【应用】新型积分腔吸收技术测量水体及颗粒物的吸收

自然水体中光吸收系数的测定一直是许多科学问题的重要热点，生物光学海洋学家需要吸收系数的信息来量化水体的不同成分，并将这些信息应用于遥感。目前的测量方法基本都受水体和颗粒物散射的影响，很难准确地测量水体吸收系数。而新型积分腔吸收技术可以相对准确的测量水体及颗粒物的吸收。

1. 积分腔吸收技术介绍——水体吸收系数测量PSICAM

点光源积分腔吸收计（PSICAM）是一种相对较新的测量吸收的方法，由J.T.O. Kirk在1983年首次提出。目前采用的是由Rüdiger Röttgers博士开发的，新型的、相对准确的吸收测量技术。

图   PSICAM点光源积分腔吸收计

与传统的分光光度计不同，PSICAM是在一个积分球内测量原始水样，中心光源为漫射石英玻璃制成的一个散射球体，内腔体由漫反射性塑料材料（PTFE）制成，材料厚度为10mm时，反射率可达97%~98%。测量时，腔体内充满水样，经小球发出的光被腔体中的水样吸收后到达内壁被无数次反射，最后被高光谱辐照度传感器检测。球体内的光场分布均匀，避免了散射影响和样品处理，并通过相当长的光学路径（高达几米）提高了灵敏度，可用于测量低吸收的海洋水体。内含短波过滤器，可用于测量腔体荧光，估算叶绿素浓度。

图 PSICAM 积分腔

PSICAM测量水体吸收系数与传统分光光度计对比

采用点源积分腔吸收计（PSICAM）对来自北海和大西洋的海水样品进行CDOM的吸收测量，样品首先通过玻璃纤维过滤器（GF/F，Whatman）进行过滤，然后按照Tilstone等人描述的程序通过0.22µm膜过滤器进行样品冲洗，然后测量，并与分光光度计的测量结果进行了比较。

图.使用PSICAM和分光光度计在特定时间对经过0.22μm过滤器过滤的同一样品测量的吸收系数与波长的关系图。左图是高吸收的北海水体样品，右图是低吸收的大西洋水体样品

图.用PSICAM和分光光度计测量同一样品的吸收的典型例子

如图所示为7个不同样品（400 nm处吸收系数在0.01~1m之间）的吸收结果，插图显示了三个样品在不同尺度上吸收最低的情况。

实验结果表明：PSICAM提供了与分光光度计测定的完全相同的吸收值，但PSICAM更敏感，而且更不受散射效应的影响。PSICAM测定的精度优于典型的分光光度计装置。在较短波长下吸收的剩余差异可归因于分光光度计的不利散射影响。一般来说，由于PSICAM更大的平均光路长度（高达3米）和可忽略的散射影响，PSICAM在测定CDOM吸收系数方面优于分光光度计装置。光度计方法只能在低样品散射和高样品吸收时提供更精确的值。而在低吸收水体如在贫营养海洋区域，PSICAM由散射效应引起的百分比误差将远远低于分光光度计，PSICAM可以准确测量分光光度计无法实现的较长波长吸收系数测量，因为在较长波长时，吸收接近或低于分光光度计的检测极限。分光光度法测定的低信噪比也限制了从贫营养水域的光度法数据中测定指数斜率的准确性。PSICAM作为一种相当简单的仪器，在未来将提高我们在贫营养水体中进行精确测量吸收的能力。

PSICAM技术参数

2. 积分腔吸收技术介绍——颗粒物吸收系数测量QFT-ICAM

准确测量水中颗粒的光吸收系数，尤其是在非常贫营养的海洋地区，仍然是一项艰巨的任务。在玻璃纤维过滤器上浓缩水生颗粒并使用定量过滤器技术（QFT）是一种常见的做法。 常规使用高性能分光光度计进行测量会因为过滤器的强散射和必须对样品进行冻结和存储引起的伪影导致的明显问题。使用积分腔技术进行样品测量会大大降低散射影响并能直接进行现场测量，避免了由于样品保存而引起的伪影。由此诞生了便携式的积分腔吸收计设置（QFT-ICAM），可以快速测量样品。

