广东中联兴环保科技有限公司
摘要：本文对开放式傅里叶红外光谱分析仪的组件及工作原理进行解析，分别从监测系统的光强度核查、均方根噪声核查、精密度测试、精密度测试、检出限测试、线性测试等方面，初步构建系统运行过程中的质量管控体系，为开放式傅里叶红外光谱分析技术的推广应用提供参考。
关键词：开放式；傅立叶红外光谱分析仪；质量控制措施
1、前言
近年来，为有效防范园区突发性大气环境风险事件，保障化工园区及周边群众的生命财产安全，基于“第一时间发现、第一时间预警、第一时间响应”总体目标的有毒有害气体预警监测体系构建日益受到社会的重视[1]。由于对大气中的大部分污染物对中红外光具有特征吸收，开放式傅里叶红外光谱分析技术（OP-FTIR）针对HCl、HF等无机气体，CH4、C3H6、C4H4O、C6H5OH 等有机化合物具有分辨率高、响应速度快、多组分同步分析等优势。而与被动式红外光谱分析仪相比，以系统自带红外光源的主动式红外光谱分析仪，由于具有更高可操作性和分辨率，近年来在我国化工园区有毒有害气体预警监测中得到广泛的研究和应用。高松等[2]通过标气实验和化工区厂界现场测试，将2组OP-FTIR与GC-FID进行了定性定量比对，验证了OP-FTIR在某化工区区域监测的可行性和适用性。李跃武等[3]通过利用OP-FTIR对华东地区某化工园区大气污染物进行为期180d的连续在线监测，实现了超过40种区域特征污染因子库的建立和实时监控，掌握了十余种特征因子的排放规律和来源。
目前，OP-FTIR作为国内快速发展起来的新型大气污染物预警监测技术，由于使用过程中缺乏精细化、专业化、规范化的运维管理，容易导致使用过程中光谱质量低、污染物解析能力不足、数据质量低等情况。本文在解析OP-FTIR的工作原理的基础上，通过作者近年来对OP-FTIR的实际使用及参考《环境空气气态污染物连续自动监测系统技术要求及检测方法》、《环境空气质量自动监测技术规范》、美国环境保护署（USAEPA）推荐的TO-16标准检测方法，分别从光强度核查、均方根噪声核查、精密度测试、精密度测试、检出限测试、线性测试6个方面入手，探讨开放式傅里叶红外光谱分析仪在使用过程中的质量管控措施。
2、OP-FTIR的工作原理及质量控制措施探讨
2.1 OP-FTIR工作原理
OP-FTIR由红外光源、干涉仪、分光仪、固定镜片、移动镜片、密闭吸收槽、检测器、、角反射镜、电子模块等组成，工作原理系在开放空间中发射出一束激光，经反射后由检测器接收检测，经傅里叶变换形成光谱，根据各气体分子成键的差异而导致的特定频率红外光被吸收，对污染物进行定性分析，而根据比尔-琅勃定律，对目标物质进行定量分析。
2.2 OP-FTIR使用过程的质量控制措施
2.2.1光强核查
光强度的变化与信噪比有很大的关系，光强度过于微弱可能影响仪器的敏感度，光强度过强则分析污染物的吸收峰可能出现过饱和，朱亮等[4]分别在不同距离的光路下对角锥阵列进行左右、前后、旋转不同幅度的摆动操作，结果表明角锥阵列的旋转摆动对开放光路傅里叶红外数据采集的影响最大，当光路距离不超过200m时，角锥阵列旋转摆动幅度不能超过5cm。此外，除气候变化(雾霾或雨雪天气)等外，还包括光路距离、反射镜洁净程度、红外光源老化程度等会影响光强度，所以在日常使用中，光强度为每日必须核查的项目，且在非自然因素影响的条件下，系统光衰减不宜超过20%。
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2.2.2 均方根噪声核查
均方根噪声，系红外光谱中某个或多个特定波数范围的吸收强度相对于其平均吸收强度的均方根差。因大气中的水汽、CO2等具有良好的红外活性，红外光光谱的信号及稳定度容易受其干扰。为尽量降低影响，每日必须核查均方根噪声。测试方式为连续获取两个单光程频谱，以其中一个作为背景光谱，制作吸收光谱，将吸收光谱转换为数据输出，列出适当波数范围内之吸收强度值，计算出均方根噪声值，在统计学考虑，数据点不得低于80个，取波数范围应选择在968~1008 cm-1、2480~2520 cm-1及4380~4420 cm-1。管制范围为三倍标准偏差。
2.2.3 精准度测试
精准度测试主要用于评估仪器分析的数值是否接近于真实浓度，在污染物定量分析中非常关键，必须定期测试。测试方式首先将氮气通入净化气体管路及吸收槽，获取读数稳定的背景光谱，再以标准气体通入吸收槽，待气体置换完全之后，连续获取5张样品光谱，计算此5张光谱中目标物质的浓度，取平均值除以标准气体浓度再乘以100%，得到精准度。精准度的管制范围需在85～115%之间。
2.2.4 精密度测试
精密度测试主要用于评估仪器分析同一样品结果重现的稳定性是否符合要求，需定期测试。其测试方式为连续15次分析通入吸收槽的稳定样品，分析结果的标准偏差值，系统管制范围为±10%以内。
2.2.5 检出限测试
检出限对监测数据的质量保证起着重要的作用,能有效帮助系统剔除低于检出限的监测数据，从而确保分析结果的准确性。参考TO-16标准方法，OP-FTIR系统的检出限为系统噪声值的三倍标准偏差。测试方法为连续获取16个稳定样品的光谱，以第一个样品光谱作为背景光谱，制作第二个样品之吸收光谱，再以第二个样品光谱作为背景光谱，制作第三个样品之吸收光谱，依此类推，最后计算获得的15 个吸收光谱中所含目标物质的浓度，求出标准偏差再乘以三倍，与标准光谱比较转换后即为该样品的检出限。
2.2.6 线性测试
目前，为实现对大气环境中痕量污染物的分析，主流的OP-FTIR使用的检测器一般是MCT（Mercury Cadmium Telluride），但由于其光子通量过高与检测器阻抗、信号放大器等因素，导致监测结果容易出现非线性现象，所以对于污染物分析的线性范围测试较为重要，测试方法则为标准工作曲线的制作。
3、结论
在解析OP-FTIR组件及工作原理的基础上，分别从光强度核查、均方根噪声核查、精密度测试、精密度测试、检出限测试、线性测试等6方面，提出OP-FTIR运行过程中的管控措施体系。
参考文献：
[1]郁建桥,胡伟,钱新,曹军. 化工园区环境监控预警系统构建探讨［J］.环境监控与预警，2016,8(3), 6-9．
[2] 高松，施禅臻，伏晴艳，等．OP-FTIR在化工区空气特征污染监测中应用研究［J］.环境科学与技术,2017,40(S2), 201-206．
[3] 李跃武，高松，王向明，杨勇，伏晴艳，车祥. 基于OP-FTIR的化工区空气特征污染实测方法研究［J］.环境监控与预警，2018,10(5), 6-11.
[4] 朱亮，李明骏，贾润中.OP-FTIR稳定性对VOCs浓度监测的影响［J］.试验研究，2018,18(10), 55-59.
论文作者:卢勇宏1,黄观辉1,李志杰1
论文发表刊物:《防护工程》2019年9期
论文发表时间:2019/8/12
标签：光谱论文; 测试论文; 方根论文; 污染物论文; 精密度论文; 检出论文; 强度论文; 《防护工程》2019年9期论文;