近期，中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)院智能所陳池來(lái)研究員團(tuán)隊(duì)王晗等研究人員在深海探測(cè)領(lǐng)域取得新突破：在前期深海質(zhì)譜研究基礎(chǔ)上，將水體溶解甲烷檢測(cè)靈敏度提升500多倍，達(dá)到海洋及湖泊本底溶解甲烷檢測(cè)水平，實(shí)現(xiàn)了從溶解甲烷異常事件監(jiān)測(cè)到背景甲烷長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)的跨越。相關(guān)技術(shù)已申請(qǐng)國(guó)家發(fā)明專(zhuān)利，研究成果發(fā)表在國(guó)際著名分析化學(xué)期刊、一區(qū)Top期刊Talanta上。
甲烷作為僅次于二氧化碳的第二大溫室氣體，其排放對(duì)全球氣候變化具有重要影響。每年從海洋、湖泊等水生態(tài)系統(tǒng)中排放的甲烷占全球總量的約53%，因此，有效監(jiān)測(cè)海洋甲烷向大氣的排放通量至關(guān)重要。此外，甲烷還是天然氣水合物的主要成分，這種新型清潔能源被視為21世紀(jì)最具潛力的能源之一。因此，海洋甲烷監(jiān)測(cè)對(duì)于海洋環(huán)境感知、甲烷異常區(qū)域發(fā)現(xiàn)、海洋能源勘探、海洋科學(xué)研究等均具有重要價(jià)值。
由于海洋中的甲烷濃度低、變化大等特點(diǎn)，當(dāng)前對(duì)海洋溶解甲烷的檢測(cè)數(shù)據(jù)仍然很少，對(duì)海洋甲烷通量的估計(jì)還存在很大的不確定性。深海質(zhì)譜儀是實(shí)現(xiàn)海洋溶解氣快速檢測(cè)的重要海洋裝備，因其檢測(cè)靈敏度有限，也只能對(duì)特定區(qū)域或異常事件進(jìn)行檢測(cè)。
陳池來(lái)研究員團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期致力于深海質(zhì)譜、MEMS技術(shù)及MEMS質(zhì)譜等智能微系統(tǒng)技術(shù)研究。在相關(guān)項(xiàng)目及深海智能感知技術(shù)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室（中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)院與中國(guó)科學(xué)院深海所共建）支持下，2023年，團(tuán)隊(duì)聯(lián)合深海所研制出深海質(zhì)譜儀（名為智微號(hào)深海水下質(zhì)譜，ims-UMS），并在南海某海域成功完成多次海試，獲得了海洋廓線重要溶解氣信息。在前期工作基礎(chǔ)上，為進(jìn)一步提高檢測(cè)靈敏度，團(tuán)隊(duì)針對(duì)樣本水氣高、檢測(cè)儀器空間有限等問(wèn)題，研制出小體積、低功耗的在線除水系統(tǒng)，同時(shí)優(yōu)化進(jìn)樣氣路設(shè)計(jì)，成功將其集成安裝于智微號(hào)深海質(zhì)譜儀中。這一改進(jìn)在維持目標(biāo)檢測(cè)氣體高滲透通量的同時(shí)，將質(zhì)譜儀的真空度提升超過(guò)2個(gè)數(shù)量級(jí)，對(duì)甲烷的檢測(cè)限從高于16納摩/升降低至0.03納摩/升，提升了超過(guò)500倍，達(dá)到深海及湖泊等水域甲烷本底信號(hào)檢測(cè)的水平，有望實(shí)現(xiàn)海洋溶解甲烷的無(wú)差別監(jiān)測(cè)。
據(jù)了解，研究團(tuán)隊(duì)下一步將基于該技術(shù)開(kāi)展大空間、寬時(shí)間范圍內(nèi)本底甲烷的原位檢測(cè)研究，以及H2、He等有指向性的極低濃度氣體原位檢測(cè)研究。該研究工作為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)甲烷通量計(jì)算、全球氣候研究、羽流尋跡、冷泉發(fā)現(xiàn)等提供了重要技術(shù)基礎(chǔ)。
相關(guān)工作得到了中國(guó)科學(xué)院A類(lèi)先導(dǎo)專(zhuān)項(xiàng)“深海/深淵智能技術(shù)及海底原位科學(xué)實(shí)驗(yàn)站”等項(xiàng)目的資助。王晗博士為文章第一作者，陳池來(lái)研究員為通信作者。
論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.talanta.2024.125907
甲烷檢測(cè)效果對(duì)比圖
搭載于探測(cè)平臺(tái)的智微號(hào)水下質(zhì)譜儀
