紫外偏振测仪

具有圆偏振发光性能的手性材料在三维成像、光学信息存储、不对称合成等方面颇具应用潜力，在手性科学研究中具有重要意义。手性基元在氢键、静电相互作用及π-π堆积等相互作用的协同下，可以自组装成各种各样的手性结构，表现出独特的圆偏振发光性质。而在自组装过程中，非手性基元如何参与并影响到最后的圆偏振发光性能，手性如何在组装结构中实现转移、传递和放大仍有未知。因此，如何构筑圆偏振发光材料并实现其性能提升在手性科学领域是重要的研究方向。　　中国科学院国家纳米科学中心研究员段鹏飞团队在高效圆偏振发光材料的构筑和性能提升研究方面取得了新进展。利用卤键相互作用构筑了一种二维手性分形结构，实现了手性发光材料发光各项异性因子的显著提升（Angew. Chem. Ed. Int. 2021, 60, 22711-22716）；在自组装手性多孔晶态材料中实现了无机纳米粒子到有机发光分子之间的辐射能量转移，并显著放大了材料的发光各项异性因子（Adv. Mater. 2021, 33, 2101797）。　　卤键本质上是一种静电相互作用，关于卤键驱动的共组装体系已有报道。科研团队合成了两种含有吡啶基团的联二萘手性分子（R/S-1，R/S-2），其与1,4-二碘四氟苯（F4DIB）可以共组装，自发形成了不同形貌的二维手性分形结构。单晶结构的分析发现，晶体中吡啶基团的N原子与F4DIB中的碘原子通过卤键形成一维的超分子聚合物链，而后在π-π和C-FH的协同作用下形成最终的组装结构（图1）。由于R/S-1与F4DIB分子间相互作用更强所以形成的手性分形结构更加致密。在共组装过程中，手性由R/S-1，R/S-2分子传递给了超分子聚合物链，再经过进一步的组装从超分子聚合物链传递到手性分形结构，实现了手性的多级次放大。从基态和激发态手性光谱上也可以观察到，分形结构的手性各项异性因子相较于单分子手性信号呈现出两个数量级的放大。卤键驱动的手性自组装实现了手性从分子手性到分形结构的转移和放大，为设计、提升圆偏振发光材料性能提供了新思路。相关研究成果发表在Angew. Chem. Ed. Int.（2021, 60, 22711-22716）上。　　手性多孔晶态材料具有有序的组装结构，在圆偏振发光材料的构筑和性能提升方面具有重要意义。近日，团队工作人员通过设计“Turn-on”型二芳基乙烯（DAEC）和上转换纳米粒（UCNPs）负载的手性金属有机框架复合材料，实现了紫外光、可见光、近红外光多重光源响应的圆偏振发光固态开关，并通过UCNPs到DAEC的能量转移实现了圆偏振发光的放大（图2）。　　研究人员选择了一种具有一维孔道的手性镧系框架结构，将上转换纳米粒子和具有光响应性质的二芳基乙烯同时负载于手性框架结构中，通过手性诱导分别实现了二芳基乙烯和UCNPs的圆偏振发光。UCNPs上转换发光的能量可以转移至二芳基乙烯，实现二芳基乙烯的上转换圆偏振发光。该手性多孔框架结构复合物中，二芳基乙烯可以在紫外光和近红外光照射下到达关环发光态，分别表现出下转换和上转换的圆偏振发光。在可见光照射下变为开环暗态，实现圆偏振发光的“关闭”。此外，研究发现上转换的发光各项异性因子（glum）大于下转换的发光各项异性因子，可能是手性体系中的能量转移造成的，这是首次发现无机给体到有机受体能量转移实现的圆偏振发光放大。　　该手性晶态多孔复合材料实现了固态下多重光响应的圆偏振发光开关，并在不同光输入的条件下的下转换和上转换过程可以实现荧光信息和圆偏振信息的多级光信号输出，在多维度光响应和输出的存储与加密方面具有重要应用价值。相关研究成果发表在Adv. Mater.（2021, 33, 2101797）上。研究工作得到国家自然科学基金、中科院战略性先导科技专项（B类）、国家重点研发计划等的支持。

