吳 枰

（蓬安縣環(huán)境監(jiān)測(cè)站，四川蓬安，637800）

隨著我國(guó)工業(yè)的快速發(fā)展，有毒有害氣體廣泛存在于各類(lèi)石油、石化、煤炭、市政、消防、冶金、燃?xì)?、醫(yī)藥、電信、電力及食品加工等行業(yè)，排放到生產(chǎn)場(chǎng)所空氣中的有毒氣體不僅直接影響生產(chǎn)工作者的安全與健康，而且危害到周邊居住的居民。除此之外，近年來(lái)，隨著人類(lèi)物質(zhì)水平的提高及居住條件的改善，各種新型室內(nèi)裝飾材料被廣泛應(yīng)用于住房裝修，由此所造成的室內(nèi)空氣污染也變得日益嚴(yán)重，這些有毒氣體會(huì)對(duì)人類(lèi)健康造成巨大危害。因此，為了保障人們的身體健康，必須對(duì)有毒有害氣體的組成、性質(zhì)、濃度進(jìn)行實(shí)時(shí)定性、定量分析檢測(cè)，及時(shí)了解各類(lèi)環(huán)境中有毒氣體的數(shù)據(jù)信息及含量變化趨勢(shì)，對(duì)于避難預(yù)險(xiǎn)、挽救生命具有十分重要的意義，同時(shí)也為工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境、醫(yī)院醫(yī)療環(huán)境及人們的生活居住環(huán)境等環(huán)境監(jiān)測(cè)、環(huán)境管理提供十分重要的數(shù)據(jù)和依據(jù)。

1 有毒氣體概述

有毒氣體，也就是對(duì)人體構(gòu)成危害，使人中毒的氣體，主要分為天然毒氣（一氧化碳、一氧化氮、二氧化硫、硫化氫、氯氣），化學(xué)毒氣（氰化氫、光氣、雙光氣、芥子氣、路易斯毒氣、維克斯毒氣、沙林、畢茲毒氣等），含氯有機(jī)氣體（二氯乙烷、三氯乙烯等）三大類(lèi)。

從對(duì)人體所產(chǎn)生的危害來(lái)分，主要包括呼吸系統(tǒng)麻痹毒氣、神經(jīng)性麻痹毒氣及肌肉麻痹毒氣三種。人們中毒時(shí)通常表現(xiàn)出來(lái)的反應(yīng)為頭暈、惡心、嘔吐、昏迷等，有的毒氣還使人氣管黏膜潰爛，皮膚潰爛。中毒嚴(yán)重者會(huì)導(dǎo)致休克，甚至死亡。

1.1 呼吸系統(tǒng)

在工業(yè)生產(chǎn)場(chǎng)所中，呼吸道最容易接觸有毒氣體，尤其是刺激性毒氣，一旦吸入，輕者引起流涕、噴嚏、呼吸困難等，重者引起胸悶、胸痛、氣急、劇咳（帶有大量粉紅色沫痰）等化學(xué)性肺炎或肺水腫。引發(fā)呼吸系統(tǒng)損傷的有毒氣體包括二氧化硫、氮氧化物、氯氣、氨、光氣等。

1.2 神經(jīng)系統(tǒng)

神經(jīng)系統(tǒng)分為中樞神經(jīng)系統(tǒng)（包括腦和脊髓）和周?chē)窠?jīng)系統(tǒng)（從中樞神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)出，導(dǎo)向人體各部分，分布在頭部的感覺(jué)器官、皮膚、內(nèi)臟等）兩大部分。有毒氣體能夠損害中樞神經(jīng)和周?chē)窠?jīng)，侵犯神經(jīng)系統(tǒng)的有毒物質(zhì)稱(chēng)為“親神經(jīng)性毒物”，可導(dǎo)致神經(jīng)衰弱綜合癥（出現(xiàn)頭痛、頭暈、乏力、情緒失常、睡眠不好、記憶力減退等癥狀）及中毒性腦?。ǔ霈F(xiàn)嗜睡、視力模糊、步態(tài)蹣跚，甚至躁動(dòng)不安等），嚴(yán)重者可造成腦疝而死亡。

2 有毒氣體監(jiān)測(cè)技術(shù)的應(yīng)用

2.1 化學(xué)分析法

有毒氣體最早采用化學(xué)分析法進(jìn)行檢測(cè)分析，眾所周知，這種分析方法是最常規(guī)的分析方法，也是經(jīng)典、傳統(tǒng)分析方法，即通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)采樣，依賴(lài)于特有的化學(xué)反應(yīng)和計(jì)量關(guān)系來(lái)檢測(cè)分析有毒氣體的含量及成分等參數(shù)，主要分為重量分析法及滴定分析法，還包括試樣的處理及一些分離、掩蔽、富集等化學(xué)手段。隨著科技水平的飛速發(fā)展，對(duì)有毒氣體采用化學(xué)分析法這一被動(dòng)監(jiān)測(cè)階段提出了新的要求，不斷向智能化、自動(dòng)化、一體化及在線化方向發(fā)展，同時(shí)與其他分析儀器相結(jié)合進(jìn)行檢測(cè)分析。

