卷烟主流烟气中巴豆醛在线光谱分析方法研究

卷烟主流烟气是卷烟燃烧时被人体吸食到体内的主要气体,其减焦降害已成为全社会高度关注的问题。在各种卷烟主流烟气组分中,巴豆醛以其强烈的基因毒性,成为国家规定的卷烟中七种主要有害指标物之一。传统的巴豆醛分析方法大都采用高效液相色谱法等实验室分析方法,需繁琐的样品前处理过程,无法测量巴豆醛的实时浓度,难以准确评估巴豆醛对人体健康的影响。为了快速、准确地检测卷烟主流烟气中的巴豆醛组分,本研究搭建了一套可以直接与吸烟机耦合的傅里叶红外光谱分析系统（FTIR）,并创新性开发过采样数据驱动光谱分析方法（ODDSA）,从复杂、变动的卷烟主流烟气中准确提取巴豆醛的光谱组分信息。ODDSA方法从实验设计入手,采用随机设计的思路尽可能模拟实际卷烟样品的分布范围,以构建具备良好光谱数据结构的样品集。在此基础上,创新性地将高密度小波变换引入红外光谱数据的处理过程中,以时/频双域过采样的方式提升了光谱解析分辨率,进而降低了其他基质组分对巴豆醛光谱信息的干扰。最后,发展改良竞争自适应重加权采样方法,从多倍冗余的高密度小波系数中准确提取待测物质的最佳变量组合,由此构建高质量的巴豆醛光谱定量分析模型。为了验证ODDSA方法的有效性,实验中采集了15种典型市售卷烟品牌,每个品牌在线采集8支样品的主流烟气红外光谱,随后采用随机挑选的25个验证集样本对ODDSA方法进行验证。结果表明,检验集的线性拟合系数为0.971,相对均方根误差为5.5%,其预测精度能有效满足卷烟主流烟气中巴豆醛的在线分析需求,并可拓展到环境二手烟气中其他组分的在线监测,进而为吸烟与健康评估提供全新手段。     

基于TDLAS技术的卷烟烟气CH_4含量检测系统

卷烟烟气的快速、实时分析对于研究卷烟烟气在抽吸过程中的逐口传递规律,探究吸烟与健康的关系具有十分重要的意义。为准确分析卷烟烟气中CH_4的逐口释放特征,基于TDLAS技术,结合改造后的商用单孔道吸烟机,建立了卷烟烟气在线分析系统。以装有CH_4(体积分数为0.4‰)的集气袋模拟卷烟,验证了本系统的逐口稳定性,二次谐波峰值稳定在1.39附近。利用该系统,选择中心波长在1653.72nm的半导体激光器对四种品牌卷烟烟气中的CH4进行了逐口在线分析。实验结果表明,卷烟烟气中CH_4的含量随着抽吸口数的增加而增加。烤烟型卷烟的总量和逐口含量均明显大于混合型卷烟,烤烟型和混合型卷烟分别在400~900和200~600ppm范围内逐口递增。同时不同类型烤烟型卷烟烟气中CH_4的总量和逐口含量也有差别。与传统的逐口分析方法相比,本系统抗干扰能力强,能够有效避免烟气中其他气体干扰,并且可在卷烟抽吸间隔完成逐口检测,无需样品前处理,大大提高了检测效率。该技术在卷烟烟气的逐口在线检测方面具有较好应用前景。     

