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基于激光光谱技术的生态环境稳定同位素在线分析仪器及应用研究进展

18、地学仪器与系统 > 专题4：生态系统仪器

近二十年来，稳定同位素技术正逐渐成为认知物质循环、气候变化、环境演变、污染物迁移等领域前沿强有力的工具。不仅解决了很多难以解释的生态环境问题，也增加了我们对未知世界的认识能力。我国稳定同位素技术的研究应用也不断涌现，领域不断扩宽，包括：生态系统中群落的组成结构和功能、生态系统中碳氮水等物质循环及其时空格局、土壤-植物间相互作用和适应机制、物种和食物网营养级关系、全球气候变化模拟和预测、环境中污染物质去向和源解析、古植被和古气候重建等。尤其是20世纪80年代以后，随着质谱技术（IRMS）的快速发展，稳定同位素的应用领域得到极大的拓宽。IRMS同位素分析已经成功应用于煤矿突水、煤层成因、天然气勘探、食品安全、大气环境分析等众多方面，成功验证了同位素地球化学领域应用的可行性。虽然，商业化的IRMS仪器能够取得很高的测量精度，但其体积大、结构复杂、造价昂贵、分析过程耗时长，且需要对样品进行采集和复杂的预处理，因此不适合连续、快速的原位测量。近年来，激光吸收光谱技术的快速发展恰恰克服了上述限制，并因其高选择性、高灵敏度、体积小、响应快等优势得到快速发展与广泛应用，逐渐成为稳定同位素分析测量技术的主力军。我们以激光吸收光谱技术为基础，逐渐实现了腔增强吸收光谱技术（ICOS）、衰荡腔吸收光谱技术（CRDS）、量子级联吸收光谱技术（QCL）等多种形式的气体稳定同位素丰度的在线测量与分析。以目前课题组研究情况可以实现大气CO2碳同位素、CH4同位素、液态水/气态水的氢氧同位素、NOx同位素等众多目标的测量与分析。因此，该技术的发展不仅有望实现高精度的同位素测量，避免传统技术在体积大、结构复杂、造价昂贵、分析过程耗时长，且需要对样品进行复杂预处理等方面的不足；而且，在不久的将来有望实现对多种实际样品的原位在线测量与分析，为后期更加准确的同位素测量提供保障，为稳定同位素技术在生态环境保护研究中的应用提供广大愿景。