便攜式傅立葉紅外光譜儀在大氣污染應急監(jiān)測中的應用

王祥炳 黃曉容 劉先良

【摘要】傅立葉紅外光譜儀廣泛用于不同形態(tài)物質(zhì)的定性定量檢測，并且逐漸被應用于環(huán)境保護領域。本文基于ALPHA 型傅立葉變換紅外光譜儀和OPUS圖譜解析軟件的研究，探索突發(fā)環(huán)境應急事件中應用便攜式傅立葉紅外光譜儀監(jiān)測氣態(tài)污染物的方法。

【關鍵詞】傅立葉紅外光譜儀；氣態(tài)污染物；應急監(jiān)測

傅立葉變換紅外光譜儀（Fourier Transform Infrared Spectrometer）是基于對干涉后的紅外光進行傅里葉變換的原理而開發(fā)的紅外光譜儀，主要由紅外光源、光柵、干涉儀（分束器、動鏡、定鏡）、樣品室、檢測器等組成，可以對各類檢測樣品進行定性定量分析，廣泛應用于石油化工、反恐與安保、地質(zhì)礦產(chǎn)、消防安全與火災研究、環(huán)境保護、寶石鑒定等領域。突發(fā)環(huán)境事件是指由于污染物排放、自然災害或者生產(chǎn)安全事故等因素，導致有毒有害物質(zhì)進入大氣、水體、土壤等環(huán)境介質(zhì)，危及公眾生命財產(chǎn)安全，并造成生態(tài)環(huán)境破壞且具有重大社會影響，需要采取緊急措施予以應對的事件，主要包括大氣污染、水體污染、土壤污染等突發(fā)性環(huán)境污染事件。環(huán)境應急監(jiān)測是突發(fā)環(huán)境事件應急處置以及后續(xù)恢復處理過程中的基礎工作，是做好突發(fā)環(huán)境事件處置的前提和關鍵。監(jiān)測方法的選擇對于快速準確獲得可靠環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)，及時正確制定突發(fā)環(huán)境事件的處置決策有重要意義。便攜式傅立葉紅外光譜儀具有迅速、便攜、和易使用的特點，因此開發(fā)研究便攜式傅立葉紅外光譜儀快速檢測氣態(tài)污染物的方法對大氣環(huán)境應急監(jiān)測工作有重要意義。

1、便攜式傅立葉紅外光譜儀的基本原理和結構

紅外線是波長介于可見光和微波之間的一段電磁波。通常將紅外光譜分為三個區(qū)域：近紅外區(qū)（0.75～2.5μm）、中紅外區(qū)（2.5～25μm）和遠紅外區(qū)（25～300μm）。一般說來，近紅外光譜是由分子的倍頻、合頻產(chǎn)生的；中紅外光譜屬于分子的基頻振動光譜；遠紅外光譜則屬于分子的轉(zhuǎn)動光譜和某些基團的振動光譜。由于絕大多數(shù)有機物和無機物的基頻吸收帶都出現(xiàn)在中紅外區(qū)，因此中紅外區(qū)是研究和應用最多的區(qū)域，資料最全面，技術最為成熟。通常所說的紅外光譜即指中紅外光譜，它能很好地反映分子內(nèi)部所進行的各種物理過程以及分子結構方面的特征，對研究分子結構和化學組成極為有用。

傅立葉變換紅外光譜儀是根據(jù)光的相干性原理設計的一種干涉型光譜儀，它主要由光源（S），動鏡（MM），定鏡（FM），檢測器（D），分束器（BMS），計算機和數(shù)據(jù)處理軟件以及數(shù)據(jù)庫組成。光源發(fā)出的光經(jīng)過干涉儀后形成干涉光，干涉光與樣品發(fā)生相互作用（吸收）透射、反射或發(fā)光被檢測器收集經(jīng)過數(shù)據(jù)處理（包括傅里葉變換、光譜解析與分析、數(shù)據(jù)存儲等）得到該種被測物的信息，如化學成分、分子構成或物相變化、動力學過程或主成分含量等。