QFT-ICAM定量过滤技术积分腔吸收仪是一种新型设计的分光光度计，可测量过滤器（过滤垫技术）上物质颗粒的吸收，如现场或实验室水体中的浮游植物。该仪器由德国Helmholtz-Zentrum Geesthacht的Rüdiger Röttgers博士开发。他将紧凑的积分腔与光谱检测器和光源结合在一起，形成轻巧便携式的可快速测量积分球中心上负载颗粒物的过滤器设计。 这个光学概念已经通过证明，可使用定量过滤技术来提供非常可靠的颗粒吸收测量。它可轻易的布置在船上用于直接测量，避免了可能的样品处理和储存污染。

图 QFT-ICAM定量过滤技术积分腔吸收仪

QFT-ICAM工作原理

球形腔体由高反射率的材料（PTFE）制成，光源为CF-1000灯，带有一个集成的滤光轮和一个光电二极管阵列检测器（SpecSence 2048XL-ULS，Avantes; 300-850 nm，entrance slit: 100 µm）。这三个组件通过两条光纤以单光束的方式连接。腔体内有直径3毫米的定制石英玻璃纤维，光纤的尖端距离样品过滤器约3-4厘米。检测器通过600 µm石英玻璃光纤从位于腔体下部中央的一个孔中向光束方向呈约90°的角度接收光。由于其特殊的角度设计，检测器只接收透过或由滤光片散射后至少在壁上反射过一次的光，直接从光源发出的光无法到达检测器。样品过滤器通过两个细的尼龙细绳固定在腔体的中间，尼龙细绳穿过整个腔体，从而可以将过滤器放置在光束的内部和外部。光源内的12位滤光轮配由阻光滤波器和仅使波长<650 nm的光通过的光学低通滤波器（SPF；类型：650FL07-25，LOT-Oriel）组成。阻光滤波器用于测量检测器的暗电流信号。光学低通滤波器SPF是用于测量样品中活藻发出的叶绿素荧光信号（约660-750 nm）。

QFT-ICAM测量颗粒物吸收系数与高端光谱仪对比

2014年4月15日，David Doxaran等人乘船RV L'Alis巡航至不列颠群岛New Caledonian Lagoon 附近水域采集水样，使用了25毫米 GF/F (Whatman)过滤器进行 QFT-ICAM 的实地测量。并额外准备了 47-mm GF-5过滤器，在液氮中快速冷冻，储存在摄氏零下80度，在巡航两周后用 Lambda 950 光谱仪进行测量。

图.积分球内颗粒吸收光谱的定量过滤测量结果比较

为了比较，显示了原始样品(悬浮颗粒)的 PSICAM 测量结果。

结果表明，采用 QFT-ICAM 方法得到的测量精度远远高于不使用积分球的过滤器测量精度。定量过滤技术积分腔吸收计(QFT-ICAM)和高端光谱仪的测量精度相似，表明 GF 过滤器的光学特性变化引起的散射效应是决定测量精度的主要原因，而仪器特性(电子噪声、探测器的非线性等)对测量精度的影响不大。因此，这样一个简单的QFT-ICAM装置能够提供非常精确的测量，而不落后于更复杂的仪器，使用这种装置可以很大程度地减少过滤器的散射效应，从而可以准确地测定红外光谱区域的颗粒物吸收，使得经常使用的偏移校正来调整散射效应的方法已经过时。QFT-ICAM 和高端商业光谱仪测量的良好一致性，证实了这种偏移校正对于内部积分球体测量是不必要的。它将在沿海地区提供更精确的测量，在那里非藻类物质的红外吸收可能非常高。

综上所述，定量过滤技术积分腔吸收计(QFT-ICAM)克服了船舶航行过程中不能使用高端光谱仪的缺点，极大的缩小了空间和成本，积分腔式测量减少了散射误差并和高端商业光谱仪测量具有良好的一致性，非常适用于船舶航行中水体颗粒物实地测量。

QFT-ICAM技术参数