在(zai)全(quan)球(qiu)氣候危(wei)機(ji)日(ri)益嚴(yan)峻的(de)當(dang)下(xia)，準確監(jian)測溫室氣體(ti)濃度(du)變(bian)化成為制定有效(xiao)減(jian)排策略(lve)的(de)關鍵(jian)前(qian)提。基於(yu)傅裏(li)葉變(bian)換紅(hong)外光譜(pu)（FT-IR）技術(shu)的(de)高(gao)精(jing)度(du)多組(zu)分(fen)溫室氣體(ti)分析儀(yi)，憑(ping)借其(qi)出色的(de)檢(jian)測能(neng)力(li)，能(neng)夠快(kuai)速且(qie)精(jing)準地識別(bie)二氧化碳(tan)、甲(jia)烷(wan)、氧化亞(ya)氮(dan)等多種溫室氣體(ti)。這項技術(shu)究竟(jing)如(ru)何(he)實現如(ru)此(ci)精(jing)準的(de)識別(bie)？讓我們(men)深(shen)入(ru)探究其(qi)背(bei)後的(de)科(ke)學(xue)原(yuan)理(li)與(yu)技術(shu)奧(ao)秘(mi)。

壹(yi)、FT-IR 技術(shu)的(de)基礎(chu)：物質(zhi)的(de)紅(hong)外(wai)吸收(shou)光譜(pu)特(te)性

FT-IR 技術(shu)的(de)核心理(li)論(lun)基礎(chu)，源於(yu)物質(zhi)對紅(hong)外光的(de)選(xuan)擇性吸收(shou)。當紅(hong)外光照(zhao)射(she)到溫室氣體(ti)分子(zi)時(shi)，不(bu)同氣體(ti)分子(zi)因(yin)特(te)殊(shu)的(de)化學(xue)鍵振(zhen)動和(he)轉(zhuan)動模(mo)式，會(hui)吸收(shou)特定波長(chang)的(de)紅(hong)外(wai)輻(fu)射(she)。例如(ru)，二(er)氧化碳(tan)分(fen)子(zi)在紅(hong)外(wai)波段的(de) 2349 cm⁻¹、667 cm⁻¹ 等位置具有特(te)征(zheng)吸收(shou)峰；甲(jia)烷(wan)分子(zi)則(ze)在 3019 cm⁻¹、1306 cm⁻¹ 等波段呈(cheng)現(xian)顯著(zhu)吸收(shou) 。這些吸收(shou)特性如(ru)同氣體(ti)分子(zi)的(de) “指(zhi)紋(wen)"，是(shi) FT-IR 技術(shu)識別(bie)溫室氣體(ti)的(de)重要(yao)依據。

紅外(wai)光譜(pu)圖以(yi)吸收(shou)強度(du)為縱(zong)坐(zuo)標，波數(shu)（或(huo)波長(chang)）為橫坐(zuo)標(biao)，記(ji)錄了不(bu)同波長(chang)紅外光被(bei)氣體(ti)吸收(shou)後的(de)強(qiang)度(du)變(bian)化。高(gao)精(jing)度(du)多組(zu)分(fen)溫室氣體(ti)分析儀(yi)通過測量紅(hong)外(wai)光穿(chuan)過樣品(pin)前後(hou)的(de)光強(qiang)差異(yi)，生(sheng)成完整的(de)紅(hong)外(wai)光譜(pu)，為(wei)後續(xu)氣體(ti)成分分析提(ti)供原(yuan)始(shi)數(shu)據。

二、儀(yi)器結構(gou)：從(cong)光學(xue)到信號(hao)處(chu)理(li)的(de)精(jing)密配(pei)合(he)

（1）紅外(wai)光源與(yu)光路(lu)系統

高(gao)精(jing)度(du)多組(zu)分(fen)溫室氣體(ti)分析儀(yi)通常(chang)配(pei)備(bei)穩定、高強(qiang)度(du)的(de)紅(hong)外(wai)光源，如(ru)矽(gui)碳棒或(huo)陶瓷光源，以確保(bao)能(neng)夠發射(she)出覆(fu)蓋所(suo)需波(bo)段的(de)紅(hong)外(wai)輻(fu)射(she)。在光路(lu)設計上，采用多次反(fan)射(she)氣室(shi)，如(ru)懷特池(chi)（White cell）結構(gou)，使(shi)紅外(wai)光在(zai)氣室(shi)內(nei)多(duo)次穿(chuan)過樣品(pin)氣體(ti)，增加(jia)光與(yu)氣體(ti)分子(zi)的(de)相(xiang)互(hu)作用時間(jian)，從(cong)而提(ti)高(gao)檢測靈敏(min)度(du)。例如(ru)，10 米(mi)光程(cheng)的(de)懷特池(chi)，能(neng)夠顯著(zhu)增強(qiang)微(wei)弱(ruo)吸收(shou)信號(hao)，使(shi)分析儀(yi)能(neng)夠檢(jian)測到更低濃度(du)的(de)溫室氣體(ti)。

