有害氣體檢測(cè)技術(shù)之專利分析

楊華榮

人的生存離不開空氣，環(huán)境質(zhì)量的好壞對(duì)身心的健康非常重要。近年來，由于環(huán)境污染而引起的人口健康問題越來越突出，已經(jīng)引起全球各國的關(guān)注。我國政府從關(guān)心人民的健康出發(fā)，從1987年開始，衛(wèi)生部頒布了《公共場(chǎng)所衛(wèi)生管理?xiàng)l例》，接著又提出了7類28種公共衛(wèi)生場(chǎng)所的衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)室內(nèi)空氣中風(fēng)速、溫度、新風(fēng)量、一氧化碳、二氧化碳、甲醛、氨氣、細(xì)菌總數(shù)等要求進(jìn)行檢測(cè)，隨后又頒布了室內(nèi)空氣中甲醛、二氧化碳、氮氧化物、二氧化硫等衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)。鑒于室內(nèi)空氣中有害氣體的嚴(yán)重危害，國內(nèi)外提出了多種檢測(cè)方法，對(duì)于有害氣體主要分為儀器法、化學(xué)分析法和傳感器法。下面將對(duì)幾種典型方法的發(fā)展脈絡(luò)進(jìn)行詳細(xì)分析。

1.儀器法

儀器法主要包括色譜法、極譜法和光譜法。這些方法可以對(duì)空氣中的甲醛、VOCs、苯系物等進(jìn)行檢測(cè)。

其中色譜法是最常見的一種檢測(cè)方法，可以具體細(xì)分為氣相色譜、高效液相色譜和離子色譜。色譜儀的體積比較大，不適合便攜式的檢測(cè)儀器使用，但是其檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確，該技術(shù)的專利申請(qǐng)多見高校。極譜法[1]所用的儀器也比較昂貴，極譜定量分析的依據(jù)是極限擴(kuò)散電流與被測(cè)離子的濃度成正比的關(guān)系[2]。因?yàn)殛P(guān)于極譜法檢測(cè)空氣的專利申請(qǐng)較少，這里不再探討。

光譜法是新興的一種檢測(cè)空氣中有害氣體的方法，目前使用較多，通過氣體污染物吸收特征波來測(cè)定其含量。光譜檢測(cè)系統(tǒng)主要包括光學(xué)系統(tǒng)、光電信號(hào)采集系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)[3]。

如早期采用該方法進(jìn)行檢測(cè)空氣質(zhì)量的德國專利DE19716388A1，申請(qǐng)日為1997年4月18日，采用紅外吸收的方法檢測(cè)起居室內(nèi)碳氧化物的含量，再如我國的專利CN101105446A，申請(qǐng)日為2008年1月16日，公開了一種差分吸收光譜空氣質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)，

光源發(fā)射裝置和光源接收裝置將光源發(fā)出的光形成穿過所檢測(cè)氣體的光路，所產(chǎn)生的光信號(hào)經(jīng)光纖傳入光譜儀，再通過光電轉(zhuǎn)換設(shè)備將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，最后由數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)先采用傅立葉變換的信號(hào)分析方法對(duì)光譜進(jìn)行處理，得到檢測(cè)氣體的吸光度曲線，并根據(jù)吸光度曲線的強(qiáng)度，結(jié)合Lambert-beer定律得出檢測(cè)氣體的濃度。

光譜法檢測(cè)系統(tǒng)不受顯色時(shí)間的嚴(yán)格限制，在實(shí)際的操作過成當(dāng)中很容易達(dá)到，而且測(cè)試成本不高，所以被廣泛的使用。

2.化學(xué)分析方法

化學(xué)分析方法中常采用的是分光光度法，所采用的設(shè)備是分光光度計(jì)，是基于分子結(jié)構(gòu)不同的物質(zhì)對(duì)電磁輻射的選擇性吸收而建立的一種定性及定量的方法。化學(xué)分析法檢測(cè)結(jié)果可靠，系統(tǒng)穩(wěn)定，并且應(yīng)用成熟廣泛，但是這類方法的最大的缺點(diǎn)就是分析周期長，操作繁瑣，室內(nèi)空氣中甲醛的含量檢測(cè)通常使用該方法[4]。