基于模式跳变的井下便携式高精度CH_4浓度监测系统设计

为了在矿井中实现快速、便携式的甲烷浓度检测,同时系统还具备高灵敏度及长的工作周期,设计了基于半导体激光器模式跳变的差分光学光谱吸收法,建立了井下甲烷浓度无线检测系统。系统利用调制电流使半导体激光器的输出波长发生模式跳变,从而获得了两个相近波长的激光,其中一个在甲烷的特征吸收峰上,而另一个基本不被吸收。实验中将两束光分别照射被测气室时,两束光的光强之差代入比尔朗伯定律即可求解气室内的甲烷浓度。实验结果显示,调制电流从20.0 mA增大到60.0 mA过程中,输出波长在电流达到48.3 mA时发生跳变,由1 650.888 nm改变为1 651.020 m。通过HITRAN光谱数据库可知,波长1 650.888 nm位置可作特征吸收峰,而波长1 651.020 nm适合作参考波长。在此基础上,对密闭容器内标准浓度的甲烷气体进行测试,采用H-BD5GD410-HC型便携式甲烷检测仪的测试数据作对比。两种检测结果相近,但随着浓度不断地增高,该系统的检测误差相对平稳,略优于甲烷检测仪。系统的检测误差均低于0.050%,在不采用昂贵的锁相器、检相电路的条件下,实现了精度优于0.10%的井下甲烷浓度检测。     

基于量子级联激光器的温室气体测量方法研究

中红外为分子的基频吸收波段,可被用于痕量气体的高灵敏度检测。介绍了基于中红外室温连续量子级联激光器(CW-QCL)结合波长调制技术(WMS)的光谱检测方法,研究了消除气体间交叉干扰的方法,并进行了相关的验证实验。利用中心波长在1274cm-1波段附近的量子级联激光器搭建了一套开放光路温室气体探测实验系统,进行101m开放式测量实验,实现了对大气中CH4、N2O的同步在线测量,检测限分别为3.87×10-9和1.28×10-9,验证了实验系统和实验方法的可行性,为实现区域高灵敏温室气体监测奠定了基础。     

基于量子级联激光器的红外光谱技术评述

量子级联激光器是一种新型的红外相干光源。利用量子理论与带隙工程,量子级联激光器可实现3 μm到100 μm波长范围内的任意输出波长。由于大多数气体分子的特征光谱都集中在中红外波段,而中红外量子级联激光器具有功率高、线宽窄、扫描速度快等独特的优点,因此,基于量子级联激光器的红外光谱技术已成为气体检测技术的研究热点。尤其是,近年来室温激光器性能得到不断的完善,输出功率和电光转换效率得到了极大的提高,这在很大程度上推动了红外激光光谱技术的迅速发展。本文根据工作原理,分别介绍了基于直接吸收谱检测、相位调制光谱检测、光声调制光谱检测和法拉第旋光效应光谱检测的量子级联激光器红外光谱检测技术,并对其实现方法和应用情况进行了介绍。     

一种新型高精度甲烷浓度检测系统的研究

在气体浓度检测过程中采用特征光谱吸收法时,提高气体浓度检测精度常常需要采用高质量窄带激光器并调制其波长使其对准被测气体特征吸收峰的方法,这样大大增加了对激光器的要求及系统成本。为了在采用原有便携式、低成本固体激光器的条件下获取更高的检测精度,设计了转换窗差分吸收光学结构以及特征吸收差分比例算法。分析了特征波长位置选择的依据,给出了实现该处理算法的步骤。系统利用转换窗与吸收气室组合的方法,将非特征吸收峰位置上的光强响应通过求比值的方法约掉,从而实现了与采用窄带激光器对准特征吸收峰位置相近的检测效果。实验采用MW-IR-1650型红外激光器、SSM17-2型步进电机控制模块、C30659型红外探测器等器件,对不同浓度的甲烷气体进行测试,结果显示在200～5 000 ppm之间测量相对误差基本在2.0%以内。证明了该系统具有较高的检测精度及稳定性。     

基于波长调制技术对强水蒸气干扰下痕量氨气的测量研究

本文采用免标定波长调制光谱技术结合修正算法实现了电厂脱硝过程中高浓度水蒸气干扰下的痕量逃逸氨浓度测量。分析和讨论了背景对实验测量信号的影响,选择信背比较高的四次谐波用于NH_3浓度的反演,并进行了实验验证。对于烟气中高浓度水蒸气的干扰,利用了H_2O强吸收峰位置标定绝对波数及NH_3吸收峰位置,此外本文提出的修正算法结合免标定波长调制算法可以同时实现H_2O和NH3浓度的准确反演,并通过实验验证了算法的正确性。最后将该修正方法应用于电厂逃逸氨浓度测量并获得了较为可靠的结果.     