在石油的开采、炼制、贮运、使用过程中，原油和各种石油制品进入环境而造成的污染成了一个世界性的问题。因此，建立探测系统，对油田区进行监测和管理，特别是对石油污染所发生的位置、溢油量和扩散趋势等的监测尤为重要。　　在国家自然科学基金、“863”计划等的资助下，东北师范大学城市与环境科学学院教授盛连喜带领的课题组以偏振度作为偏振光遥感的定量指标，在近红外波段对不同含水量和含油量的土壤进行偏振光谱测量，为今后利用偏振光遥感监测土壤石油污染的应用打下基础。这一成果发表在《科学通报》2008年第23期上。　　难以避免的石油土壤污染　　石油对土壤的污染主要表现为：破坏土壤的结构和透水性。石油污染物还会与土壤中有效的氮、磷、钾发生反应，破坏土壤的肥力。尽管采取了一系列措施，但在石油的生产、加工、运输各个环节，都有可能发生泄漏溢出事故，石油污染物对土壤的污染难以避免。　　“石油开采时可能产生的泄漏或溢油现象造成的落地油污染，可使土壤的环境容量逐年减少 在气田开发时，钻井过程中产生废弃泥浆，如果没有泥浆坑，废弃的钻井泥浆就会被排放到土壤中，造成污染。”盛连喜说。　　盛连喜解释说，如果在原油开采过程中发生井喷等事故，可能使大量石油烃类直接进入土壤。另外，石油管线和采油井的井口设备如果发生跑冒滴漏，也有一些石油泄漏到地面。石油及其产品在运输、使用和贮存过程中的渗漏、溢油现象时有发生，会造成石油烃类直接进入土壤。而石油及其产品在运输、使用和贮存过程中的渗漏、溢油现象同样会对土壤造成危害。　　“当石油渗透进入土壤后，如果植物吸收了石油，会破坏植物的新陈代谢过程，或阻断植物需要的水分和养料，从而使植物死亡，植被遭到破坏。而且被石油污染物污染的土壤在几年甚至几十年内都会丧失农耕和畜牧的功能。石油还可能通过进入食物链影响人体健康。另外，油气会从地表挥发至大气，表现为油气挥发物，被太阳紫外线照射后，可能与其他有害气体发生物理化学反应，生成光化学烟雾，产生致癌物和温室效应，破坏臭氧层等。”盛连喜说。　　既然污染难以杜绝，作为及时了解石油开采所在区域的环境质量状况，包括大气环境质量、水体和土壤环境质量状况，发现油气田生产中环境问题的有效手段，环境监测就变得至关重要。　　“尤其是对土壤污染的监测，关系到周边地区的生态环境安全、食品安全问题，不容忽视。”盛连喜说。　　大有可为的偏振遥感　　目前，在石油开采区域最常用的环境监测方法是现场采样实验室分析监测，也有些地方开展了航空和遥感监测。　　盛连喜指出，常规的土壤石油污染监测方法是从野外取样带回实验室分析，由于事前对污染范围及污染程度的了解有局限性，监测过程不仅费时而且耗费大量人力、物力和财力，结果却往往不够全面准确，只能对采样点局部进行评价和估量。如何对土壤石油污染范围及程度进行定量定位的测量，有效节省工作时间和经费，提高环境污染监测的准确性成为一个重要的科学问题。　　在苦苦寻找解决办法的时候，电磁波的一个重要特征——偏振，引起了盛连喜的关注。　　偏振在微波谱段称为极化。地球表面和大气中的目标在反射、散射、透射及发射电磁辐射的过程中，会产生由它们自身性质决定的特征偏振，即偏振特性中蕴涵着目标的各种信息。　　