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(cè)，并且逐漸被應(yīng)用于環(huán)境保護(hù)領(lǐng)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(yīng)急事件中應(yīng)用便攜式傅立葉紅外光譜儀監(jiān)測(cè)氣態(tài)污染物的方法。

【關(guān)鍵詞】傅立葉紅外光譜儀；氣態(tài)污染物；應(yīng)急監(jiān)測(cè)

傅立葉變換紅外光譜儀（Fourier Transform Infrared Spectrometer）是基于對(duì)干涉后的紅外光進(jìn)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(dòng)鏡、定鏡）、樣品室、檢測(cè)器等組成，可以對(duì)各類檢測(cè)樣品進(jìn)行定性定量分析，廣泛應(yīng)用于石油化工、反恐與安保、地質(zhì)礦產(chǎn)、消防安全與火災(zāi)研究、環(huán)境保護(hù)、寶石鑒定等領(lǐng)域。突發(fā)環(huán)境事件是指由于污染物排放、自然災(zāi)害或者生產(chǎn)安全事故等因素，導(dǎo)致有毒有害物質(zhì)進(jìn)入大氣、水體、土壤等環(huán)境介質(zhì)，危及公眾生命財(cái)產(chǎn)安全，并造成生態(tài)環(huán)境破壞且具有重大社會(huì)影響，需要采取緊急措施予以應(yīng)對(duì)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(yīng)急監(jiān)測(cè)是突發(fā)環(huán)境事件應(yīng)急處置以及后續(xù)恢復(fù)處理過(guò)程中的基礎(chǔ)工作，是做好突發(fā)環(huán)境事件處置的前提和關(guān)鍵。監(jiān)測(cè)方法的選擇對(duì)于快速準(zhǔn)確獲得可靠環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，及時(shí)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(diǎn)，因此開發(fā)研究便攜式傅立葉紅外光譜儀快速檢測(cè)氣態(tài)污染物的方法對(duì)大氣環(huán)境應(yīng)急監(jiān)測(cè)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(jié)構(gòu)

紅外線是波長(zhǎng)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(gè)區(qū)域：近紅外區(qū)（0.75～2.5μm）、中紅外區(qū)（2.5～25μm）和遠(yuǎn)紅外區(qū)（25～300μm）。一般說(shuō)來(lái)，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(dòng)光譜；遠(yuǎn)紅外光譜則屬于分子的轉(zhuǎn)動(dòng)光譜和某些基團(tuán)的振動(dòng)光譜。由于絕大多數(shù)有機(jī)物和無(wú)機(jī)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(yīng)用最多的區(qū)域，資料最全面，技術(shù)最為成熟。通常所說(shuō)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(jìn)行的各種物理過(guò)程以及分子結(jié)構(gòu)方面的特征，對(duì)研究分子結(jié)構(gòu)和化學(xué)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(shè)計(jì)的一種干涉型光譜儀，它主要由光源（S），動(dòng)鏡（MM），定鏡（FM），檢測(cè)器（D），分束器（BMS），計(jì)算機(jī)和數(shù)據(jù)處理軟件以及數(shù)據(jù)庫(kù)組成。光源發(fā)出的光經(jīng)過(guò)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(cè)器收集經(jīng)過(guò)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(chǔ)等）得到該種被測(cè)物的信息，如化學(xué)成分、分子構(gòu)成或物相變化、動(dòng)力學(xué)過(guò)程或主成分含量等。

光譜儀裝配的是一個(gè)寬帶光源，能產(chǎn)生連續(xù)的、無(wú)限數(shù)目波長(zhǎng)的光束，干涉圖是連續(xù)的總和，是每個(gè)波長(zhǎng)下干涉圖的總和，結(jié)果以強(qiáng)度對(duì)光程差表示。當(dāng)光程差為0時(shí)，所有波長(zhǎng)下的干涉圖全部相加得到最強(qiáng)信號(hào)。當(dāng)光程差2?x為λ/2的整數(shù)倍時(shí)，產(chǎn)生彼此完全抵消效應(yīng)，檢測(cè)到的信號(hào)最弱。當(dāng)光程差增大時(shí)，不同波長(zhǎng)下的干涉圖有不同程度的相互抵消，因此干涉圖的強(qiáng)度隨著光程差變化。對(duì)一個(gè)寬帶光源，除了在零光程差位置所有干涉圖的相位不會(huì)同時(shí)相同。因此只能在零光程差時(shí)有最大的信號(hào)，這個(gè)信號(hào)最大值被稱為“中心爆炸”。強(qiáng)度對(duì)頻率的關(guān)系圖成為光譜圖，可以通過(guò)對(duì)光程差信號(hào)的傅立葉變換得到。單色光的余弦干涉波形式非常有用，因?yàn)樗o出對(duì)動(dòng)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(duì)動(dòng)鏡定位。在激光干涉圖經(jīng)過(guò)零位時(shí)，采集紅外數(shù)據(jù)點(diǎn)，得到紅外干涉圖。

2.便攜式傅立葉紅外光譜儀的優(yōu)點(diǎn)