（2）幹涉(she)儀(yi)的(de)核心作用

傅裏(li)葉變(bian)換紅(hong)外光譜(pu)技術(shu)的(de)關鍵(jian)部(bu)件是(shi)幹涉(she)儀(yi)。邁(mai)克爾遜(xun)幹涉(she)儀(yi)是(shi)較常(chang)用的(de)類(lei)型(xing)，它(ta)由動鏡、定鏡和(he)分(fen)束(shu)器組(zu)成。紅外光進入(ru)幹涉(she)儀(yi)後(hou)，被分束(shu)器分(fen)成兩束(shu)，分(fen)別(bie)射(she)向(xiang)動鏡和(he)定鏡，反(fan)射(she)回來(lai)的(de)兩束(shu)光重新匯(hui)合(he)，因(yin)光程(cheng)差產(chan)生(sheng)幹涉(she)現象(xiang)，形(xing)成幹涉(she)圖。幹涉(she)圖包(bao)含(han)了所(suo)有被(bei)吸收(shou)和(he)未被(bei)吸收(shou)的(de)紅(hong)外(wai)光信息(xi)，是(shi)後續(xu)傅裏(li)葉變(bian)換的(de)基礎(chu)。

（3）探測器與(yu)信號(hao)處(chu)理(li)

分析儀(yi)使(shi)用高靈敏(min)度(du)的(de)紅(hong)外(wai)探測器，如(ru)碲(di)鎘汞(gong)（MCT）探測器或(huo)液氮(dan)冷(leng)卻(que)型探測器，將幹涉(she)圖的(de)光信號(hao)轉(zhuan)換為(wei)電信號(hao)。隨(sui)後(hou)，通過模(mo)數(shu)轉(zhuan)換（ADC）將模(mo)擬(ni)電(dian)信號(hao)轉(zhuan)換為(wei)數字信號(hao)，便(bian)於(yu)計算(suan)機(ji)進行(xing)數據處理(li)。在信號(hao)處(chu)理(li)環節，利(li)用傅裏(li)葉變(bian)換算(suan)法(fa)，將幹涉(she)圖轉(zhuan)換為(wei)紅外(wai)光譜(pu)圖，這壹(yi)過(guo)程如(ru)同 “解密碼"，將原(yuan)始(shi)幹涉(she)信號(hao)還原(yuan)為可用於(yu)氣體(ti)識別(bie)的(de)光譜(pu)信息(xi)。

三(san)、精(jing)準識別(bie)的(de)關鍵(jian)：光譜(pu)分(fen)析與(yu)算(suan)法(fa)優(you)化

（1）光譜(pu)數(shu)據庫比對

為(wei)實現對溫室氣體(ti)的(de)精(jing)準識別(bie)，分析儀(yi)內(nei)置了龐(pang)大且(qie)精(jing)確的(de)光譜(pu)數(shu)據庫，如(ru) HITRAN 數(shu)據庫。該數據庫收錄了大(da)量(liang)氣體(ti)分子(zi)在(zai)不(bu)同溫度(du)、壓(ya)力(li)條件下(xia)的(de)紅(hong)外(wai)吸收(shou)譜線(xian)參(can)數。分(fen)析儀(yi)將實(shi)測得(de)到的(de)光譜(pu)圖與(yu)數據庫中的(de)標(biao)準光譜(pu)進行(xing)比對(dui)，通過計算(suan)光譜(pu)相(xiang)似(si)度(du)、吸收(shou)峰位置和(he)強(qiang)度(du)等參(can)數，判(pan)斷(duan)樣品(pin)中存(cun)在哪些溫室氣體(ti)及其(qi)濃度(du)。

（2）多元線性回歸與(yu)化學(xue)計量(liang)學(xue)算(suan)法(fa)

