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FTIR在大气环境监测中的应用及新发展 摘要：多种大气污染物及化学有机物在红外波段存在可以被识别和计量的特征。傅立叶变换红外光谱技术是一种对未知气体可以进行有效的、实时的、连续自动的、远距离并且多组分同时监测的手段。本文介绍了傅立叶变换红外光谱技术的基本原理及应用；并综述了基于FTIR技术新近发展起来的RS-FTIR技术和OP-FTIR/CT技术的发展现状，这些技术将在大气环境监测领域有着非常广阔的应用前景。 关键词：大气监测；空气污染；FTIR； RS-FTIR；OP-FTIR/CT 引言 近年来，随着城市工业、化工、交通的发展以及人口的膨胀，室内、室外大气中的有害物质，无论种类还是数量都有明显上升的趋势。大气污染不仅危害我们的生活与健康，而且也制约着社会和经济的发展。因此，人们对空气质量问题日益重视。为了有效制止或降低污染气体造成的危害，科研工作者首先着眼于研究如何准确高效地监测某地区大气环境中污染物的种类，污染物浓度分布及其变化情况。 现今污染气体环境监测普遍采用的方法有:湿法电化学技术、气相色谱技术、层析技术、质谱及其联用技术。这些技术首先要借助传感器在污染现场布设采样点、取样，随后进行实验室分析;接着工作人员根据有限的点样信息预测其它点的浓度信息[1,2]。这些固定点测量方法由于受到采样覆盖面积、采样频率、及采样数量的限制，只能测定局部的、短时间的、单种污染物质的浓度信息，准确率难于保证，且不能及时准确地预报大气环境污染的时间特性和空间分布特性情况。然而，实时监测某地区大气环境状况，尤其是化工厂区各种容器、管道的气体泄漏情况、烟囱排污是否达标状况，对于维持正常生产，保护厂区人们的健康都是尤为重要的。因此，不管是从大气环境监测方面考虑，还是安全生产、公共安全领域的需求，都迫切需要发展一种非接触、远距离、便携式、快速响应的未知有害气体检测设备。 随着科学技术的快速进步，近年来发展的遥感测量技术，为实时监测大范围气体污染物的成分变化及分布情况提供了可能。大气遥感探测技术以其大范围、多组分检测、连续实时的监测方式，已成为大气环境污染监测的理想工具[3]。其中最为典型的傅里叶变换红外光谱（Fourier Transform Infrared Spectroscopy, FTIR）技术被认为在定性及定量分析上有着非常卓越的能力，其较强的鉴别能力、准确的测定结果和快速的响应功能已经得到了广泛的应用[6]。 FTIR技术之所以发展迅速，是因其具有光通量高、多频路可同时测量、波数精度高的优点[14]，并且在信噪比和光谱分辨率上具有明显的优势，使得探测极限降低便于识别吸收组分。伴随着计算机技术的发展，FTIR光谱仪与计算机系统相结合，可以在很宽的波数范围内对气体组分进行现场分析，测量具有非接触性和非破坏性，通过数据分析处理软件可以在几秒钟或几分钟时间完成气体信息的获取与定量分析[13]。 1. FTIR的技术原理： 傅立叶变换红外光谱仪是傅立叶红外光谱法直接应用的成果，如图1.1：光谱仪的核心部分是迈克尔逊（Michelson）干涉仪，光源发出的光被分束器分为两束，一束经反射到达动镜，另一束经透射到达定镜。两束光分别经定镜和动镜反射再回到分束器。动镜以一恒定速度作直线运动，因而经分束器分束后的两束光形成光程差d，光程差产生干涉信号得到干涉图。干涉光在分束器会合后通过样品池，然后被检测。光源发出的光，经过分光束后，分别到达动镜和经过干涉仪得到的干涉信号是时间的函数，为时域谱（time domain），时域谱通过傅立叶变得到随频率变化的谱图，即频域谱（frequency domain）；对连续光，则需对整个波段积分便可以得到傅立叶变换红外光谱。在实际应用中，可以采取快速傅立叶变换红外光谱，得到频域谱，从而进一步分析化合物的具体性质[5, 7-12]。 图1.1为典型傅里叶变换红外光谱仪的结构（PE Spectrum GX-Ⅰ型） 在红外大气窗口3～5m、8～12m有特征吸收光谱的分子都可以采用FTIR方法对其浓度进行探测。FTIR光谱仪系统的工作原理如图1.2所示，红外光源经准直后成平行光出射，经过一定的光程穿过待测气体，透射光由入射光阑进人干涉仪后会聚到红外探测器上，由探测器测量得到干涉图，经FFT得到气体成分的光谱信息。光谱分析可以采用各种算法，基本的算法是对吸收光谱和实验室参考光谱进行最小二乘拟合，参考光谱最好是采用同样的光谱仪在相同分辨率条件下对标准浓度气体测量得到的光谱。采用非线性最小二乘拟合算法，参考光谱选用通过标准数据库HITRAN计算得到的光谱，将实测的气体透过率光谱与参考光谱进行最佳拟合，通过PC机输出光谱的定量分析结果[13]。 FTIR法可以不经过任何相的转换，直接使用不同的操作技术进行测定，是大气、水、固体和毒理化