深海装备拉曼光谱仪创造最高深海探测纪录

2017-04-13 13:42 测控要闻   

导读我国深海装备创造拉曼光谱最高深海探测纪录,该仪器的成功研发将提升我国在深海矿藏、能源资源(天然气水合物)、碳循环与气候变化以及深海生物信息方面的探测能力。  

我国深海装备创造拉曼光谱最高深海探测纪录,该仪器的成功研发将提升我国在深海矿藏、能源资源(天然气水合物)、碳循环与气候变化以及深海生物信息方面的探测能力。

4月12日,中国科学院大连化学物理研究所告知,2017年3月下旬,中国科学院深渊科考队赴马里亚纳海沟海域执行中科院战略性B类先导专项“海斗深渊前沿科技问题研究与攻关”和国家重点研发计划“深海关键技术与装备”重点专项等科技任务,使用原位实验号、万泉号、天涯号深渊着陆器对我国自主研发的一系列深海装备进行了成功的试验和实际应用,其中包括我国首次获得成功的7千米级紫外激光拉曼光谱仪。该光谱仪是国际上首次进行深海探测的紫外激光拉曼光谱仪,也创造了拉曼光谱仪最高深海探测纪录(7449米)。

我们的星球超过一半的区域被2000米以上的深海海水所覆盖。深海海底不但蕴藏着丰富的石油、天然气、天然气水合物、金属结核、热液和硫化物等矿产资源,还存在着极端生命现象(深海生物基因资源),这些资源具有重大的经济和战略价值。随着陆地能源的日趋紧张,深海探测与资源开发技术在海洋环境研究和深海资源的开发进程中发挥了不可替代的作用。可以说,谁先掌握了深海调查探测与资源开发的先进技术,谁就掌握了世纪海洋战略发展的主动权。

深海装备拉曼光谱仪创造最高深海探测纪录

拉曼光谱技术是一种可以对海洋资源进行原位探测的分析技术,是一种可以提供分子指纹谱的技术,与红外光谱不同,拉曼光谱可以直接对水溶液中的物质进行直接测量,因此可以对处于海水条件下的物质进行原位、准确的测定:拉曼光谱可以对深海海水水文环境进行分析,例如分析海水中甲烷水合物的形成和分布,深海中生物物种,海洋中二氧化碳等大气溶解情况,各种盐类物质例如硫酸盐等浓度进行分析,也可以通过水的拉曼峰来分析深海海水的大致存在状态。拉曼光谱可以对矿藏,例如锰结核等进行原位分析,也可以对深海中的火山口、海底的岩石成分进行分析,从而对其地质成因,矿藏等进行分析。在采矿作业过程中,可以利用拉曼光谱对样品进行前期的筛选。深海拉曼光谱仪器一直以来是深海资源探测领域的研发重点,国内外许多研究团队都投入了大量的资源。

然而,目前应用于海洋和深海探测拉曼光谱仪大多以长波长激光,其本征拉曼散射较弱。另外,海洋环境中存在的大量的叶绿素II和生物碎片等在可见区存在极强的干扰,这些物质会吸附到一些矿物的表面,其激发的荧光严重干扰拉曼信号的获取,大大限制了拉曼光谱在海洋研究中的应用。

早在1998年,中国科学院大连化学物理研究所李灿研究员带领的团队研制了国内第一台具有自主知识产权的紫外拉曼光谱仪,并成功的将该技术应用于材料研究中,解决了拉曼光谱研究材料中长期存在的荧光干扰难题。利用紫外拉曼光谱仪结合共振拉曼光谱技术,李灿团队在国际上首次鉴定了固体材料中低含量过渡金属活性中心(<1%);利用原位紫外拉曼光谱技术在国际上首次实现了模拟海底水热条件下分子筛材料合成过程的原位紫外拉曼光谱研究,检测到了水热条件下对分子筛材料形成起到关键作用的中间物种。这些工作先后获得国家技术发明二等奖和国家自然科学二等奖,并在国际上引起了广泛的关注,同时也表明,紫外拉曼光谱可以大大提高拉曼信号的检测灵敏度,避开荧光的干扰,并且在高温高压水相体系的研究中显示出了巨大的优势。在此基础上,将紫外拉曼光谱技术引入到深海海底进行探测,是目前世界上尚未见报道的尝试,因此不仅在科学意义上,更是在高端仪器研制方面是一种创举。

然而,激发光越到紫外区对于光栅分光要求越高,所需的光谱仪尺寸就越大。而深海探测要求所带仪器越小越好,如何将紫外拉曼光谱仪的分光系统缩小到一个笔记本大小是研发团队首先面临的问题。另外,深海条件下,光谱仪面临高压(约700个大气压)和频繁着陆冲击等极端条件,对光谱仪的性能提出了苛刻的要求。李灿院士团队的范峰滔研究员、黄保坤高工等通过科学设计,反复验证,采用折叠反射镜、光纤软连接以及同轴反射镜等一系列技术,历经三年的攻关,研发成功满足深海极端条件应用的紫外拉曼光谱仪器,并与三亚深海所工程人员完成了光谱仪应用的工程化。此次的海试验证成功,表明我国从此可以对全世界99%以上海域进行分子光谱探测,为我国深海矿藏和能源资源的开发、海洋科学研究提供利器,将为实施我国海洋强国战略做出贡献。

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