光譜儀裝配的是一個寬帶光源，能產(chǎn)生連續(xù)的、無限數(shù)目波長的光束，干涉圖是連續(xù)的總和，是每個波長下干涉圖的總和，結果以強度對光程差表示。當光程差為0時，所有波長下的干涉圖全部相加得到最強信號。當光程差2?x為λ/2的整數(shù)倍時，產(chǎn)生彼此完全抵消效應，檢測到的信號最弱。當光程差增大時，不同波長下的干涉圖有不同程度的相互抵消，因此干涉圖的強度隨著光程差變化。對一個寬帶光源，除了在零光程差位置所有干涉圖的相位不會同時相同。因此只能在零光程差時有最大的信號，這個信號最大值被稱為“中心爆炸”。強度對頻率的關系圖成為光譜圖，可以通過對光程差信號的傅立葉變換得到。單色光的余弦干涉波形式非常有用，因為它給出對動鏡很精確的追蹤。所有傅立葉變換紅外光譜儀都使用He-Ne激光發(fā)射的單色光對動鏡定位。在激光干涉圖經(jīng)過零位時，采集紅外數(shù)據(jù)點，得到紅外干涉圖。

2.便攜式傅立葉紅外光譜儀的優(yōu)點

從傅立葉變換紅外光譜儀發(fā)明到現(xiàn)在，性能己經(jīng)有較大的發(fā)展。一方面朝著更強大的綜合檢測性能和更高的精度邁進，另一方面是要開發(fā)更為簡便易操作的人機交互平臺，向體積更小更便攜的方向發(fā)展。相對于普通光柵色散型紅外檢測設備，傅立葉紅外光譜儀具有以下幾個特點：

（1）傅立葉變換紅外光譜儀的掃描速度較之普通光柵色散型設備快數(shù)百倍，而且在任何測量時間內(nèi)都能獲得輻射源的所有頻率的全部信息，可以實現(xiàn)“多路傳輸”。

（2）傅里葉變換紅外光譜儀有多檔分辨率值供用戶據(jù)實際需要選用，且分辨率高，在相同的總測量時間和相同的分辨率條件下，相比光柵色散型光譜設備，傅立葉變換紅外光譜法的信噪比可以提高一個數(shù)量級。

（3）傅里葉變換紅外光譜儀波數(shù)精度高。干涉圖的取樣間隔δx，由HeNe激光單色光所決定，是激光干涉圖相鄰兩個零點位置之間距離決定。所得譜圖點之間的間隔與δx成反比，因此FT-IR光譜儀具有波數(shù)精度高的優(yōu)點，一般為百分之幾個波數(shù)。

（4） 傅里葉變換紅外光譜儀使用的圓形孔徑比色散型光譜儀用的夾縫面積大的多，因此可以使更多光通量通過。在光柵型光譜儀中，光譜S（ν）直接被測量，直接記錄連續(xù)的、狹窄的波長范圍內(nèi)的強度得到紅外光譜圖。而在傅里葉變換紅外光譜儀中，所有從IR光源發(fā)出的波長同時被檢測器檢測。這意味著FT光譜儀比色散型光譜儀的信噪比高了10倍多。

在突發(fā)大氣環(huán)境應急事件中要能夠做到隨時就地監(jiān)測，儀器必須對野外環(huán)境溫濕度變化以及各種復雜情況有較強化學耐受性，同時儀器必須具有足夠的機械穩(wěn)定性及耐受性以利于進行長途運輸，在惡劣的外部測試環(huán)境下，要保證數(shù)據(jù)的準確度和精密度，便攜式光譜儀的光源必須能在被移動過程中或機械震動下仍能夠保持原來的方向不變。