如早期使用分光光度法檢測(cè)空氣中甲醛含量的蘇聯(lián)專利SU1330521A1，申請(qǐng)日為1985年11月20日，其核心技術(shù)方案為將含有甲醛的空氣被溶劑溶解，放入樣品池中進(jìn)行檢測(cè)；類似的專利還有：SU1427258A1，申請(qǐng)日為1987年2月25日。CN1071255A是我國早期使用分光光度法檢測(cè)的專利，申請(qǐng)日為1993年4月21日，采用分光光度法測(cè)量空氣中二氧化碳的濃度；近期的我國專利CN204359678U，申請(qǐng)日為2015年5月27日，其室內(nèi)空氣檢測(cè)儀采用采用酚酞試劑分光光度法，類似的專利還有CN203455272U，申請(qǐng)日為2014年2月26日，采用一個(gè)分光光度檢測(cè)瓶檢測(cè)空氣中甲醛和氨的濃度。

3.傳感器法

利用傳感器法對(duì)空氣質(zhì)量進(jìn)行逐漸成為當(dāng)今社會(huì)最為流行的一種技術(shù)手段。在空氣質(zhì)量檢測(cè)方面發(fā)揮重要作用的主要有：電化學(xué)傳感器法和生物傳感器法等。目前我國的空氣質(zhì)量檢測(cè)專利申請(qǐng)大多采用傳感器來進(jìn)行檢測(cè)，而其中最常用的是電化學(xué)傳感器，傳感器由兩個(gè)貴金屬電極和合適的電解質(zhì)組成。早期的日本專利JPH02196956A，申請(qǐng)日為1990年8月3日，采用電化學(xué)傳感器法檢測(cè)碳氧化物、氫、氧氣等，如圖所示，在導(dǎo)電性基板13上設(shè)置電極20、30、40，利用電解質(zhì)50溶解氣體，從而在電極上產(chǎn)生電壓，被測(cè)氣體濃度與電壓成正比，通過檢測(cè)電壓的大小得到被測(cè)氣體的濃度。

生物傳感器也有較久的歷史，早期利用空氣傳感器檢測(cè)的是空氣的濕度，密度等，在后來運(yùn)用到有害氣體物質(zhì)的檢測(cè)。在1983年，Guilbault研制出甲醛生物傳感器（Guibault G G. Determination of Formaldehyde with an Enzyme-Coated Piezoeletric Crystal Detector. Analytical Chemistry，1983，55：1882-1884），用此檢測(cè)空氣中甲醛物質(zhì)的含量。而該技術(shù)在中國出現(xiàn)較晚，在2000年以后。

早期的美國專利US3958938A，申請(qǐng)日為1974年12月16日，利用生物傳感器檢測(cè)空氣樣本中水蒸氣的含量，專利CS273592A，申請(qǐng)日為1992年9月1日，采用生物傳感器檢測(cè)空氣、水、土壤等中的有機(jī)物。而利用生物傳感器檢測(cè)空氣質(zhì)量的技術(shù)在中國出現(xiàn)較晚，例如CN102020219A，申請(qǐng)日為2009年9月23日，采用生物傳感器檢測(cè)空氣中甲苯類有機(jī)污染物的含量，CN102435652A，申請(qǐng)日為2012年5月2日，采用一種酶生物傳感器檢測(cè)甲醛氣體的含量。

結(jié)語

本文探究了空氣中氣體有害物的檢測(cè)原理。通過對(duì)有害氣體檢測(cè)的技術(shù)發(fā)展路線分析發(fā)現(xiàn)，色譜法和極譜法測(cè)量儀器比較復(fù)雜，不適合便攜式的檢測(cè)儀器使用，而光譜法是一種新興的方法，被廣泛使用；傳感器法被廣泛應(yīng)用于空氣質(zhì)量檢測(cè)儀當(dāng)中，采用該方法的專利申請(qǐng)?jiān)谖覈罅砍霈F(xiàn)。空氣質(zhì)量問題已經(jīng)引起我國各界人士的重視，在已有的技術(shù)條件下，只有不斷探索和創(chuàng)新，才能防患于未然，順應(yīng)時(shí)代發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[1]楊正良等，極譜儀應(yīng)用的最新進(jìn)展，第42卷第11期，2014年6月

[2]朱麗芳，空氣中甲醛測(cè)定方法綜述，環(huán)境污染防治，第13卷第3期，1991年

[3]程望斌，光譜法測(cè)定空氣中甲醛濃度的方法研究，華中科技大學(xué)碩士論文，2006年4月

[4]杜鵑，便攜式現(xiàn)場(chǎng)甲醛檢測(cè)儀的設(shè)計(jì)，鄭州大學(xué)，碩士論文，2010年5月