有毒气体快速检测手段综述

有毒气体快速检测手段综述

陈富强

中煤科工集团重庆研究院有限公司 重庆 400037

1 引言

和平与发展是当今世界的两大主题。然而由于民族的、宗教的和社会各阶层之间的利益不同所引发的矛盾和冲突从没停止过，不断发生的局部战争和恐怖主义袭击活动，特别是大规模杀伤性武器的使用对世界安全和人类和平造成了巨大威胁。化学武器具有成本低、容易制造和使用隐蔽的特点，因此，很容易成为战争和恐怖袭击使用的大规模杀伤性武器。世界各国政府都积极寻求快速有效的方法来检测空气中的化学毒剂，以便发生袭击事件时能够及时迅速使污染区的人员进行有序的疏散，从而减少伤亡。我国也同样面临着各种分裂势力利用化学武器进行恐怖主义袭击的威胁。

2 常用检测方法

针对化学武器的检测方法与技术已进行了大量的开发与研究。常用的方法有气、液相色谱及其与质谱的联用、火焰光度法、红外光谱技术、表面声波技术、电化学方法及离子迁移谱分析技术等。色谱技术检测灵敏度高，但检测周期较长，需要20-30分钟；质谱技术分辨率高，但是苛刻的真空环境限制其在户外使用。对于室外快速检测中，基于火焰光度法及红外光谱等技术的仪器更加便携，可以进行实时检测。

2.1火焰光度法

火焰光度法（也称火焰光谱法，FPDs ）是一种原子光谱技术，它是基于激发态的原子或原子团回到较低能量状态时产生的一种发光现象。这是一项重要的化学战剂检测技术，并且已经过长期的实际应用。对激发态的硫和磷原子发出的特征光谱检测已经应用于化学战剂的识别与鉴定，如Prongin 公司的AP2C 气体检测器。基于原子光谱技术的检测器也可以用于含硫、磷、砷或其它能发出特征光谱的原子的物质的检测。FPDs 对化学武器的检测限在ppb 至ppm 量级。

FPDs 对所有的含磷和含硫化合物都会产生信号响应。从这个意义上讲它只是一种半选择性的检测器。如果没有对样品中的化合物采取分离手段，仅靠FPDs 是无法判断其检测的信号是来自化学武器还是其它含硫/磷的化合物，如杀虫剂、汽车尾气和石油产品等。

2.2红外光谱技术

红外光谱（IR ）技术是基于被测物对特定波长红外光谱的吸收。分子中的功能团都以一定频率在振动，它们的振动频率处于IR 光谱的频率范围。分子吸收了具有相同频率的IR 光波能量以后，其功能团的振动就会被激发到一个更高的能级。特定的功能团只能吸收特定频率的IR 光谱。通过测定被吸收光谱的频率，就可以确定分子结构。

样品湿度的变化会造成虚假的红外吸收信号，也会对干扰检测的校正。目前IR 检测器对化学武器的检测灵敏度不高；理想条件下，仅为ppm 量级。

2.3表面声波

表面声波（Surface Acoustic Wave，SAW ）技术利用压电物质表面形成的声波，包括声波的产生、控制、传播和接受。1979年，Wohltjen 和Dessy 首次报道了采用SAW 技术的化学传感器。

SAW 器件可以实现小型化且成本低廉，灵敏度高，能够检测到ppb 级的化合物；动态响应范围宽，可达六个数量级。但SAW 器件检测过程中存在吸附平衡和解吸附恢复过程，因此总的检测时间都较长，数十秒至几分钟不等。由于不能制备仅吸附一种化合物的聚合物膜，所以存在未知化合物吸附到膜上发生误报现象。

2.4比色技术

比色法检测器的测量是利用目标物与显色试剂反应产生的颜色变化。该技术已经广泛应用于许多不同领域。最常见的例子是用石蕊试纸（PH 试纸）测试溶液的pH 值，以及测量游泳池中氯浓度的水质测试包。

比色法检测技术具有很好的选择性与灵敏度，其最低检测限可达ppb 级。与其他检测技术相比，其不易受到干扰。其不利的一面是显色反应需要一定的操作和反应时间，而且检测不同化合物需要的显色反应也是不一

样的，并且其定量的可靠性较差。因此，通常将其作为其它类型的、能够实时检测仪器的补充。

2.5离子迁移谱技术

离子迁移率谱（Ion Mobility Spectrometry, IMS）是近几十年发展起来的一种新型气相分析和检测技术，通过测定气态特征离子在弱电场中的迁移率来检测痕量化学物质。

从工作原理看，IMS 技术与已经发展成熟的TOF 质谱分析技术有相似之处，但不同点在于质谱分析需要在高真空条件下进行，而IMS 运行在常压环境。因此，IMS 无需笨重的真空系统，有利于IMS 仪器的小型便携化，非常适合现场检测。与其它高灵敏度的分析仪器相比较，IMS 仪器体积小，重量轻，耗能少，价格相对便宜，同时能在线检测。正因为如此，IMS 技术被预言为21世纪分析领域中正在觉醒的巨人。

工作时被测样品气体分子随载气进入离化区，被离化成相应离子，然后在离化区弱电场的作用下向迁移区方向移动，由于离子门绝大部分时间处于关闭状态，其逆向的强电场阻止离子向迁移区进一步移动，离子在离子门前存储起来。当离子门开启时，强逆向电场消失，存储在离子门前的离子在存储区迁移电场的作用下进入迁移区。由于离子门开启时间非常短暂，进入迁移区前端的离子为很窄的离子群。

迁移区由若干个金属环和绝缘环交替排列组成，在金属环上加上一系列电压来产生均匀电场。在电场作用下，进入迁移区前端的离子群向法拉第盘迁移，不同种类离子由于迁移速度不同，在迁移过程中离子群被分离成一个个独立的子离子群。

法拉第盘位于迁移区的末端，用于获取离子电流信号。当一个子离子群到达法拉第盘时，会产生一个瞬时脉冲电流信号，表现为谱图中的一个离子峰，通过测定谱图中离子峰的位置即可获得该离子迁移的时间，最后通过比对预先标定的各种物质离子的迁移时间，即可分析出各个离子峰代表的物质种类。

IMS 分析速度快、灵敏度高，检测限低至ppb 级。IMS 是一种非选择性的检测技术，通过漂移管对离子进行分离，具有较强的鉴别能力。但是

其分辨率较低，会使部分化合物的信号峰重叠，对检测产生干扰，发生误报或漏报现象。

3 小结

化学武器袭击发生时，有快速可靠的装备检测空气中这些化合物的存在是至关重要的。各国研究人员投入大量的人力、物力在化学武器的快速检测方面，开发了基于上述方法多款商用化仪器。但是上述几种方法都存在一定局限性，单独使用时很难定性与定量分析。因此，检测仪器发展的一个趋势是通过多种方法来同时检测，使检测结果更加准确与可靠；同时积极开发基于新原理、新器件的检测方法实现更高灵敏检测。

参考文献：

1、《有毒有害气体检测仪常用的几种检测方法》

2、《几种高灵敏度有害气体快速检测管的研究》

作者：陈富强 1980-5-15 学历：本科 从事工作：矿山仪器仪表及安全监控系统研发 职称：工程师 单位：中煤科工集团重庆研究院有限公司/工业安全研究分院 电话 [1**********]