新突破！水中甲烷檢測靈敏度提升500多倍

近期，中國科學院合肥物質科學研究院智能所研究員陳池來團隊在深海探測領域取得新突破——在前期深海質譜研究基礎上，將水體溶解甲烷檢測靈敏度提升500多倍，達到海洋及湖泊本底溶解甲烷檢測水平，實現了從溶解甲烷異常事件監測到背景甲烷長期監測的跨越。相關技術已申請國家發明專利，研究成果日前發表于學術期刊《塔蘭塔》。

“智微號”深海質譜儀搭乘中繼器開展海試作業。中國科學院合肥物質院智能所供圖

甲烷作為僅次于二氧化碳的第二大溫室氣體，其排放對全球氣候變化具有重要影響。每年從海洋、湖泊等水生態系統中排放的甲烷占全球總量的約53%，因此，有效監測海洋甲烷向大氣的排放通量至關重要。此外，甲烷還是天然氣水合物的主要成分，這種新型清潔能源被視為21世紀最具潛力的能源之一。因此，海洋甲烷監測對于海洋環境感知、甲烷異常區域發現、海洋能源勘探、海洋科學研究等均具有重要價值。

由于海洋中的甲烷濃度低、變化大等特點，當前對海洋溶解甲烷的檢測數據仍然很少，對海洋甲烷通量的估計還存在很大的不確定性。深海質譜儀是實現海洋溶解氣快速檢測的重要海洋裝備，因其檢測靈敏度有限，也只能對特定區域或異常事件進行檢測。

2023年，陳池來團隊研制出一款名為“智微號”深海質譜儀，并在南海某海域成功完成多次海試，獲得了海洋廓線重要溶解氣信息。在前期工作基礎上，為進一步提高檢測靈敏度，團隊針對樣本水氣高、檢測儀器空間有限等問題，研制出小體積、低功耗的在線除水系統，同時優化進樣氣路設計，成功將其集成安裝于智微號深海質譜儀中。這一改進在維持目標檢測氣體高滲透通量的同時，將質譜儀的真空度提升超過2個數量級，對甲烷的檢測限從高于16納摩/升降低至0.03納摩/升，提升了超過500倍，達到深海及湖泊等水域甲烷本底信號檢測的水平，有望實現海洋溶解甲烷的無差別監測。

據了解，研究團隊下一步將基于該技術開展大空間、寬時間范圍內本底甲烷的原位檢測研究，以及H₂、He等有指向性的極低濃度氣體原位檢測研究。該研究工作為進一步實現甲烷通量計算、全球氣候研究、羽流尋跡、冷泉發現等提供了重要技術基礎。