因素之一。二氧化碳作为主要温室气体，对其高精度监测技术是实现温室气体追踪的基础。在此基础上监测二氧化碳同位素组份，不仅可以实现高精度浓度监测，还能够区分不同排放源的碳循环过程贡献，实现人为排放和自然排放的追踪和溯源。发展高精度二氧化碳同位素监测技术对提升碳排放清单准确性，优化碳减排措施等具有重要意义。在自然界中，碳同位素气体浓度通常为大气浓度的10⁻⁶倍，并受测量条件的影响，这导致了碳同位素测量难度加大。综述了红外吸收光谱技术测量二氧化碳稳定同位素浓度的研究进展，分析了高灵敏度稳频光腔衰荡光谱技术的原理及研究进展，并展望了稳定同位素光谱研究的未来方向。光腔衰荡光谱技术作为新兴光学检测技术，克服了传统方法测量精度不足、灵敏度低等缺陷，或成为新一代温室气体及同位素丰度测量标准方法。
- 计量学 /
- 温室气体 /
- 光腔衰荡光谱技术 /
- 二氧化碳 /
- 稳定同位素
Abstract: The global warming situation has intensified, and greenhouse gas emissions are one of the key factors. Carbon dioxide, as the main greenhouse gas (GHG), requires high-precision monitoring technology as the basis for GHG tracking. On this basis, monitoring the carbon dioxide isotope composition not only enables high-precision concentration monitoring but also allows for distinguishing the contributions of different emission sources to the carbon cycle process, achieving the tracking and traceability of anthropogenic and natural emissions. Developing high-precision carbon dioxide isotope monitoring technology is of great significance for improving the accuracy of carbon emission inventories and optimizing carbon emission reduction measures. In nature, carbon isotope gas concentrations are usually on the order of 10⁻⁶ of atmospheric concentrations and are affected by measurement conditions, which leads to increased difficulty in carbon isotope measurements. This paper reviews the research progress of infrared absorption spectroscopy techniques for measuring carbon dioxide stable isotope concentrations, analyzes the principles and research progress of high-sensitivity frequency-stabilized cavity ring-down spectroscopy (FS-CRDS), and provides an outlook on the future direction of stable isotope spectroscopy research. As an emerging optical detection technology, FS-CRDS overcomes the shortcomings of traditional methods, such as insufficient measurement accuracy and low sensitivity, and may become a new generation of standard methods for measuring GHGs and isotope abundance.
- metrology /
- greenhouse gases /
- cavity ring-down spectroscopy /
- carbon dioxide /
- stable isotopes

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图 1 光腔衰荡光谱原理图

Figure 1. Principle diagram of cavity ring-down spectroscopy

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图 2 1.6μm附近CO₂同位素分子红外吸收谱线

Figure 2. Near 1.6μm CO₂ isotope molecular infrared absorption spectrum lines

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表 1 各光谱参数及含义

Table 1. Spectral parameters and their meanings

参数	单位	物理含义
v₀	cm⁻¹	谱线跃迁中心波数
Γ_D	cm⁻¹	由分子热运动引起的多普勒展宽
γ₀=Γ₀/P	cm⁻¹/atm	单位大气压时所有分子速度平均后的碰撞展宽
δ₀=Δ₀/P	cm⁻¹/atm	单位大气压时所有分子速度平均后的碰撞偏移
γ₂=Γ₂/P	cm⁻¹/atm	单位大气压时依赖于分子运动速度的碰撞展宽
δ₂=Δ₂/P	cm⁻¹/atm	单位大气压时依赖于分子运动速度的碰撞偏移
β=v_VC/P	cm⁻¹/atm	单位大气压时分子碰撞导致分子速度分布改变引起的多普勒展宽的减小量
η	--	分子碰撞引起的速度改变与内部状态改变间的耦合参数
ξ=Y_l/P	cm⁻¹/atm	一阶线形混叠效应参数的压力系数
S	cm/molec	谱线强度

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表 2 近年¹⁶O¹³C¹⁶O光谱参数代表性研究

Tab. 2 Recent research on ¹⁶O¹³C¹⁶O spectral parameters
年份	作者	波数/(cm⁻¹)	光谱技术	跃迁带支	主要成果
2004	Ding^[39]	1480~1630	CRDS		相较之前金星大气光谱参数测量精度提高近十倍
2006	Kasyutich^[40]	6228.4362	OA-ICOS	30012←00001 P16e	实现该技术测量结果近千分之一精度
2006	Wahl^[41]	6261.5~6262.4	CRDS		发现波长测量噪声扭曲同位素测量吸收峰导致误差
2008	Wehr^[42]	4978.0226	CEAS	20011←00001 P16e	实现该技术测量结果精度降至千分之一以下
2009	Zare^[43]	6251.3169	CRDS	30012←00001 R12e	证明该技术测量精度已接近质谱技术测量精度
2011	Long^[45]	6270.2491	CRDS	30012←00001 R50e	实现实验拟合线强与实测跃迁线强相差1—4%
2013	李相贤^[33,34]	1800~4000	FTIR		改进FTIR技术并实现同位素丰度测量精度0.57‰
2013	陆燕^[48]	12436.4	CRDS	10051←00001 P16	实现1cm⁻¹扫描范围同时分辨率提高到0.003cm⁻¹
2017	夏滑^[49]	3648.9193	CRDS	10011←00001 R22e	在弱吸收谱线区域测得大气二氧化碳同位素丰度
2018	Kiseleva^[47]	6114.8580	CRDS	30014←00001 P6e	证明弹性碰撞不会导致单根谱线发生Dicke窄化
2018	韩荦^[51]	2310.3472	OA-ICOS	00011←00001 R40e	实现该技术测量二氧化碳跃迁精度0.17‰
2020	张熙^[50]	6252.6235	CRDS	30012←00001	实现仪器等噪吸收系数达4×10⁻¹²cm⁻¹Hz^−1/2
2023	张志荣^[52]	3641.0311	OA-ICOS	10011←00001 R10e	实现了大气¹³CO₂气体测量精度0.3‰

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