2.2 儀器分析法

上世紀(jì)70年代中后期，隨著計(jì)算機(jī)和儀器科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，采用儀器分析法對(duì)有毒氣體進(jìn)行監(jiān)測(cè)迅速得到廣泛應(yīng)用，與此同時(shí)有毒氣體也步入了法律規(guī)定強(qiáng)制監(jiān)測(cè)的自動(dòng)檢測(cè)階段。儀器分析是采用能直接或間接地表征有毒氣體的各種特性，諸如化學(xué)的、物理的及生理性質(zhì)等的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，再通過(guò)探頭或傳感器、放大器、分析轉(zhuǎn)化器等轉(zhuǎn)變成人可直接感受的來(lái)判別有毒氣體的成分、含量、分布或結(jié)構(gòu)等信息的分析方法，該方法具有操作簡(jiǎn)便，靈敏度高以及選擇性好等特點(diǎn)，主要分為色譜儀器法、光學(xué)儀器法及電化學(xué)儀器法。

隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，近些年，許多相互補(bǔ)償、相互兼容、靈敏度及準(zhǔn)確性較高、選擇性較好互為聯(lián)用的檢測(cè)分析方法得到深入研究。其中，氣相色譜與質(zhì)譜聯(lián)用分析法（GC/MS）是典型代表。許多學(xué)者將其應(yīng)用于毒氣方面的監(jiān)測(cè)研究。王伯光等［2］利用GC/MS方法分析研究了8種具有代表性的室內(nèi)環(huán)境中共計(jì)62種揮發(fā)性有毒有機(jī)物（VOCS）的分布情況和特征，室內(nèi)空氣中總揮發(fā)性有毒有機(jī)物（TVOCS）平均濃度由低到高的順序?yàn)椋杭彝ィ几栉鑿d＜賓館＜餐廳＜圖書(shū)館＜辦公室＜大型商業(yè)城＜停車(chē)庫(kù)。實(shí)驗(yàn)還得出室內(nèi)空氣污染物具有較明顯的源特征，可通過(guò)VOCS標(biāo)志化合物和其混合比例對(duì)其來(lái)源進(jìn)行初步判斷。

趙愛(ài)平等［1］采用毛細(xì)管色譜－質(zhì)譜法測(cè)試分析某單位在建樓打樁挖井中的毒氣，通過(guò)檢測(cè)分析其毒氣的主要成分為一氧化碳，濃度高于居民區(qū)所最高允許濃度的96倍，同時(shí)還分析說(shuō)明了產(chǎn)生CO的原因。徐莉等［3］利用GC/MS建立可同時(shí)測(cè)定箱包用膠粘劑中芳香烴類(lèi)、鹵代烴類(lèi)、烷烴類(lèi)八種有毒有害揮發(fā)性有機(jī)物。方法采用《鞋和箱包用膠粘劑》（GB 19340－2003）中指定的八種溶劑為目標(biāo)物，以乙酸乙酯為溶劑，混合均勻后，通過(guò)離心及有機(jī)相針頭過(guò)濾器過(guò)濾，經(jīng)氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用儀定性定量檢測(cè)。該方法檢測(cè)靈敏度為0.01～0.07g/kg，檢測(cè)精密度為1.25%～5.72%，加標(biāo)回收率為92.0%～100.2%。方法簡(jiǎn)單易行，可對(duì)使用膠粘劑的企業(yè)進(jìn)行安全性評(píng)估，利于對(duì)其作業(yè)場(chǎng)所環(huán)境進(jìn)行有效監(jiān)測(cè)，同時(shí)也可為突發(fā)公共衛(wèi)生安全事件的應(yīng)急處置提供科學(xué)依據(jù)。

2.3 傳感器的應(yīng)用

1962年，第一支氧化鋅半導(dǎo)體薄膜氣敏傳感器由日本學(xué)者清山哲郎等人研制出后，在此基礎(chǔ)上美國(guó)的P.J.Shaver又進(jìn)一步采用Pt、Pd等貴金屬有效激活氣體傳感器，使得傳感器的靈敏度大大提高。從此氣體傳感器在有毒氣體檢測(cè)方面得到了廣泛應(yīng)用。

