便携式傅立叶红外光谱仪在大气污染应急监测中的应用
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【摘要】傅立叶红外光谱仪广泛用于不同形态物质的定性定量检测，并且逐渐被应用于环境保护领域。本文基于ALPHA 型傅立叶变换红外光谱仪和OPUS图谱解析软件的研究，探索突发环境应急事件中应用便携式傅立叶红外光谱仪监测气态污染物的方法。
【关键词】傅立叶红外光谱仪；气态污染物；应急监测
傅立叶变换红外光谱仪（Fourier Transform Infrared Spectrometer）是基于对干涉后的红外光进行傅里叶变换的原理而开发的红外光谱仪，主要由红外光源、光栅、干涉仪（分束器、动镜、定镜）、样品室、检测器等组成，可以对各类检测样品进行定性定量分析，广泛应用于石油化工、反恐与安保、地质矿产、消防安全与火灾研究、环境保护、宝石鉴定等领域。突发环境事件是指由于污染物排放、自然灾害或者生产安全事故等因素，导致有毒有害物质进入大气、水体、土壤等环境介质，危及公众生命财产安全，并造成生态环境破坏且具有重大社会影响，需要采取紧急措施予以应对的事件，主要包括大气污染、水体污染、土壤污染等突发性环境污染事件。环境应急监测是突发环境事件应急处置以及后续恢复处理过程中的基础工作，是做好突发环境事件处置的前提和关键。监测方法的选择对于快速准确获得可靠环境监测数据，及时正确制定突发环境事件的处置决策有重要意义。便携式傅立叶红外光谱仪具有迅速、便携、和易使用的特点，因此开发研究便携式傅立叶红外光谱仪快速检测气态污染物的方法对大气环境应急监测工作有重要意义。
1、便携式傅立叶红外光谱仪的基本原理和结构
红外线是波长介于可见光和微波之间的一段电磁波。通常将红外光谱分为三个区域：近红外区（0.75～2.5μm）、中红外区（2.5～25μm）和远红外区（25～300μm）。一般说来，近红外光谱是由分子的倍频、合频产生的；中红外光谱属于分子的基频振动光谱；远红外光谱则属于分子的转动光谱和某些基团的振动光谱。由于绝大多数有机物和无机物的基频吸收带都出现在中红外区，因此中红外区是研究和应用最多的区域，资料最全面，技术最为成熟。通常所说的红外光谱即指中红外光谱，它能很好地反映分子内部所进行的各种物理过程以及分子结构方面的特征，对研究分子结构和化学组成极为有用。
傅立叶变换红外光谱仪是根据光的相干性原理设计的一种干涉型光谱仪，它主要由光源（S），动镜（MM），定镜（FM），检测器（D），分束器（BMS），计算机和数据处理软件以及数据库组成。光源发出的光经过干涉仪后形成干涉光，干涉光与样品发生相互作用（吸收）透射、反射或发光被检测器收集经过数据处理（包括傅里叶变换、光谱解析与分析、数据存储等）得到该种被测物的信息，如化学成分、分子构成或物相变化、动力学过程或主成分含量等。
光谱仪装配的是一个宽带光源，能产生连续的、无限数目波长的光束，干涉图是连续的总和，是每个波长下干涉图的总和，结果以强度对光程差表示。当光程差为0时，所有波长下的干涉图全部相加得到最强信号。当光程差2?x为λ/2的整数倍时，产生彼此完全抵消效应，检测到的信号最弱。当光程差增大时，不同波长下的干涉图有不同程度的相互抵消，因此干涉图的强度随着光程差变化。对一个宽带光源，除了在零光程差位置所有干涉图的相位不会同时相同。因此只能在零光程差时有最大的信号，这个信号最大值被称为“中心爆炸”。强度对频率的关系图成为光谱图，可以通过对光程差信号的傅立叶变换得到。单色光的余弦干涉波形式非常有用，因为它给出对动镜很精确的追踪。所有傅立叶变换红外光谱仪都使用He-Ne激光发射的单色光对动镜定位。在激光干涉图经过零位时，采集红外数据点，得到红外干涉图。
2.便携式傅立叶红外光谱仪的优点
从傅立叶变换红外光谱仪发明到现在，性能己经有较大的发展。一方面朝着更强大的综合检测性能和更高的精度迈进，另一方面是要开发更为简便易操作的人机交互平台，向体积更小更便携的方向发展。相对于普通光栅色散型红外检测设备，傅立叶红外光谱仪具有以下几个特点：
（1）傅立叶变换红外光谱仪的扫描速度较之普通光栅色散型设备快数百倍，而且在任何测量时间内都能获得辐射源的所有频率的全部信息，可以实现“多路传输”。
（2）傅里叶变换红外光谱仪有多档分辨率值供用户据实际需要选用，且分辨率高，在相同的总测量时间和相同的分辨率条件下，相比光栅色散型光谱设备，傅立叶变换红外光谱法的信噪比可以提高一个数量级。