“偏振遥感正是利用这一特征为遥感目标提供新的、潜在的信息。”盛连喜说，“与其他遥感技术比较，偏振光的特性使其在遥感中能够解决许多实际问题。使用偏振信息不仅能够更准确地定位土壤石油污染的范围和程度，并可反演相应地物目标的结构、化学成分、水分含量等多方面信息，甚至了解造成污染油井的年龄，因此具有非常广阔的应用前景。”　　目前，盛连喜课题组对污染土壤偏振光遥感的监测主要研究方向是在不同湿度条件下鉴别石油种类，并进一步确定湿度条件影响的曲线临界值。重点研究土壤中受到石油污染的范围和程度，为研究土壤的石油环境容量、控制石油污染提供依据。　　该课题组以吉林省松原油田原油和当地典型表层土壤为实验原料，在实验室内对4个水平的含油量、3个水平的含水量土壤样品在近红外波段进行了多角度探测模拟实验。又在室外实地测量了各种条件下的石油污染土壤与清洁土壤的偏振度值。他们发现，当土壤含水量较低时，土壤表面反射光的偏振度会随土壤中石油含量的增加而增大 当土壤含水量较高时，土壤表面反射光的偏振度会随土壤中石油含量的增加而降低。　　事实上，盛连喜所在的偏振实验室已经通过几年的工作，对黄土、黑土、红土等土壤类型的基础偏振反射特性进行了测量和研究，接下来的工作是通过多因素的模拟正交实验，为更广泛地应用偏振特性进行石油的土壤污染监测提供科学依据。　　盛连喜指出，不同土壤类型的临界值会因土壤有机质含量、机械组成等因素的不同而不同，对偏振光的测量带来难度。这也是他们今后工作中需要重点研究的问题。

4月16日2时16分，大气环境监测卫星在太原卫星发射中心成功发射。卫星上装载了中科院合肥研究院安光所自主研发的三台载荷——紫外高光谱大气成分探测仪EMI、多角度偏振成像仪DPC、高精度偏振扫描仪POSP。图片来源：新华社（郑斌摄）大气环境监测卫星是国家民用空间基础设施首批启动的综合探测卫星，由国家生态环境部牵头、中国航天科技集团有限公司八院抓总研制，是国家民用空间基础设施中长期发展规划中的科研卫星，也是世界首颗具备二氧化碳激光探测能力的卫星。它装载了包括EMI、DPC、POSP在内的五台遥感仪器，国际上首次采用了主被动结合、多手段综合的探测体制，能够大幅提升全球碳监测和大气污染监测能力。卫星在轨应用后将显著提升生态环境、气象和农业等多领域定量遥感服务能力，助力我国实现碳中和与碳达峰、生态文明建设等国家战略，推动航天强国建设。EMI仪器具有2600千米观测幅宽，最小可探测光谱波长间隔0.6纳米，通过对多种气体吸收光谱“指纹”信息的准确识别，可实现单日覆盖全球，对二氧化氮、二氧化硫、臭氧和甲醛等污染气体开展监测。DPC仪器获取的全球大气气溶胶和云的时空分布信息和POSP仪器通过穿轨扫描获取的高精度大气气溶胶参数，在国际上首次实现了DPC和POSP 的“偏振交火”探测方案，可实现对PM2.5、灰霾等颗粒物污染的定量观测，以满足全球气候变化研究、大气环境监测、遥感数据高精度大气校正等应用需求。此次合肥研究院承担的大气环境监测卫星载荷于2021年3月完成正样交付，2022年2月大气环境监测卫星试验队进入发射场以来，不辱使命，奋力攻关，圆满完成了发射前各阶段测试任务。大气环境监测卫星的成功发射和在轨应用标志着我国在大气遥感领域达到国际领先水平。载荷开机运行后，将与2021年9月发射的“高光谱观测卫星”组网运行，增加我国大气环境卫星观测频次，提高重访能力和全球覆盖能力，为我国实现减污降碳协同增效、建设美丽中国的目标提供有力支撑。