一种基于红外光谱法气体检测仪的设计与实现

一种基于红外光谱法气体检测仪的设计与实现

杨宇,崔世恒,刘阔,张润轩,江翠元

（山东协和学院计算机学院 山东 济南 250109）

摘要：傅里叶变换红外光谱(FTIR)技术具有扫描速度快、分辨率和灵敏度较高的优点，广泛应用于机理研究、性能表征、成分检测等研究领域。根据不同的检测需求，研究者们在使用FTIR技术时也作了相应的调整和优化。简单介绍了FTIR技术的原理，重点总结了近年来FTIR技术在各研究领域的应用现状。并指出与其他分析技术联用、建立数学模型以及标准化是除提升仪器自身精度外，提高FTIR测量准确度的发展趋势，这为FTIR在相关领域的研究和应用提供了参考。

关键词：光谱法 机理研究 成分检测

1引言

傅里叶变换红外光谱(FTIR)技术主要是把干涉条纹的图像信息转换为离散的数字量，再进行傅里叶变换得到被检测样品的红外光谱的技术。与其他技术相比，FTIR技术具有较高的检测灵敏度和分辨率、测量速度较快、散光低以及波段宽等优点。在不损坏样品的情况下，能同时对多种物质进行定性定量分析，被广泛应用于机理研究、性能表征、成分检测等众多研究领域。目前已经有很多文献对FTIR技术在生化、食品、材料和地质矿物等研究领域的应用进展作了总结。重点总结了数据处理、消除背景效应等操作在谱图分析中的应用，在应用FTIR技术时，为了满足不同的检测需求，常把傅里叶变换红外光谱技术同其他分析技术联用获取被分析物质的综合信息，也常结合数学计算模型提高FTIR谱图分析的准确度。此前的综述大多针对较为单一的研究领域中的应用，较难突出技术联用、结合数学模型在各研究领域应用FTIR技术时的优势。

2 FTIR在机理研究中的应用

随着仪器精度及分析技术的提高，得到的数据往往繁多复杂，未经处理的谱图无论是在定性分析还是定量分时准确度都会下降，因此选择合适的数学模型处理数据对研究工作同样重要。我们利用FTIR光谱与密度泛函理论(DFT)计算相结合的方法研究乙腈(AN)和甲基溶纤剂(MCS)以及不同比例的二元混合溶液中两种分子的存在方式以及异质相互作用的机理。配制乙腈物质的量占比分别为0.2、0.4、0.6和0.8(SS1、SS2、SS3、SS4)的乙腈甲基溶纤剂混合试样。将测得的SS1、SS2、SS3和SS4的FTIR光谱，与纯的AN和MCS光谱图进行对比，推断AN和MCS两种分子生成不同聚合物的机理。从FTIR谱图分析得到MCS分子不是以单体、二聚体或三聚体的形式存在，而是以封闭四聚体的形式存在，AN与MCS可以形成分子比为1∶4和2∶4的配合物。还验证了(甲基溶纤剂)C—H…N(乙腈)、(亚甲基溶纤剂)C—H…N(乙腈)和(甲基氰)C—H…O(羟基或乙醚)3种非经典氢键的生成。DFT在该研究中主要用于AN、MCS及其配合物的频率计算和自然键轨道(NBO)分析，最后结合FTIR的结果分析得出AN与MCS分子比为2∶4的配合物更稳定。我们利用相同的方法作了相似的研究，分别记录了纯乙酸甲酯、纯间二甲苯及其等物质的量二元溶液的FTIR光谱。在二元溶液中乙酸甲酯、间二甲苯的吸收峰均发生了位移，表明存在分子间相互作用的可能，并在后续的数据处理中结合DFT计算分析了几种产物的数量及稳定性。FTIR光谱技术结合DFT计算在以上研究中做出了很大的贡献。FTIR成像提供了高分辨率的组织结构和组成信息，改善了MALDI-MSI特异性差的问题，再结合MAL-DI-MSI技术得到单个分子的质荷比(m/z)信息，较好地实现了对单分子的特异表征。标准加入法获得定量FTIR数据的方法，仅适用于测定静态样品中分析物的浓度。结合密度泛函理论来提高产物定量分析的准确度目前仅适用于部分有氢键生成的反应;偏最小二乘回归法(PLSR)适用性较高，但准确性又相对较低。

3 FTIR在成分检测中的应用

近年来，主动式和被动式傅里叶变换红外光谱仪都得到了很大的发展，为气体的检测提供了很大的便利。主动式FTIR光谱主要利用人工光源的红外辐射对气体的特征红外吸收进行探测分析，具有实时快速、非接触、宽波段、高能量、高信噪比、待测气体与背景之间温差对检测结果干扰较小等优点，常用大气环境的监测、大气气溶胶云映射和云雾的测量等。我们利用主动式FTIR技术研究了石化工厂中浓度为3.57、7.12和14.28μmol/L的CH4随温度(－5～50℃)和压强(0～75kPa)的变化的实际浓度，后得到与温度、压强相关的函数所测浓度偏差在2%以内。被动式FTIR技术的原理是通过探测大气中目标物和背景的红外辐射或吸收强度信息，再用特定方法反演得到目标气体的浓度等信息。被动式FTIR技术无需人工光源、具有机动性和时效性较强、探测范围广等优点，常用于污染气体、可燃气体、易爆气体等危险气体的监测和预警，挥发性有机物以及温度和烟气的测量。在环境检测中，傅里叶变换红外光谱仪常用来检测CH

4、H2S、CO等污染气体的成分及含量，建立了一套可精确测量低浓度CH4的傅里叶变换红外光谱系统，用动态稀释法配制不同浓度的标准气体，并测量其有的CH4的浓度，测量系统表现出良好的线性响应准确性和稳定性。我们使用FTIR建立了实验室测量烯烃类气体和烷烃类气体的新方法。该方法的测量结果与用标准气体进行校准测量的结果存在约2%的相对偏差。甲醛的参考标准来源于扩散管动态发生技术。FTIR技术在成分检测中发挥越来越重要的作用，但存在的许多限制条件依然阻碍了FTIR技术的进一步应用。尤其在气体成分的监测中，这一不足尤为突出。对空气中污染气体进行实时监测，就要对仪器的体积有所要求。

4结语

本文介绍了FTIR光谱技术，结合在成分检测、环境监测的应用中，依然存在很多限制条件。便携式傅里叶变换红外光谱仪的分辨率较低，无法满足检测需求。FTIR技术不但在机理研究、成分检测等众多领域发挥着重要的作用，根据中华人民共和国化工行业标准，首先进行了基本误差及响应时间试验，经测试基本误差及响应时间均满足要求。光谱吸收式气体传感技术是光谱分析技术与现代光纤技术相结合的产物，实现了光谱分析技术在气体在线检测领域的实用化。

参考文献：

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作者简介：杨宇 (2002.09-)，男，山东枣庄，计算机科学与技术2020级

指导老师：江翠元（1985.10-），山东济南，女，副教授，研究方向：软件开发