（3）傅里叶变换红外光谱仪波数精度高。干涉图的取样间隔δx，由HeNe激光单色光所决定，是激光干涉图相邻两个零点位置之间距离决定。所得谱图点之间的间隔与δx成反比，因此FT-IR光谱仪具有波数精度高的优点，一般为百分之几个波数。
（4） 傅里叶变换红外光谱仪使用的圆形孔径比色散型光谱仪用的夹缝面积大的多，因此可以使更多光通量通过。在光栅型光谱仪中，光谱S（ν）直接被测量，直接记录连续的、狭窄的波长范围内的强度得到红外光谱图。而在傅里叶变换红外光谱仪中，所有从IR光源发出的波长同时被检测器检测。这意味着FT光谱仪比色散型光谱仪的信噪比高了10倍多。
在突发大气环境应急事件中要能够做到随时就地监测，仪器必须对野外环境温湿度变化以及各种复杂情况有较强化学耐受性，同时仪器必须具有足够的机械稳定性及耐受性以利于进行长途运输，在恶劣的外部测试环境下，要保证数据的准确度和精密度，便携式光谱仪的光源必须能在被移动过程中或机械震动下仍能够保持原来的方向不变。
3.ALPHA型傅立叶变换红外光谱仪的在气态污染应急监测中的应用
ALPHA型傅立叶变换红外光谱仪由德国布鲁克（Bruker）光谱仪器公司生产，用于高温、湿热、带腐蚀性的气态污染物测试，直接采样、定性、定量分析，能进行现场48小时以上连续监测，无需值守。配置外置泵导管，最终用户可外接自配的外置泵后能进行应急监测现场的环境空气快速监测，无需预浓缩等前处理直接连续采样，实时分析。德国布鲁克（Bruker）光谱仪器公司对传统的迈克尔逊干涉仪进行较大的改进，出产了RockSolidTM专利干涉仪，具有三维立体角镜，该干涉仪通过角镜旋转补偿保持光路准直，能保证入射光和反射光永远保持平行，抗震性极强；ZnSe分束器适于野外潮湿的环境工作。扫描速度可达到10次/秒。检测器采用DigiTectTM技术的高灵敏度的DLATGS，采用集成数字化的技术，灵敏度更高，无需冷却即可工作。ALPHA 型傅立叶变换红外光谱仪能将测试数据输出为多种数据格式，如文本格式、JCAMP DX格式、DAT格式、ENVI格式等等。具有多种格式转换功能，可方便地与同行交流，并可与国际权威数据库接口，拓展应用。光谱仪通过Ethernet接口与计算机联接，仪器内置网络服务器，具有独立的IP地址，可进行远程控制与通讯，光谱仪与计算机之间采用TCP/IP协议进行通讯，速度快，联接方便灵活，支持无线传输及远程通讯。 ALPHA型傅立叶变换红外光谱仪配有OPUS/Mentor红外操作数据处理软件，设备在出厂前标定光谱库包含H2O、CO2、SO2、NO、NO2、N2O、CO、NH3、HF、HCl、CH4、苯、甲苯、乙苯、邻二甲苯、间二甲苯、对二甲苯、苯乙烯、氯苯、甲醛、乙醛、丙烯醛、光气、氰化氢、硝基苯、苯胺、环己胺、乙烷、丙烷等70余种气态污染物，可准确定量分析上述污染物。同时光谱分析系统数据库内设多于5000种气体的参考光谱库，用于气体的定性半定量测定。
4. 便携式傅立叶红外光谱仪的不足
（1）通常多物质混合后的谱图密集且交叠，光谱会彼此干扰相互影响（如同系物的吸收图谱，不容易区分，难以对复杂环境气态污染物进行定性、定量；
（2）在进行未知物（混合物）的鉴别分析时，单凭红外光谱方法是不够的，还需要结合其他分析手段，例如GC-MS，这需要操作者一定的经验和技巧；
（3）在日常监测过程中常会受到H2O和CO2的干扰，而这两种物质是无处不在的，因此需要预先通过数据库排除这些谱段的检索来得到更准确的谱图结果，增加了定量的难度；
（4）不是所有分子都能吸收红外光，不具有偶极矩的分子不能吸收红外光如单原子分子（He，Ar，Ne），双同原子分子（N2，O2，H2），限制了傅立叶红外光谱的使用范围。
5.结论
便携式傅立叶红外光谱气体分析仪通过数据库软件与计算机联机使用，可分析SO2、NO、NO2、N2O、CO、NH3等无机气态污染物和烷、烯、醛、胺、氯苯类，苯系物等挥发性有机物，具有使用简便、测试快速，轻巧便携等优点，可广泛应用于环境空气污染应急监测工作，快速筛查大气中污染物种类，并准确定量标准光谱库内的气态污染物，为环境应急处置决策提供快速准确的技术依据。
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作者简介
王祥炳，男，1981.10.13，安徽舒城，汉，硕士研究生，工程师，研究方向：环境监测。
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