基于多特征波长光谱分析的天然气泄漏遥测系统

为快速地、 大范围地对天然气管道进行泄漏监测,设计了基于静态傅里叶变换干涉系统的甲烷气体浓度遥测系统。 采用对准甲烷分子吸收峰的红外光源照射被测区域,再由聚光准直系统和干涉模块完成干涉条纹的获取。 最后,通过多特征波长光谱分析算法计算被测区域的浓度程长积,进而反演相应的甲烷浓度。 通过HITRAN光谱数据库选择了1.65 μm的主特征吸收峰,从而光源使用1.65 μm的DFB激光器。 为了在不增加系统硬件结构的基础上提高检测精度及稳定性,引入辅助波长求解吸光度比值,进而通过多特征波长比例运算的方法获得被测气体的浓度程长积。 实验针对泄漏速度恒定的标准甲烷液化气罐检测,采用PN1000型便携式甲烷检测仪的检测数据作为标准数据与本系统的测试数据进行对比,测试距离分别为100,200和500 m。 实验结果显示,甲烷浓度检测值在泄漏一段时间稳定后,系统检测值也基本保持稳定。 对100 m的检测距离而言,浓度程长积的检测误差小于1.0%。 随着测试距离的增大,检测误差也相应的增大,距离500 m的检测误差小于4.5%。 总之,在气体泄露稳定后系统检测误差均小于5.0%,满足野外天然气泄漏遥测要求,该方法采用差分思想,在求解吸光度比率的过程中将误差消除,降低了外界干扰造成的误差,从而提高系统的检测精度及稳定性。     

基于室温脉冲量子级联激光器的NO气体检测中的光谱处理方法研究

报导了采用基于室温脉冲量子级联激光器的脉内光谱检测技术,利用中心波长为1904 cm^-1的量子级联激光器,在实验室对NO气体样品进行检测的研究结果. 针对单线直接吸收光谱反演算法进行了研究,介绍了基线拟合的最小二乘算法以获取其吸光度,根据HITRAN数据库中相应吸收谱线的吸收线强,采用扫描积分实现了气体浓度的反演,避免了标气标定造成的误差及污染;通过拟合残差分析得到了系统的检测限,达到34×10^-6 m. 关键词： 量子级联激光器 中红外 多项式拟合 扫描积分     

中红外波长可调谐激光器及其在葡萄糖检测中的应用

提出一种激光器发射波长和功率控制与稳定的方法,研制出波长范围在9.19~9.77 μm,可应用于葡萄糖检测的中红外波长可调谐CO₂激光器,发射光谱半波宽度为4 cm-1,光谱分辨率达到2.7×104,最高功率为800 mW,功率波动性＜0.8%。根据葡萄糖在中红外指纹谱波段的吸收特性,选择激光器发射光谱9R和9P带的1 081,1 076,1 051,1 041和1 037 cm-1作为测量波长,利用ATR传感器测量了PBS溶液中葡萄糖浓度。结果表明五个测量波长下的吸收度与葡萄糖浓度呈现良好的线性关系(R2＞0.99,SD＜0.000 4,P＜0.000 1),且该波长可调谐激光光谱测量系统的灵敏度是传统FTIR光谱仪的4倍左右。     

Determination of arsenic species in mainstream cigarette smoke based on inductively coupled plasma mass spectrometry

