深海裝備拉曼光譜儀創(chuàng)造最高深海探測(cè)紀(jì)錄

 我國深海裝備創(chuàng)造拉曼光譜最高深海探測(cè)紀(jì)錄，該儀器的成功研發(fā)將提升我國在深海礦藏、能源資源(天然氣水合物)、碳循環(huán)與氣候變化以及深海生物信息方面的探測(cè)能力。
 4月12日，中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所告知，2017年3月下旬，中國科學(xué)院深淵科考隊(duì)赴馬里亞納海溝海域執(zhí)行中科院戰(zhàn)略性B類先導(dǎo)專項(xiàng)“海斗深淵前沿科技問題研究與攻關(guān)”和國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“深海關(guān)鍵技術(shù)與裝備”重點(diǎn)專項(xiàng)等科技任務(wù)，使用原位實(shí)驗(yàn)號(hào)、萬泉號(hào)、天涯號(hào)深淵著陸器對(duì)我國自主研發(fā)的一系列深海裝備進(jìn)行了成功的試驗(yàn)和實(shí)際應(yīng)用，其中包括我國首次獲得成功的7千米級(jí)紫外激光拉曼光譜儀。該光譜儀是國際上首次進(jìn)行深海探測(cè)的紫外激光拉曼光譜儀，也創(chuàng)造了拉曼光譜儀最高深海探測(cè)紀(jì)錄(7449米)。

 我們的星球超過一半的區(qū)域被2000米以上的深海海水所覆蓋。深海海底不但蘊(yùn)藏著豐富的石油、天然氣、天然氣水合物、金屬結(jié)核、熱液和硫化物等礦產(chǎn)資源，還存在著極端生命現(xiàn)象(深海生物基因資源)，這些資源具有重大的經(jīng)濟(jì)和戰(zhàn)略價(jià)值。隨著陸地能源的日趨緊張，深海探測(cè)與資源開發(fā)技術(shù)在海洋環(huán)境研究和深海資源的開發(fā)進(jìn)程中發(fā)揮了不可替代的作用。可以說，誰先掌握了深海調(diào)查探測(cè)與資源開發(fā)的先進(jìn)技術(shù)，誰就掌握了世紀(jì)海洋戰(zhàn)略發(fā)展的主動(dòng)權(quán)。

