基于DOCARS和LCOF-Raman的酸根离子探测和沉积物孔隙水的光谱分析

发布时间：2017-12-26 08:30

  本文关键词：基于DOCARS和LCOF-Raman的酸根离子探测和沉积物孔隙水的光谱分析　出处：《中国海洋大学》2015年博士论文　论文类型：学位论文

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【摘要】：拉曼光谱是一种分子振动光谱,反映了分子振动、转动能级,它具备实时、连续、非接触探测并可多组分同时探测的优点,基于激光拉曼光谱技术的水下原位传感器在水下物质探测分析领域占据越来越重要的地位。海底沉积物是海洋水层到大洋岩石层的过渡层,汇聚了陆地以及海水中的沉降物质,对海底生物地球化学分析具有极为重要的科学价值。一般而言,对沉积物孔隙水的地球化学分析往往通过分析可以作为标识物的孔隙水中的各种成分来实现,而取样分析得到的结果往往是不准确的,基于激光拉曼光谱技术的探测系统已成功应用到海底沉积物孔隙水的原位探测分析。然而无论是水下拉曼光谱探测系统的实用化还是孔隙水中物质成分的识别分析,均有诸多问题需要解决。本论文针对这一问题,开展了DOCARS系统定标,拉曼信号增强方法研究以及孔隙水中物质成分的光谱分析三方面的研究工作,为水下拉曼光谱系统的实用化以及孔隙水中物质成分的地球化学分析提供了技术基础和重要参考,主要完成的工作如下。为了评估激光拉曼光谱技术在深海环境下对酸根离子的定量探测能力,首先在实验室内配置了海水中几种常见酸根离子(硫酸根、硝酸根、碳酸氢根)的标准溶液并通过实验室研发的深海自容式激光拉曼光谱探测系统(Deep Ocean Compact Autonomous Raman Spectrometer, DOCARS)获取了标准溶液的拉曼光谱,以此建立DOCARS系统对酸根离子的定标曲线以及线性拟合方程。根据得到的拟合方程,对DOCARS系统海试时获得的光谱数据进行了分析,并将反演结果作为DOCARS系统深海环境下定量探测酸根离子能力的评估标准。结果表明,酸根离子的拉曼信号强度与其浓度成线性关系,线性拟合系数分别高达0.99,0.99,0.98。由DOCARS系统探测到的硫酸根离子的浓度为30.5 mmol/L(海水中的实际浓度约为28.2mmol/L),探测准确度可达8%,并且酸根离子浓度的变化过程与实际的浓度变化过程是一致的。较低的探测灵敏度是限制水下拉曼光谱实用化的另一大问题之一。针对这一问题,作者对基于液芯光纤(Liquid Core Optical Fiber, LCOF)的液体样品拉曼信号增强方法进行了模拟以及实验验证。作者首先利用LabVIEW模拟分析了LCOF的物理长度对液体样品拉曼信号增强效果的影响,并进行了实验验证。结果表明,物理长度约50 cm的液芯光纤可以对水中硫酸根的拉曼信号增强10倍以上。对于超出常规拉曼光谱探测灵敏度的水中溶存的低浓度甲烷拉曼光谱探测,作者提出了基于CCl4萃取富集的甲烷拉曼光谱探测新方法,可以间接实现实验室条件下水中溶存甲烷(甲烷浓度不高于1.14 mmol/L)的拉曼光谱探测。为了对孔隙水中的物质成分进行更详尽的分析,论文以在大连獐子岛海域相同站位、不同时间实地获取的两个批次的沉积物孔隙水为样品,对其进行了拉曼光谱与荧光光谱探测分析。拉曼探测结果发现沉积物孔隙水中的硫酸跟浓度随着取样深度的增大而下降,证明了孔隙水中硫酸盐还原的存在。荧光光谱分析表明,沉积物孔隙水中的荧光物质分为类蛋白荧光物质以及类腐殖酸荧光物质两大类,并且两种荧光物质的荧光特性是不同的,可以为海底沉积物地球化学分析提供参考。基于四氯化碳萃取辅助的水中溶存甲烷拉曼光谱探测方法尚无法做到定量探测,同时更多海域的孔隙水样品的光谱分析还有待实施,这将是下一步工作的努力方向。
【学位授予单位】：中国海洋大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：P715.5

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本文编号：1336558