檢測(cè)VOCs用便攜式氣相色譜儀的研發(fā)

李建浩，杜明雨

[朗析儀器(上海)有限公司，上海 201707]

1 概 述

揮發(fā)性有機(jī)化合物(Volatile organic compounds)常指活潑的一類(lèi)揮發(fā)性有機(jī)物，簡(jiǎn)稱(chēng)VOCs，包括人為的化合物和自然產(chǎn)生的，種類(lèi)眾多，且極不穩(wěn)定，通常以蒸氣的形式存在于我們身邊。這些極易揮發(fā)的有機(jī)物通常沒(méi)有急性毒性，但在一個(gè)較長(zhǎng)的周期內(nèi)對(duì)健康是有影響的，由于濃度通常都是很低的(含量10-9級(jí)別)，癥狀發(fā)展也是非常緩慢的，因此，對(duì)揮發(fā)性有機(jī)化合物的檢測(cè)分析研究是非常困難的。

目前檢測(cè)這類(lèi)揮發(fā)性有機(jī)化合物采取的方式是人工攜帶采樣瓶或者吸附管(活性炭、GDX-103)去采樣點(diǎn)收集樣品，采樣結(jié)束后，再攜帶收集到的樣品采樣瓶或者吸附管(活性炭、GDX-103)返回至實(shí)驗(yàn)室，最后，借助氣相色譜儀分析檢測(cè)。此種分析方式既復(fù)雜又耗時(shí)耗力。

針對(duì)目前市場(chǎng)上存在的這種情況，研發(fā)設(shè)計(jì)出一種檢測(cè)VOCs用便攜式氣相色譜儀，將現(xiàn)場(chǎng)取樣和實(shí)驗(yàn)室分析測(cè)定集成一體，且現(xiàn)場(chǎng)不需要額外的引入AC 220、50 Hz的電源，其內(nèi)置DC 24電池，可持續(xù)供電12 h，操作簡(jiǎn)單，一鍵式啟動(dòng)，5 min內(nèi)即可檢測(cè)出苯、甲苯、氯苯、間二甲苯、對(duì)二甲苯、鄰二甲苯等組分?jǐn)?shù)據(jù)，且各個(gè)組分定性定量準(zhǔn)確，靈敏度可達(dá)10-9級(jí)別。

2 便攜式氣相色譜儀的設(shè)計(jì)

便攜式氣相色譜儀體積小、質(zhì)量輕，整機(jī)重量?jī)H有20 kg，便于攜帶，操作簡(jiǎn)單，人性化設(shè)計(jì)，一鍵式啟動(dòng)，未曾使用過(guò)此款便攜式氣相色譜儀的技術(shù)人員無(wú)需經(jīng)過(guò)過(guò)多培訓(xùn)，即可快速掌握。

目前市場(chǎng)上的便攜式氣相色譜儀在使用時(shí)均需要額外引入AC 220、50 Hz的電源，且需要增加氣瓶輔助備件等，操作繁瑣，實(shí)現(xiàn)不了真正意義上的便攜。經(jīng)過(guò)周密的市場(chǎng)調(diào)研以及后期不斷地增加研究投入開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)了將色譜儀的主機(jī)、顯示屏、分析工作站、氣源、電源、電腦等部件全部集成到一個(gè)高強(qiáng)度的風(fēng)暴箱內(nèi)，抗跌落高度達(dá)2.0 m以上，便于攜帶至現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行快速和靈活的分析，達(dá)到了真正意義上的便攜。

2.1 電路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

便攜式色譜儀的電源通常分為儀器主機(jī)電源、電腦電源、自動(dòng)切換閥電源、采樣泵電源、數(shù)據(jù)主板電源、信號(hào)板電源、溫控板電源等，現(xiàn)通過(guò)設(shè)計(jì)將上述電源全部轉(zhuǎn)換為DC 24V，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，可持續(xù)供電12 h，原理示意圖見(jiàn)圖1。

1.DC 24電池；2.主機(jī)電源；3.電腦電源；4.自動(dòng)切換閥電源；5.采樣泵電源；6.數(shù)據(jù)主板電源；7.信號(hào)板電源；8.溫控板電源

2.2 氣路流程系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

檢測(cè)VOCs用便攜式氣相色譜儀采用內(nèi)置采樣泵，配合自動(dòng)切換閥自動(dòng)采樣分析，苯、甲苯、氯苯、間二甲苯、對(duì)二甲苯、鄰二甲苯等組分含量通過(guò)高靈敏度的氫火焰離子化檢測(cè)器(FID)測(cè)定，詳細(xì)原理示意圖見(jiàn)圖2。

1.載氣儲(chǔ)氣罐；2.載氣減壓閥；3.樣品取樣管道進(jìn)口端；4.除濕除塵裝置；5.定量環(huán)；6.采樣泵；7.自動(dòng)切換六通閥；8.色譜柱；9.氫火焰離子化檢測(cè)器(FID)

