深海裝備拉曼光譜儀創(chuàng)造最高深海探測紀錄

 我國深海裝備創(chuàng)造拉曼光譜最高深海探測紀錄，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能力。
 4月12日，中國科學院大連化學物理研究所告知，2017年3月下旬，中國科學院深淵科考隊赴馬里亞納海溝海域執(zhí)行中科院戰(zhàn)略性B類先導專項“海斗深淵前沿科技問題研究與攻關(guān)”和國家重點研發(fā)計劃“深海關(guān)鍵技術(shù)與裝備”重點專項等科技任務，使用原位實驗號、萬泉號、天涯號深淵著陸器對我國自主研發(fā)的一系列深海裝備進行了成功的試驗和實際應用，其中包括我國首次獲得成功的7千米級紫外激光拉曼光譜儀。該光譜儀是國際上首次進行深海探測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紀錄(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)濟和戰(zhàn)略價值。隨著陸地能源的日趨緊張，深海探測與資源開發(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)查探測與資源開發(fā)的先進技術(shù)，誰就掌握了世紀海洋戰(zhàn)略發(fā)展的主動權(quán)。

  拉曼光譜技術(shù)是一種可以對海洋資源進行原位探測的分析技術(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水溶液中的物質(zhì)進行直接測量，因此可以對處于海水條件下的物質(zhì)進行原位、準確的測定：拉曼光譜可以對深海海水水文環(huán)境進行分析，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)。拉曼光譜可以對礦藏，例如錳結(jié)核等進行原位分析，也可以對深海中的火山口、海底的巖石成分進行分析，從而對其地質(zhì)成因，礦藏等進行分析。在采礦作業(yè)過程中，可以利用拉曼光譜對樣品進行前期的篩選。深海拉曼光譜儀器一直以來是深海資源探測領域的研發(fā)重點，國內(nèi)外許多研究團隊都投入了大量的資源。
  然而，目前應用于海洋和深海探測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)存在極強的干擾，這些物質(zhì)會吸附到一些礦物的表面，其激發(fā)的熒光嚴重干擾拉曼信號的獲取，大大限制了拉曼光譜在海洋研究中的應用。
  早在1998年，中國科學院大連化學物理研究所李燦研究員帶領的團隊研制了國內(nèi)第一臺具有自主知識產(chǎn)權(quán)的紫外拉曼光譜儀，并成功的將該技術(shù)應用于材料研究中，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)，李燦團隊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，檢測到了水熱條件下對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)明二等獎和國家自然科學二等獎，并在國際上引起了廣泛的關(guān)注，同時也表明，紫外拉曼光譜可以大大提高拉曼信號的檢測靈敏度，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。在此基礎上，將紫外拉曼光譜技術(shù)引入到深海海底進行探測，是目前世界上尚未見報道的嘗試，因此不僅在科學意義上，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)縮小到一個筆記本大小是研發(fā)團隊首先面臨的問題。另外，深海條件下，光譜儀面臨高壓(約700個大氣壓)和頻繁著陸沖擊等極端條件，對光譜儀的性能提出了苛刻的要求。李燦院士團隊的范峰滔研究員、黃保坤高工等通過科學設計，反復驗證，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用的工程化。此次的海試驗證成功，表明我國從此可以對全世界99%以上海域進行分子光譜探測，為我國深海礦藏和能源資源的開發(fā)、海洋科學研究提供利器，將為實施我國海洋強國戰(zhàn)略做出貢獻。
  編輯點評：
  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)是一種可以對海洋資源進行原位探測的分析技術(shù)，我國的深海裝備拉曼光譜儀創(chuàng)造了最高深海探測紀錄，這將為我國深海礦藏和能源資源的開發(fā)、海洋科學研究做出貢獻。