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(qiáng)大的綜合檢測(cè)性能和更高的精度邁進(jìn)，另一方面是要開發(fā)更為簡(jiǎn)便易操作的人機(jī)交互平臺(tái)，向體積更小更便攜的方向發(fā)展。相對(duì)于普通光柵色散型紅外檢測(cè)設(shè)備，傅立葉紅外光譜儀具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：

（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(shè)備快數(shù)百倍，而且在任何測(cè)量時(shí)間內(nèi)都能獲得輻射源的所有頻率的全部信息，可以實(shí)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(shí)際需要選用，且分辨率高，在相同的總測(cè)量時(shí)間和相同的分辨率條件下，相比光柵色散型光譜設(shè)備，傅立葉變換紅外光譜法的信噪比可以提高一個(gè)數(shù)量級(jí)。

（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(gè)零點(diǎn)位置之間距離決定。所得譜圖點(diǎn)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(diǎn)，一般為百分之幾個(gè)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(guò)。在光柵型光譜儀中，光譜S（ν）直接被測(cè)量，直接記錄連續(xù)的、狹窄的波長(zhǎng)范圍內(nèi)的強(qiáng)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(zhǎng)同時(shí)被檢測(cè)器檢測(cè)。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(yīng)急事件中要能夠做到隨時(shí)就地監(jiān)測(cè)，儀器必須對(duì)野外環(huán)境溫濕度變化以及各種復(fù)雜情況有較強(qiáng)化學(xué)耐受性，同時(shí)儀器必須具有足夠的機(jī)械穩(wěn)定性及耐受性以利于進(jìn)行長(zhǎng)途運(yùn)輸，在惡劣的外部測(cè)試環(huán)境下，要保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度和精密度，便攜式光譜儀的光源必須能在被移動(dòng)過(guò)程中或機(jī)械震動(dòng)下仍能夠保持原來(lái)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(yīng)急監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

ALPHA型傅立葉變換紅外光譜儀由德國(guó)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(cè)試，直接采樣、定性、定量分析，能進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)48小時(shí)以上連續(xù)監(jiān)測(cè)，無(wú)需值守。配置外置泵導(dǎo)管，最終用戶可外接自配的外置泵后能進(jìn)行應(yīng)急監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境空氣快速監(jiān)測(cè)，無(wú)需預(yù)濃縮等前處理直接連續(xù)采樣，實(shí)時(shí)分析。德國(guó)布魯克（Bruker）光譜儀器公司對(duì)傳統(tǒng)的邁克爾遜干涉儀進(jìn)行較大的改進(jìn)，出產(chǎn)了RockSolidTM專利干涉儀，具有三維立體角鏡，該干涉儀通過(guò)角鏡旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償保持光路準(zhǔn)直，能保證入射光和反射光永遠(yuǎn)保持平行，抗震性極強(qiáng)；ZnSe分束器適于野外潮濕的環(huán)境工作。掃描速度可達(dá)到10次/秒。檢測(cè)器采用DigiTectTM技術(shù)的高靈敏度的DLATGS，采用集成數(shù)字化的技術(shù)，靈敏度更高，無(wú)需冷卻即可工作。ALPHA 型傅立葉變換紅外光譜儀能將測(cè)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(guó)際權(quán)威數(shù)據(jù)庫(kù)接口，拓展應(yīng)用。光譜儀通過(guò)Ethernet接口與計(jì)算機(jī)聯(lián)接，儀器內(nèi)置網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，具有獨(dú)立的IP地址，可進(jìn)行遠(yuǎn)程控制與通訊，光譜儀與計(jì)算機(jī)之間采用TCP/IP協(xié)議進(jìn)行通訊，速度快，聯(lián)接方便靈活，支持無(wú)線傳輸及遠(yuǎn)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(shè)備在出廠前標(biāo)定光譜庫(kù)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(duì)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(zhǔn)確定量分析上述污染物。同時(shí)光譜分析系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)設(shè)多于5000種氣體的參考光譜庫(kù)，用于氣體的定性半定量測(cè)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(huì)彼此干擾相互影響（如同系物的吸收?qǐng)D譜，不容易區(qū)分，難以對(duì)復(fù)雜環(huán)境氣態(tài)污染物進(jìn)行定性、定量；

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

（3）在日常監(jiān)測(cè)過(guò)程中常會(huì)受到H2O和CO2的干擾，而這兩種物質(zhì)是無(wú)處不在的，因此需要預(yù)先通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)排除這些譜段的檢索來(lái)得到更準(zhǔn)確的譜圖結(jié)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(jié)論

便攜式傅立葉紅外光譜氣體分析儀通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)軟件與計(jì)算機(jī)聯(lián)機(jī)使用，可分析SO2、NO、NO2、N2O、CO、NH3等無(wú)機(jī)氣態(tài)污染物和烷、烯、醛、胺、氯苯類，苯系物等揮發(fā)性有機(jī)物，具有使用簡(jiǎn)便、測(cè)試快速，輕巧便攜等優(yōu)點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于環(huán)境空氣污染應(yīng)急監(jiān)測(cè)工作，快速篩查大氣中污染物種類，并準(zhǔn)確定量標(biāo)準(zhǔn)光譜庫(kù)內(nèi)的氣態(tài)污染物，為環(huán)境應(yīng)急處置決策提供快速準(zhǔn)確的技術(shù)依據(jù)。

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作者簡(jiǎn)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(cè)。