色譜柱8采用高分子聚合物色譜柱，氫火焰離子化檢測(cè)器屬于質(zhì)量型檢測(cè)器，具有靈敏度高、線性范圍寬的特點(diǎn)，對(duì)操作條件變化相對(duì)不敏感，穩(wěn)定性好，特別適合苯、甲苯、氯苯、間二甲苯、對(duì)二甲苯、鄰二甲苯等微量組分的常規(guī)分析。

載氣儲(chǔ)氣罐1的載氣通過(guò)載氣減壓閥2減壓后，經(jīng)氣路連接管道連接至自動(dòng)切換六通閥7的5號(hào)接口。

樣品取樣管道進(jìn)口端3通過(guò)氣路連接管道與除濕除塵裝置4的進(jìn)口端連接，樣品經(jīng)過(guò)除濕除塵后通過(guò)氣路管道與自動(dòng)切換六通閥7的1號(hào)接口連接，自動(dòng)切換六通閥7的6號(hào)接口與3號(hào)接口通過(guò)氣路管道連接，定量環(huán)5設(shè)置在該段氣路管道上，自動(dòng)切換六通閥7的2號(hào)接口通過(guò)氣路管道與采樣泵連接，自動(dòng)切換六通閥7的4號(hào)接口通過(guò)氣路管道與色譜柱8的進(jìn)氣口連接，色譜柱8出氣口通過(guò)氣路連接管道與氫火焰離子化檢測(cè)器9連接。

3 便攜式氣相色譜儀的原理

檢測(cè)VOCs用便攜式氣相色譜儀采用內(nèi)置DC 24V電池，在采樣現(xiàn)場(chǎng)不再額外引入AC 220、50 Hz的電源，操作簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)了真正意義上的便攜。

通過(guò)設(shè)置在取樣系統(tǒng)中的采樣泵抽取一定量的樣品，且抽取的樣品經(jīng)過(guò)除濕除塵裝置后，再進(jìn)入便攜式氣相色譜儀中，有效地避免了樣品中含水與固體顆粒堵塞取樣系統(tǒng)的問(wèn)題。

當(dāng)樣品充滿定量環(huán)5之后，載氣攜帶定量環(huán)5中的樣品進(jìn)入色譜柱8，樣品中的苯、甲苯、氯苯、間二甲苯、對(duì)二甲苯、鄰二甲苯等組分經(jīng)過(guò)色譜柱8分離后，最后由氫火焰離子化檢測(cè)器9測(cè)出，詳細(xì)原理示意圖見(jiàn)圖3。

圖3 分析檢測(cè)示意圖

4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與色譜譜圖

在同一檢測(cè)分析條件下，連續(xù)進(jìn)表1中的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)對(duì)該款便攜式氣相色譜儀精密度進(jìn)行定性定量驗(yàn)證。

圖4 朗析儀器LX-3100氣相色譜儀

表1 標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)濃度

4.1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

同一實(shí)驗(yàn)條件下，連續(xù)進(jìn)7次表1中的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，其定性與定量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)詳見(jiàn)表2、表3，表2中為組分的出峰時(shí)間，表3中為組分的峰高。

表2 連續(xù)7次定性實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

表3 連續(xù)7次定量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

4.2 色譜譜圖

采用上述的設(shè)計(jì)思路，運(yùn)用我司研制的專(zhuān)用便攜式氣相色譜儀檢測(cè)揮發(fā)性有機(jī)化合物(Volatile organic compounds)中的苯、甲苯、氯苯、間二甲苯、對(duì)二甲苯、鄰二甲苯等組分，可以實(shí)現(xiàn)一次進(jìn)樣，5 min為一分析周期，快速實(shí)現(xiàn)上述組分的全分析，其色譜譜圖詳見(jiàn)圖5。

圖5 朗析儀器LX-3100色譜譜圖

4.3 最小檢測(cè)濃度

最小檢測(cè)濃度(D)，單位10-6，噪聲為N，單位為PA，具體數(shù)值詳見(jiàn)圖6。峰高為H，單位為PA,標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)濃度為C，單位10-6，依據(jù)D=2N·C/H可計(jì)算出分析檢測(cè)的揮發(fā)性有機(jī)化合物(Volatile organic compounds)中的雜質(zhì)組分最小檢測(cè)濃度，各個(gè)組分?jǐn)?shù)值詳見(jiàn)表4。

表4 最小檢測(cè)濃度實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖6 朗析儀器LX-3100噪聲

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證采用內(nèi)置采樣泵和DC 24電池的便攜式氣相色譜儀，并配合高靈敏度的氫火焰離子化檢測(cè)器，在分析周期5 min內(nèi)可完成揮發(fā)性有機(jī)化合物(Volatile organic compounds)中的苯、甲苯、氯苯、間二甲苯、對(duì)二甲苯、鄰二甲苯等組分的全分析，定性RSD在0.3%以?xún)?nèi)，定量RSD在3%以?xún)?nèi)，組分分離度R均大于等于1.5，最小檢測(cè)濃度可達(dá)10-9級(jí)別。操作簡(jiǎn)單，人性化設(shè)計(jì)，一切從使用者角度考慮，做到了真正意義上的便攜。