目前，采用傳感器對(duì)有毒氣體進(jìn)行檢測(cè)是最常用的檢測(cè)方法，主要包括電解電池式、半導(dǎo)體式以及電化學(xué)式三類(lèi)。電解電池式傳感器一般用于檢測(cè)O2，本身具有很好的穩(wěn)定性，但由于電解液在自然環(huán)境中難以較好放存，容易蒸發(fā)或受到污染，使其壽命大大縮短；半導(dǎo)體式傳感器具有較高的靈敏度，可靠性也較好，但存在多感性、選擇性差等問(wèn)題；電化學(xué)式傳感器主要分為濃差電池型、原電池型、極限電流型及恒定電位電解池型氣體傳感器四大類(lèi)，是目前用于檢測(cè)有毒有害氣體最常用的一類(lèi)傳感器，其中，恒定電位電解池型氣體傳感器是有毒氣體檢測(cè)的主流傳感器，也是有毒有害氣體檢測(cè)儀中應(yīng)用較多的傳感器，該方法通過(guò)更改所設(shè)定的電位，對(duì)有毒氣體有選擇的進(jìn)行還原或是氧化，是一種真正的庫(kù)侖分析的傳感器，從而能夠定量檢測(cè)各種氣體，已成功用于一氧化碳、硫化氫、氨氣、肼等氣體的檢測(cè)。李勛濤等［4］采用多種電化學(xué)氣體傳感器采集信號(hào)及無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)收集和處理，能夠在線檢測(cè)環(huán)境中的氣體濃度。整個(gè)系統(tǒng)功能更加集成化，且體積小，很容易與后續(xù)處理設(shè)備集成并能智能控制后續(xù)處理設(shè)備。實(shí)驗(yàn)表明所研制系統(tǒng)的輸出信號(hào)能實(shí)時(shí)測(cè)量環(huán)境有毒氣體的濃度，能夠達(dá)到市場(chǎng)上單一氣體檢測(cè)設(shè)備的精度。溫衛(wèi)敏等［5］利用同時(shí)兼具數(shù)據(jù)采集、串口通訊、實(shí)時(shí)顯示以及聲光報(bào)警等功能的多傳感器自適應(yīng)加權(quán)數(shù)據(jù)融合技術(shù)，研究了一套對(duì)室內(nèi)裝修所產(chǎn)生的有毒氣體進(jìn)行監(jiān)測(cè)的系統(tǒng)，由于采用自適應(yīng)加權(quán)數(shù)據(jù)融合算法，能夠顯著提高整個(gè)系統(tǒng)的測(cè)算精度。該系統(tǒng)測(cè)量精度能夠滿(mǎn)足預(yù)定要求，穩(wěn)定性好，具有較大的開(kāi)發(fā)潛力。

2.4 有毒氣體監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)

日新月異的計(jì)算機(jī)技術(shù)、現(xiàn)代控制理論技術(shù)、傳感器及通信技術(shù)的快速發(fā)展，使得基于計(jì)算機(jī)的各種監(jiān)測(cè)監(jiān)控技術(shù)廣泛應(yīng)用于工、農(nóng)業(yè)各生產(chǎn)領(lǐng)域，智能化、自動(dòng)化、在線化的有毒氣體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)也隨之發(fā)展開(kāi)來(lái)。

與國(guó)內(nèi)相比，國(guó)外對(duì)有毒有害監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)的研究較早也更成熟，早在1960年代，法國(guó)就構(gòu)建了一套用于檢測(cè)一氧化碳、瓦斯、風(fēng)速和溫度等參數(shù)的CCT63/40煤礦環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，最多能夠檢測(cè)40個(gè)點(diǎn)。隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，目前，國(guó)外成功的結(jié)合了計(jì)算機(jī)技術(shù)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)及無(wú)線通行技術(shù)等技術(shù)，

實(shí)現(xiàn)了有毒氣體的智能化、自動(dòng)化、網(wǎng)絡(luò)化及實(shí)時(shí)在線化的監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)，同時(shí)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)也被廣泛應(yīng)用于有毒氣體的檢測(cè)。雖然我國(guó)對(duì)有毒有害氣體監(jiān)測(cè)管理上的研究起步相對(duì)較晚，但也緊跟其后，取得了一定的成果。目前，國(guó)內(nèi)有毒氣體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)基本可分為工控機(jī)、單片機(jī)智能化以及基于DCS控制技術(shù)發(fā)展起來(lái)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)這三類(lèi)［6］。