在實際(ji)監(jian)測中，樣(yang)品(pin)往往包(bao)含(han)多種(zhong)溫室氣體(ti)，它們(men)的(de)吸收(shou)光譜(pu)可能(neng)存在(zai)重疊(die)。為準確測定各(ge)組分(fen)濃度(du)，分析儀(yi)采(cai)用多元線性回歸（MLR）、主(zhu)成分分析（PCA）等化學(xue)計量(liang)學(xue)算(suan)法(fa)。這些算(suan)法(fa)能(neng)夠從(cong)復(fu)雜(za)的(de)光譜(pu)數(shu)據中分(fen)離出各(ge)組分(fen)的(de)貢獻，消除光譜(pu)重疊(die)帶來(lai)的(de)幹擾(rao)，從(cong)而實(shi)現(xian)多組(zu)分溫室氣體(ti)的(de)同時定量分(fen)析。例(li)如(ru)，通過多(duo)元線性回歸算(suan)法(fa)，可以(yi)建立(li)各(ge)溫室氣體(ti)濃度(du)與(yu)光譜(pu)吸收(shou)強度(du)之間(jian)的(de)數(shu)學(xue)模(mo)型(xing)，提高濃度(du)計算(suan)的(de)準確性。

（3）儀(yi)器校(xiao)準與(yu)誤差修正

高精(jing)度(du)多組(zu)分(fen)溫室氣體(ti)分析儀(yi)（基於(yu) FT-IR 技術(shu)）憑借其(qi)精(jing)妙的(de)技術(shu)設計和(he)先(xian)進的(de)分(fen)析方(fang)法(fa)，成為溫室氣體(ti)監(jian)測領(ling)域(yu)的(de) “火(huo)眼(yan)金睛(jing)"。從(cong)紅(hong)外(wai)光譜(pu)的(de)基礎(chu)原(yuan)理(li)，到儀(yi)器的(de)精(jing)密結構(gou)，再到復雜(za)的(de)光譜(pu)分(fen)析算(suan)法(fa)，每個(ge)環節的(de)協(xie)同配合共(gong)同造就(jiu)了其(qi)精(jing)準識別(bie)溫室氣體(ti)的(de)出色性能(neng)，為人(ren)類應對氣候變(bian)化提(ti)供了(le)可靠的(de)技術(shu)保障(zhang)。為確保(bao)測量結果(guo)的(de)高(gao)精(jing)度(du)，分析儀(yi)需(xu)要定期(qi)進行(xing)校(xiao)準。使(shi)用標準氣體(ti)混合(he)物對(dui)儀(yi)器進行(xing)校(xiao)準，通過調整儀(yi)器參(can)數，使(shi)測量值(zhi)與(yu)標準值壹(yi)致(zhi)。同時，考(kao)慮(lv)到環境因(yin)素(su)（如(ru)溫度(du)、壓(ya)力(li)變(bian)化）對(dui)測量結果(guo)的(de)影(ying)響(xiang)，儀(yi)器內(nei)置了溫度(du)補(bu)償(chang)和(he)壓(ya)力(li)修正模(mo)塊(kuai)，實時對(dui)測量數(shu)據進行(xing)校(xiao)正，進壹(yi)步(bu)提高檢測的(de)準確性和(he)可靠性。

盡管基於(yu) FT-IR 技術(shu)的(de)高(gao)精(jing)度(du)多組(zu)分(fen)溫室氣體(ti)分析儀(yi)已(yi)展(zhan)現(xian)出強(qiang)大的(de)檢(jian)測能(neng)力(li)，但在實(shi)際(ji)應用中仍面臨壹(yi)些(xie)挑(tiao)戰(zhan)。例(li)如(ru)，復(fu)雜(za)環境中(zhong)的(de)水汽、顆粒物等幹擾(rao)因(yin)素(su)，可能(neng)影(ying)響(xiang)光譜(pu)測量的(de)準確性；痕量溫室氣體(ti)的(de)檢(jian)測靈敏(min)度(du)還需進壹(yi)步(bu)提升。未來(lai)，隨(sui)著(zhe)微(wei)機(ji)電(dian)系統（MEMS）技術(shu)、納米(mi)光學(xue)材(cai)料(liao)等的(de)發展(zhan)，FT-IR 分析儀(yi)有望(wang)實(shi)現小(xiao)型(xing)化、便(bian)攜化，拓(tuo)寬應用場景(jing)。同時，通過優(you)化光譜(pu)算(suan)法(fa)、開發更(geng)先(xian)進的(de)化學(xue)計量(liang)學(xue)模(mo)型(xing)，將進壹(yi)步(bu)提高對復(fu)雜(za)混合氣體(ti)的(de)分(fen)析能(neng)力(li)，為全球(qiu)溫室氣體(ti)監(jian)測提供更(geng)精(jing)準、高效(xiao)的(de)技術(shu)支持。