  拉曼光譜技術(shù)是一種可以對(duì)海洋資源進(jìn)行原位探測(cè)的分析技術(shù)，是一種可以提供分子指紋譜的技術(shù)，與紅外光譜不同，拉曼光譜可以直接對(duì)水溶液中的物質(zhì)進(jìn)行直接測(cè)量，因此可以對(duì)處于海水條件下的物質(zhì)進(jìn)行原位、準(zhǔn)確的測(cè)定：拉曼光譜可以對(duì)深海海水水文環(huán)境進(jìn)行分析，例如分析海水中甲烷水合物的形成和分布，深海中生物物種，海洋中二氧化碳等大氣溶解情況，各種鹽類物質(zhì)例如硫酸鹽等濃度進(jìn)行分析，也可以通過水的拉曼峰來分析深海海水的大致存在狀態(tài)。拉曼光譜可以對(duì)礦藏，例如錳結(jié)核等進(jìn)行原位分析，也可以對(duì)深海中的火山口、海底的巖石成分進(jìn)行分析，從而對(duì)其地質(zhì)成因，礦藏等進(jìn)行分析。在采礦作業(yè)過程中，可以利用拉曼光譜對(duì)樣品進(jìn)行前期的篩選。深海拉曼光譜儀器一直以來是深海資源探測(cè)領(lǐng)域的研發(fā)重點(diǎn)，國內(nèi)外許多研究團(tuán)隊(duì)都投入了大量的資源。
  然而，目前應(yīng)用于海洋和深海探測(cè)的拉曼光譜儀大多以長波長激光，其本征拉曼散射較弱。另外，海洋環(huán)境中存在的大量的葉綠素II和生物碎片等在可見區(qū)存在極強(qiáng)的干擾，這些物質(zhì)會(huì)吸附到一些礦物的表面，其激發(fā)的熒光嚴(yán)重干擾拉曼信號(hào)的獲取，大大限制了拉曼光譜在海洋研究中的應(yīng)用。
  早在1998年，中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所李燦研究員帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)研制了國內(nèi)第一臺(tái)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的紫外拉曼光譜儀，并成功的將該技術(shù)應(yīng)用于材料研究中，解決了拉曼光譜研究材料中長期存在的熒光干擾難題。利用紫外拉曼光譜儀結(jié)合共振拉曼光譜技術(shù)，李燦團(tuán)隊(duì)在國際上首次鑒定了固體材料中低含量過渡金屬活性中心(<1%)；利用原位紫外拉曼光譜技術(shù)在國際上首次實(shí)現(xiàn)了模擬海底水熱條件下分子篩材料合成過程的原位紫外拉曼光譜研究，檢測(cè)到了水熱條件下對(duì)分子篩材料形成起到關(guān)鍵作用的中間物種。這些工作先后獲得國家技術(shù)發(fā)明二等獎(jiǎng)和國家自然科學(xué)二等獎(jiǎng)，并在國際上引起了廣泛的關(guān)注，同時(shí)也表明，紫外拉曼光譜可以大大提高拉曼信號(hào)的檢測(cè)靈敏度，避開熒光的干擾，并且在高溫高壓水相體系的研究中顯示出了巨大的優(yōu)勢(shì)。在此基礎(chǔ)上，將紫外拉曼光譜技術(shù)引入到深海海底進(jìn)行探測(cè)，是目前世界上尚未見報(bào)道的嘗試，因此不僅在科學(xué)意義上，更是在高端儀器研制方面是一種創(chuàng)舉。
  然而，激發(fā)光越到紫外區(qū)對(duì)于光柵分光要求越高，所需的光譜儀尺寸就越大。而深海探測(cè)要求所帶儀器越小越好，如何將紫外拉曼光譜儀的分光系統(tǒng)縮小到一個(gè)筆記本大小是研發(fā)團(tuán)隊(duì)首先面臨的問題。另外，深海條件下，光譜儀面臨高壓(約700個(gè)大氣壓)和頻繁著陸沖擊等極端條件，對(duì)光譜儀的性能提出了苛刻的要求。李燦院士團(tuán)隊(duì)的范峰滔研究員、黃保坤高工等通過科學(xué)設(shè)計(jì)，反復(fù)驗(yàn)證，采用折疊反射鏡、光纖軟連接以及同軸反射鏡等一系列技術(shù)，歷經(jīng)三年的攻關(guān)，研發(fā)成功滿足深海極端條件應(yīng)用的紫外拉曼光譜儀器，并與三亞深海所工程人員完成了光譜儀應(yīng)用的工程化。此次的海試驗(yàn)證成功，表明我國從此可以對(duì)全世界99%以上海域進(jìn)行分子光譜探測(cè)，為我國深海礦藏和能源資源的開發(fā)、海洋科學(xué)研究提供利器，將為實(shí)施我國海洋強(qiáng)國戰(zhàn)略做出貢獻(xiàn)。
  編輯點(diǎn)評(píng)：
  我們的星球超過一半的區(qū)域被2000米以上的深海海水所覆蓋，深海中的海洋資源大多還未被發(fā)現(xiàn)。拉曼光譜技術(shù)是一種可以對(duì)海洋資源進(jìn)行原位探測(cè)的分析技術(shù)，我國的深海裝備拉曼光譜儀創(chuàng)造了最高深海探測(cè)紀(jì)錄，這將為我國深海礦藏和能源資源的開發(fā)、海洋科學(xué)研究做出貢獻(xiàn)。