侯昭武等［7］利用8個(gè)紅外激光氣體傳感器，分別安裝步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)的圓盤(pán)圓周上在不同的方向上對(duì)污染氣體進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，以實(shí)現(xiàn)快速尋找有毒有害氣體污染源，同時(shí)與二維熱差式風(fēng)速風(fēng)向傳感器采集到的數(shù)據(jù)，一并送入MSC1210單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理以及運(yùn)用智能人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行模式訓(xùn)練與模式識(shí)別，從而識(shí)別出污染源的位置、濃度和種類(lèi)。該智能化追蹤氣體污染源監(jiān)測(cè)儀具有較好的安全性、可靠性及實(shí)用性。肖海紅等［8］建立了基于片上可編程單片機(jī)PSoC的井下有毒有害氣體檢測(cè)終端的設(shè)計(jì)，利用多個(gè)NDIR傳感器對(duì)多種有毒有害氣體進(jìn)行檢測(cè)，并做出了有毒氣體含量的標(biāo)定方法。該監(jiān)測(cè)終端設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，工作穩(wěn)定可靠，具有較大的市場(chǎng)潛力。邢濤等［6］利用現(xiàn)代傳感器技術(shù)、計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)、通信技術(shù)及電子技術(shù)，構(gòu)建了基于個(gè)人計(jì)算機(jī)包括數(shù)據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)終端、監(jiān)測(cè)中心以及通信單元三個(gè)部分的在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)用于監(jiān)測(cè)Cl2的生產(chǎn)、儲(chǔ)存以及使用場(chǎng)所。系統(tǒng)監(jiān)測(cè)終端開(kāi)始通過(guò)MSP430F149單片機(jī)控制獲得Cl2濃度、濕度和溫度的探測(cè)器信號(hào)，然后將采集到的數(shù)據(jù)從串行通信接口傳入遠(yuǎn)端監(jiān)控中心，再通過(guò)無(wú)線數(shù)傳模塊實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)中心和生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)間的數(shù)據(jù)通信。該系統(tǒng)能夠?qū)I(yè)生產(chǎn)中Cl2濃度、溫度及濕度等參數(shù)進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)，最終以數(shù)值的形式在PC機(jī)上顯示，一旦檢測(cè)參數(shù)達(dá)到預(yù)設(shè)的報(bào)警值時(shí)就會(huì)及時(shí)發(fā)出報(bào)警。

3 結(jié)語(yǔ)

隨著我國(guó)科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，有毒氣體監(jiān)測(cè)由最初的化學(xué)分析法發(fā)展到基于計(jì)算機(jī)的毒氣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化、在線化，使得毒氣監(jiān)測(cè)工作便捷方便，容易實(shí)施，而且大大提高了靈敏度、準(zhǔn)確度，對(duì)產(chǎn)生有毒氣體的區(qū)域作業(yè)人員提供了安全保障。但目前，我國(guó)有毒氣體的監(jiān)測(cè)仍然以固定的有線監(jiān)測(cè)設(shè)備為主，而相比固定的有線監(jiān)測(cè)設(shè)備，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)組網(wǎng)方便、簡(jiǎn)單易行、監(jiān)測(cè)安全以及精準(zhǔn)度高，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，應(yīng)用在有毒氣體監(jiān)測(cè)方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)。因此，發(fā)展高性能、低成本的多個(gè)傳感器與智能技術(shù)相結(jié)合，向網(wǎng)絡(luò)化和嵌入式互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的有毒氣體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)將是未來(lái)的發(fā)展方向。

［1］趙愛(ài)平，喬世俊，王北蘇.施工現(xiàn)場(chǎng)中有毒氣體的GC/MS分析［J］.工程科技，1995，（1）：29－30.

［2］王伯光，張遠(yuǎn)航，邵敏，等.預(yù)濃縮－GC－MS技術(shù)研究室內(nèi)空氣中揮發(fā)性有毒有機(jī)物［J］.環(huán)境化學(xué)，2001，（6）：80－89.

［3］徐莉，楊一超，夏俊鵬.箱包用膠粘劑中8種有毒有害揮發(fā)性有機(jī)物的 GC－MS檢測(cè)方法［J］.環(huán)境衛(wèi)生學(xué)，2011，（5）：30－33.

［4］李勛濤，余曉芬，胡佳文，等.有毒氣體無(wú)線監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)［J］.傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2010，（6）：140－144.

［5］溫衛(wèi)敏，汪梅.室內(nèi)有毒氣體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研制［D］.陜西：西安科技大學(xué)碩士學(xué)位論文，2008.

［6］邢濤.工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)有毒氣氛環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究［D］.吉林：哈爾濱理工大學(xué)碩士學(xué)位論文，2009.

［7］侯昭武，曾彥.智能化有害有毒氣體污染源監(jiān)測(cè)儀的研究［J］.環(huán)境科學(xué)與技術(shù)，2012，（8）：126－129.

［8］肖海紅，駱繼明.基于NDIR傳感器與PSoC的井下有毒氣體檢測(cè)終端設(shè)計(jì)［J］.煤炭技術(shù)，2014，62－64.