關(guān)于氣相色譜法在環(huán)境保護(hù)和環(huán)境監(jiān)測(cè)中的運(yùn)用

李 曉

（山東省日照生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心，山東 日照 276827）

0 引言

氣相色譜法是一種較為先進(jìn)的檢測(cè)方法，現(xiàn)廣泛應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域。在環(huán)境監(jiān)測(cè)中使用氣相色譜法，可以精確而細(xì)致地探測(cè)空氣中酸性化合物等物質(zhì)的含量，其最終結(jié)果為更好地改善環(huán)境污染提供了更多解決方案?？紤]到環(huán)境中VOCs (volatile organic compounds，揮發(fā)性有機(jī)物）的濃度非常低，分析和測(cè)試難度較高，目前，氣相色譜法采用通過抽樣泵吸入VOCs 的方法，將其密封并送往實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行分析，例如，環(huán)境保護(hù)署建議使用氟乙烯（Tedlar）包收集大氣中的VOCs[1-2]。使用收集包法收集VOCs 價(jià)格較低，還可以多次使用，但在操作過程中具有非常容易受到污染、樣品儲(chǔ)存時(shí)間較短等缺點(diǎn)，并且往往會(huì)含有上次分析的殘留物質(zhì)。

1 相關(guān)理論基礎(chǔ)

1.1 氣相色譜法介紹

氣相色譜法是一種應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測(cè)的常用方法，這一方法具有簡(jiǎn)單、靈敏、選擇性強(qiáng)等特點(diǎn)，與許多技術(shù)人員普遍采用的其他環(huán)境監(jiān)測(cè)方法相比，更便于實(shí)際操作。

氣相色譜法的主要特點(diǎn)是，其可以將某些化合物轉(zhuǎn)換成另一種更容易探測(cè)的化合物，然后對(duì)其進(jìn)行定量分析，使監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)更加精確，從而有效提高色譜監(jiān)測(cè)的效率，確保監(jiān)測(cè)的選擇性和敏感性。

1.2 環(huán)境大氣VOCs 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)原理

環(huán)境大氣VOCs 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)根據(jù)熱壓減壓法開發(fā)制成，主要由熱減壓、氣相色譜和數(shù)據(jù)處理部分組成。其具體工作程序可以分為三個(gè)階段:

第一步：VOCs 富集。氣相色譜儀的熱脫附裝置具有吸附管(內(nèi)填吸附劑)、冷阱(內(nèi)填吸附劑)兩級(jí)結(jié)構(gòu)，首先使用氮和高溫清洗吸附管和冷阱中的雜質(zhì)，并對(duì)空氣收集采樣；然后將其進(jìn)行冷卻至室溫；最后，再次加熱使VOCs 回到了由氣體驅(qū)動(dòng)的氣相色譜儀中。

第二步：VOCs 檢測(cè)。VOCs 進(jìn)入色譜柱后，由于不同種類的VOCs 具有不同物理特性，還會(huì)有氣體和液體狀態(tài)。因此，VOCs 的不同成分可以通過特定的長(zhǎng)列色譜儀分離，然后按色譜順序傳遞給探測(cè)器。

第三步：VOCs 數(shù)據(jù)處理。探測(cè)器上的數(shù)字信號(hào)將被傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中，最終處理得到色譜圖，再通過計(jì)算機(jī)的多個(gè)數(shù)據(jù)處理算法分析色譜圖，最終獲得VOCs 分子濃度。

1.3 氣相色譜法的特點(diǎn)

1.3.1 穩(wěn)定性較高

氣相色譜法是一種先進(jìn)、有效的監(jiān)測(cè)方法，可以大幅改善一些實(shí)驗(yàn)樣本的特性，例如，高溫下穩(wěn)定性較低的實(shí)驗(yàn)樣品，為使其能被更好地應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)，可以將其變成高溫時(shí)穩(wěn)定性較高的熱穩(wěn)定耦合樣品[3]。

1.3.2 環(huán)保性較高

氣相色譜法是一種極具優(yōu)越性的監(jiān)測(cè)方法，自從此方法被發(fā)明以來，其在環(huán)境監(jiān)測(cè)方面發(fā)揮了重要作用。利用氣相色譜法，可以更加綠色、高效地進(jìn)行環(huán)境監(jiān)測(cè)。例如，當(dāng)空氣中的污染物質(zhì)轉(zhuǎn)化為更易揮發(fā)的化學(xué)成分后，利用氣相色譜法可以對(duì)其清潔有效地回收，并大幅度提高加工效果，這是傳統(tǒng)回收監(jiān)測(cè)方法無法做到的，因此氣相色譜儀可以廣泛傳播。

2 氣相色譜法在環(huán)境監(jiān)測(cè)當(dāng)中的應(yīng)用分析

氣相色譜法是一種有效而精確的監(jiān)測(cè)方法，與過去的環(huán)境檢測(cè)方法截然不同。氣相色譜法可以在幾個(gè)不同的環(huán)境中進(jìn)行成分分析，這也是此項(xiàng)技術(shù)可以被廣泛傳播的主要原因之一。因?yàn)闅庀嗌V法操作簡(jiǎn)單，檢測(cè)快速，推動(dòng)這項(xiàng)技術(shù)能夠更廣泛地用于環(huán)境監(jiān)測(cè)，包括監(jiān)測(cè)水中的各種有機(jī)污染物等。此外，氣相色譜法還可以用來監(jiān)測(cè)大氣和土壤污染，在環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域發(fā)揮出巨大作用。