3.ALPHA型傅立葉變換紅外光譜儀的在氣態(tài)污染應急監(jiān)測中的應用

ALPHA型傅立葉變換紅外光譜儀由德國布魯克（Bruker）光譜儀器公司生產(chǎn)，用于高溫、濕熱、帶腐蝕性的氣態(tài)污染物測試，直接采樣、定性、定量分析，能進行現(xiàn)場48小時以上連續(xù)監(jiān)測，無需值守。配置外置泵導管，最終用戶可外接自配的外置泵后能進行應急監(jiān)測現(xiàn)場的環(huán)境空氣快速監(jiān)測，無需預濃縮等前處理直接連續(xù)采樣，實時分析。德國布魯克（Bruker）光譜儀器公司對傳統(tǒng)的邁克爾遜干涉儀進行較大的改進，出產(chǎn)了RockSolidTM專利干涉儀，具有三維立體角鏡，該干涉儀通過角鏡旋轉(zhuǎn)補償保持光路準直，能保證入射光和反射光永遠保持平行，抗震性極強；ZnSe分束器適于野外潮濕的環(huán)境工作。掃描速度可達到10次/秒。檢測器采用DigiTectTM技術的高靈敏度的DLATGS，采用集成數(shù)字化的技術，靈敏度更高，無需冷卻即可工作。ALPHA 型傅立葉變換紅外光譜儀能將測試數(shù)據(jù)輸出為多種數(shù)據(jù)格式，如文本格式、JCAMP DX格式、DAT格式、ENVI格式等等。具有多種格式轉(zhuǎn)換功能，可方便地與同行交流，并可與國際權威數(shù)據(jù)庫接口，拓展應用。光譜儀通過Ethernet接口與計算機聯(lián)接，儀器內(nèi)置網(wǎng)絡服務器，具有獨立的IP地址，可進行遠程控制與通訊，光譜儀與計算機之間采用TCP/IP協(xié)議進行通訊，速度快，聯(lián)接方便靈活，支持無線傳輸及遠程通訊。

ALPHA型傅立葉變換紅外光譜儀配有OPUS/Mentor紅外操作數(shù)據(jù)處理軟件，設備在出廠前標定光譜庫包含H2O、CO2、SO2、NO、NO2、N2O、CO、NH3、HF、HCl、CH4、苯、甲苯、乙苯、鄰二甲苯、間二甲苯、對二甲苯、苯乙烯、氯苯、甲醛、乙醛、丙烯醛、光氣、氰化氫、硝基苯、苯胺、環(huán)己胺、乙烷、丙烷等70余種氣態(tài)污染物，可準確定量分析上述污染物。同時光譜分析系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫內(nèi)設多于5000種氣體的參考光譜庫，用于氣體的定性半定量測定。

4. 便攜式傅立葉紅外光譜儀的不足

（1）通常多物質(zhì)混合后的譜圖密集且交疊，光譜會彼此干擾相互影響（如同系物的吸收圖譜，不容易區(qū)分，難以對復雜環(huán)境氣態(tài)污染物進行定性、定量；

（2）在進行未知物（混合物）的鑒別分析時，單憑紅外光譜方法是不夠的，還需要結合其他分析手段，例如GC-MS，這需要操作者一定的經(jīng)驗和技巧；

（3）在日常監(jiān)測過程中常會受到H2O和CO2的干擾，而這兩種物質(zhì)是無處不在的，因此需要預先通過數(shù)據(jù)庫排除這些譜段的檢索來得到更準確的譜圖結果，增加了定量的難度；

（4）不是所有分子都能吸收紅外光，不具有偶極矩的分子不能吸收紅外光如單原子分子（He，Ar，Ne），雙同原子分子（N2，O2，H2），限制了傅立葉紅外光譜的使用范圍。

5.結論

便攜式傅立葉紅外光譜氣體分析儀通過數(shù)據(jù)庫軟件與計算機聯(lián)機使用，可分析SO2、NO、NO2、N2O、CO、NH3等無機氣態(tài)污染物和烷、烯、醛、胺、氯苯類，苯系物等揮發(fā)性有機物，具有使用簡便、測試快速，輕巧便攜等優(yōu)點，可廣泛應用于環(huán)境空氣污染應急監(jiān)測工作，快速篩查大氣中污染物種類，并準確定量標準光譜庫內(nèi)的氣態(tài)污染物，為環(huán)境應急處置決策提供快速準確的技術依據(jù)。

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作者簡介

王祥炳，男，1981.10.13，安徽舒城，漢，碩士研究生，工程師，研究方向：環(huán)境監(jiān)測。