In this work, arsenic species in mainstream cigarette smoke condensates was systemically studied with inductively coupled plasma mass spectrometry. A single particle inductively coupled plasma mass spectrometry was utilized for analysis of the physical forms of arsenic, and no particle arsenic was observed in mainstream cigarette smoke condensates. The solvent extraction experiments proved that the water-soluble arsenic was the main species in mainstream cigarette smoke condensates, which was consistent with the result of single particle inductively coupled plasma mass spectrometry. Furthermore, speciation of arsenite, arsenate, monomethylarsonic acid, and dimethylarsinic acid was investigated using high performance weak anion exchange chromatography coupled with inductively coupled plasma mass spectrometry detection. The developed high performance liquid chromatography coupled inductively coupled plasma mass spectrometry method was successfully applied to the determination of arsenic species in mainstream cigarette smoke condensates with satisfactory recoveries. Four arsenic species were detected in the mainstream cigarette smoke condensates from four brands of commercial available cigarettes, and there was a great difference between the arsenic content and composition among the different brands of cigarettes. It is found that arsenate was the main species in all tested cigarette samples.     

高效液相色谱测定卷烟及其主流烟气中的维生素E

样品用饱和抗坏血酸乙醇溶液萃取,ZORBAX Extend-C18（5μm,4.6×150mm）色谱柱及FLD检测器在激发波长为298nm,发射波长为325nm下检测,流动相为100%甲醇。采用外标法定量,线性相关系数为0.99996,检出限为0.12μg/mL,卷烟及其主流烟气中维生素E平均回收率分别为97.0%和97.4%,RSD分别为0.70%和4.70%。研究表明：烤烟型卷烟烟丝比混合型卷烟烟丝中维生素E含量高,烤烟型卷烟主流烟气比混合型卷烟主流烟气中维生素E含量高,维生素E从卷烟烟丝到主流烟气的迁移率为7%—16%。     

痕量气体激光检测系统波长锁定技术研究

利用可调谐半导体激光吸收光谱技术(TDLAS)对痕量气体进行检测时,环境温度变化以及激光器控制电路的噪声常常使得激光器输出波长发生漂移,影响了气体浓度测量的准确性。以开放光路的激光吸收光谱氨气检测系统为例,在分析激光器扫描中心波长随电流变化规律的基础上,提出了基于电流控制的自适应锁定扫描中心波长的方法。研究了基于参考校准光谱的光谱数据对准算法,实现了开放大气中氨气浓度的实时监测。结果表明,波长锁定大大提高了痕量气体浓度反演的准确性和稳定性。氨气浓度具有日变化周期:上下班时段浓度上升,中午达到最大值,夜间浓度降低,系统检测限为3.8mg.m-3.m。     

氨气激光在线检测中浓度精确反演的研究

氨气是大气中含量最为丰富的碱性痕量气体,氨浓度检测是近年来环境和农业领域的一个重要研究方向。利用可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)技术,结合波长高频扫描技术和多次反射池技术设计了氨气激光在线检测系统。通过激光中心波长锁定、背景基线拟合、吸收线型拟合、光强归一化和线性最小二乘拟合算法实现了氨浓度的精确反演。分析了系统性能,在24.32m光程下系统检测限为0.157mg/m3。使用该浓度反演方法实现了氨气的高灵敏、高精确在线检测。     

