大气分子精密光谱

从谱学大数据到痕量探测


地球与行星大气分子的光谱研究，是理解大气吸收、大气化学过程以及天文观测的重要基础。基于激光的高灵敏光谱探测技术，凭借其非接触、高精度和高灵敏度等优势，已成为痕量气体分析与环境监测等应用领域的核心手段。随着激光技术的快速发展，光学检测方法正日益成为相关领域的主流技术。

本实验室长期致力于发展基于激光的高灵敏光谱技术，获取海量光谱大数据，开展原子与分子结构及动力学方面的基础研究，并推动其在气候、天文、燃烧等领域的实际应用。目前主要研究方向包括：

图1. 精密分子光谱的应用

    高灵敏激光光谱探测技术

    采用光学腔增强与精密激光锁频技术，实现kHz乃至更高精度的分子光谱测量。所获得的高精度光谱数据可为理论模型提供关键的实验基准（Benchmark），甚至用于基本物理常数的精确测定。通过分析分子吸收谱线的位置、强度和线宽等信息，我们能够解析分子的振动态能级参数，验证高阶量子效应，识别分子内部能级扰动，并研究分子与环境的相互作用（如吸收截面等）。

    图2. 分子吸收谱线示意图

    图3. 第二代温室气体分析仪

    光腔衰荡光谱（CRDS）技术在痕量气体检测中的应用

    利用CRDS技术高灵敏度与高精度的特点，我们开展了对大气分子（如H2O、CO2、NOx等）及气溶胶的快速、实时现场监测研究。近年来，该技术在气象与环境监测领域发展迅速。基于这一方法，我们成功研制了可用于大气本底温室气体含量长期稳定监测的科学仪器，旨在打破对国外同类型产品的依赖，推动我国自主科研仪器装备的研发与应用。

    腔增强气相拉曼光谱（CERS）技术在复杂组分中的检测应用

    CERS方法能够在mW级低功率激光泵浦下实现腔内千瓦量级的拉曼信号增强，显著提升了探测灵敏度。该方法结合拉曼信号的偏振解析能力，实现了对多组分气体的快速与痕量检测，其灵敏度达到亚ppm量级，尤其在大气本底氢分子探测方面，检出限可低至20ppb。这一技术展现出在自然科学、医学诊断和工业气体监测等领域的广阔应用前景。基于此，我们正在开发可用于呼吸气快速检测的科学仪器，以及适用于大气本底条件下痕量组分探测的高性能装备，旨在推动该技术在前沿科研与实用检测中的深度融合与创新应用。

    分子光谱数据库建设

    无论是红外吸收光谱还是拉曼光谱，都是从不同维度解析分子振动特性的关键技术。红外光谱基于分子对光的吸收，敏感于振动中偶极矩的变化，擅长探测极性键与不对称振动；拉曼光谱则基于光的非弹性散射，对分子极化率变化敏感，更适用于对称结构和非极性键的振动分析。二者在原理上严格互补：红外捕捉不对称振动，拉曼揭示对称模式。尤其对于具有对称中心的分子，其红外与拉曼活性彼此互斥，谱图几乎无重叠，共同构成振动光谱的“正交双视角”。

    本实验室以腔增强技术为核心，同步发展高灵敏红外吸收与腔增强拉曼光谱（CERS），致力于构建面向人工智能时代的分子光谱智能数据库。我们不仅追求光谱的极致精度与多维融合，更明确以服务AI驱动的研究范式为使命。通过系统生成覆盖多模态、高分辨、强标注的光谱基准数据，我们为AI化学家模型提供坚实可靠的训练基础和验证标准。

    这些数据将直接赋能AI进行分子指纹识别、动态反应追踪、未知物智能判定与逆向分子设计，大幅提升模型在复杂环境下的泛化与推理能力，推动光谱学从“人工解析”迈向“智能认知”。我们致力于将实验室打造成AI与光谱融合创新的基础平台，通过高质量数据推动下一代化学智能模型的发展，为环境监测、天体化学、自动化合成等领域提供开放、可靠的光谱智能底座。

    大气14CO2激光痕量探测

    14C是宇宙射线产生的碳同位素（半衰期5730年），因其规律衰变特性被广泛用于地质年代测定。近年来，14C更成为区分碳排放来源的关键示踪剂：化石燃料因埋藏时间极长，其燃烧释放的CO2中已无14C；而生物源CO2（如呼吸、生物降解）仍含自然水平的14C。因此，通过测定大气CO2中14C的含量，即可精确量化化石燃料碳排放的贡献。

    图4. 二氧化碳放射性同位素14CO2概述


    目前，14C测量主要依赖加速器质谱仪（AMS）。该技术虽精度高，但依赖大型加速器装置，设备昂贵、维护成本高，且需复杂的样品前处理（如将CO2转化为石墨），测量周期长。国内AMS设备几乎全部进口，成本与时效性成为瓶颈。中国科学技术大学“激光痕量探测与精密测量”实验室致力于发展大气14CO2高灵敏检测技术，成功研发了一种新型双波长光谱测量方法。我们发展的双波长技术原理直观：传统单波长方法易受其他分子干扰，而该技术采用两束光协同作用，一束锁定目标分子，另一束探测吸收，目标分子需吸收双光子才产生信号，显著提高了选择性。结合泵浦光开关实时扣除背景，可实现零干扰探测，大幅提升了灵敏度和抗干扰能力。该技术具备更高灵敏度与准确性，设备更易维护，可支持多场景实时监测，为大气中14C同位素的实时高精度探测提供了全新解决方案。除大气监测外，该技术在地质、水文等领域也具有广阔的百亿级市场应用前景。