2.1 VOCs 重疊峰的數(shù)學(xué)描述

在進(jìn)行VOCs 重疊峰解析之前，必須選擇一個(gè)合適的數(shù)學(xué)模型來描述其特性，并遵循一個(gè)沒有足夠參數(shù)和適應(yīng)性的選擇原則。由于VOCs 顏色光譜的形狀與高斯分布相匹配，因此可以選擇高斯函數(shù)來描述VOCs 重疊峰。

2.2 氣相色譜法在監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用分析

烷梭酸、丙烯酞胺具有可溶性較高的特點(diǎn)，因此，須使用分離方法來監(jiān)測(cè)大氣中這兩種物質(zhì)的濃度。使用氣相色譜法進(jìn)行監(jiān)測(cè)不僅可以提高分離效率，還可以精確地控制大氣中兩種物質(zhì)的濃度[4]。

2.3 在大氣監(jiān)測(cè)檢驗(yàn)當(dāng)中的具體應(yīng)用

氣相色譜法應(yīng)用廣泛，不僅可以用于水環(huán)境監(jiān)測(cè)，其中還擁有可以用于空氣監(jiān)測(cè)的技術(shù)成分。該方法的應(yīng)用不僅減少了人力成本，還能降低物質(zhì)和能量的損失，并且獲得更準(zhǔn)確的評(píng)估結(jié)果。

2.4 氣相色譜在土壤監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

隨著現(xiàn)代農(nóng)業(yè)技術(shù)的不斷應(yīng)用，大量農(nóng)藥也被選用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，這些農(nóng)藥對(duì)土壤環(huán)境破壞很大。使用氣相色譜法可以提高監(jiān)測(cè)效率，在很大程度上防止了土壤中殺蟲劑的濫用，有助于減少土壤污染，并為制定適當(dāng)?shù)奶镩g管理措施提供了必要依據(jù)。

2.5 應(yīng)用導(dǎo)數(shù)法和曲線擬合法處理空氣VOCs 譜圖

2.5.1 導(dǎo)數(shù)法對(duì)空氣VOCs 譜圖識(shí)別

根據(jù)導(dǎo)數(shù)方法，對(duì)VOCs 空氣樣本進(jìn)行光譜識(shí)別，可以精確地識(shí)別出單峰峰值。

2.5.2 最小二乘法曲線擬合VOCs 色譜峰

Origin 是由OriginLab 公司開發(fā)的數(shù)據(jù)處理軟件，主要功能為數(shù)據(jù)分析處理，包括信號(hào)處理、峰值分析、曲線適應(yīng)等，本文使用“Peak Analyzer”函數(shù)來計(jì)算大氣中VOCs 的頂點(diǎn)和峰值覆蓋面積，并將其與算法頂點(diǎn)大小進(jìn)行比較，以驗(yàn)證算法的真實(shí)性。實(shí)際驗(yàn)證可以得出，算法偏離頂點(diǎn)不超過4%，因此，該方法可以用來確定VOCs 光譜中的色譜峰值。

2.6 氣相色譜法應(yīng)用須知

氣相色譜（gas chromatography，簡(jiǎn)稱GC）是20 世紀(jì)50 年代出現(xiàn)的一項(xiàng)重要科學(xué)技術(shù)，其廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國(guó)防、建筑、科學(xué)研究。氣相色譜法可以對(duì)氣體和固體進(jìn)行分離，例如，使用惰性材料可以在純乙烯中分離和測(cè)量甲烷、乙炔、丙烯的混合物含量。由于樣品通過氣體快速傳輸，組件可以在移動(dòng)階段和固定階段間實(shí)現(xiàn)平衡。近年來，氣相色譜法引入了具有更高靈敏度的探測(cè)器，使其具有更大的分析優(yōu)勢(shì)、便于廣泛應(yīng)用。使用氣相色譜法進(jìn)行環(huán)境監(jiān)測(cè)時(shí)，要確保監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的真實(shí)性和準(zhǔn)確性。

首先，使用者須知試劑具有一定的普遍可用性，因此其可以保證監(jiān)測(cè)和分析的順利進(jìn)行。

其次，監(jiān)測(cè)時(shí)須選擇容易控制、性質(zhì)溫和的化學(xué)品，避免引起排斥或副作用。

最后，在監(jiān)測(cè)過程中，應(yīng)結(jié)合實(shí)際需求，以確保監(jiān)測(cè)效率、避免污染。

3 結(jié)論

當(dāng)前，許多國(guó)家面臨著環(huán)境管理和研究問題，特別是在環(huán)境監(jiān)測(cè)方面，我國(guó)許多專家已加強(qiáng)對(duì)這一問題的研究工作，以便為改善環(huán)境污染提供更多的解決方案。本文為識(shí)別VOCs 彩色圖中的光譜峰值提供了正確算法，通過導(dǎo)數(shù)來確定色譜峰值，精確識(shí)別光譜頂點(diǎn)特征，并合理計(jì)算峰值面積。