FTIR固定污染源VOCs在线监测系统

挥发性有机物(VOCs)造成了全球环境污染,给人们日常生活工作带来不利影响。对挥发性有机物进行高效准确监测成为我国大气环境治理的热点。与其他污染物气体相比,VOCs更易挥发并可以和其他污染物发生反应,其物理化学性质的复杂性对已有的检测方法提出了很高的要求。在众多的气体检测方法中,光谱检测技术以其方便快捷、检测准确等优点得到了广泛应用。傅里叶变换红外光谱(FTIR)作为光谱检测技术中重要的一员,不仅可以多通道快速检测,还可以分析上百种污染物种类并实时计算污染物浓度,解决了VOCs气体性质复杂带来的困扰。开展了固定污染源VOCs在线监测系统的研制,整套系统基于傅里叶变换红外光谱,干涉仪出射的红外干涉信号被10 m光程的气体池中的目标气体吸收后进行傅里叶变换,得到含有气体特征吸收峰的红外光谱;将红外光谱与标准谱库的数据进行对比分析即可实现对目标气体的种类鉴定和浓度测量。系统覆盖650～4 000 cm-1光谱范围,由于大多数VOCs在中红外指纹区具有相对独立的吸收峰,因此可实现对多种气体的分析检测。光谱分辨率为1 cm-1,浓度检测范围为1.6～319.47 mg·m-3(以苯为例)。系统对甲苯、丙酮、乙酸乙酯等十几种VOCs进行分析测试,得到不同气体的红外光谱图,与标准数据库吻合得很好,并且可以根据不同气体的吸收峰对其进行区分。为了得到气体的准确浓度,需要对仪器进行标定。为降低气体在气体池内腔和反射镜上的吸附并控制水蒸气含量,加入温控系统对气体池温度进行实时监测。实验中通入不同浓度的二甲苯标准气体,利用五点标定法得到分析浓度与标准浓度之间的关系,分析浓度的相对偏差小于0.06%。为验证系统在实际工作场景下的性能,选取某喷涂车间,对喷漆过程中溶剂和稀释剂挥发形成的VOCs污染进行一周的监测,得到苯、甲基乙基酮、异丙醇以及乙酸乙酯四种主要污染气体的浓度变化。设定浓度安全阈值为安全作业提供参考。从长时间测试数据分析,系统平均无故障时间(MTBF)长达1 000 h,可长时间稳定可靠地实时监测。     

基于THz光谱的HNS单体猛炸药含量分析系统

现有的傅里叶变换红外光谱仪无法实现六硝基芪的光谱定量分析,而作为常见单体猛炸药而言,能够快速识别并定量分析其含量具有重要意义,故研究设计了一种基于THz光谱技术的HNS检测系统。系统采用透射式吸收光谱计算模式。光路中引入电光调制模块,实现稳定快速的光程静态扫描。在实验获取HNS特征吸收峰位置的基础上,结合空气在此波段的吸收特性,获得了光谱数据相关系数表达式,并由此确定了多特征波长选择依据。结合比尔-朗伯定律,给出了HNS含量的函数表达式及其系数公式。实验通过化学配置法得到不同HNS含量的样品粉末,并以此含量作为标准值。将不同含量的多组HNS样品粉末进行压片处理,分别采用太赫兹光谱仪和本系统进行HNS含量检测。实验结果可知,HNS含量在0.10%～50.00%范围内两种检测方法效果相近,与标准值误差均低于5.0%,且本系统具有更好的线性度。     

开放光路差分吸收光谱技术测量城市大气氨的研究

氨在大气酸沉降和气溶胶二次来源中扮演了重要角色。城市大气NH3的测量对于研究NH3的大气化学显得尤为必要。该文研究了差分吸收光谱技术应用于大气NH3测量时的影响因素;根据NH3在短波紫外的吸收光谱特征,确定了NH3浓度的反演波段和干扰扣除方法。估算了应用于NH3测量的开放光路DOAS系统在228m光程下的探测下限为0.27μg.m-3,并在广州市城区开展了大气NH3的外场测量,NH3表现出明显的日变化规律,白天浓度较低,夜间浓度高。测量阶段中NH3最小值和最大值分别为0.83和3.11μg.m-3,平均浓度约为1.59μg.m-3。该系统的测量精度在10%以内,对测量误差来源进行了分析。     

基于光声光谱技术的1.5 μm波段 NH3吸收谱线测量与分析

NH₃的检测具有广泛的应用,采用光声法检测NH₃是当前研究的热点,而确定NH₃的吸收谱线则是实现光声法检测NH₃的前提。采用外腔可调谐半导体激光器构造了光声气体检测系统,检测了NH₃的近红外吸收谱线,获得了常温常压下NH₃在1 515~1 532 nm范围内的吸收光谱。实验确认了NH₃在1 515.2,1 516.0,1 518.0,1 519.9,1 522.4,1 527.0,1 531.7 nm处存在强吸收。HITRAN 2004光谱数据库在近红外1.5 μm波段NH₃的吸收谱线数据未见报道,该结果为研究光声法检测NH₃提供了更多可选择的吸收谱线。