现有检测室内VOC 技术的不足

摘 要： 分析了现有检测室内VOC 技术的不足，介绍基于特征光谱吸收理论检测室内VOC
的理论依据和可行性，基于远红外光谱技术的小型化，便携在线测量VOC 的仪器是未来的
发展方向。
关键词：VOC，检测方法，吸收光谱，发展趋势
中图分类号：0433.1 TH744.1
1. 引 言
近年来，随着经济的发展和人们生活水平的日益提高，办公和居住场所的装修水平也越
来越多，新型建筑材料特别是化学合成建材被广泛地使用，高档家具、家用电器纷纷进入家
庭和办公室，香料、化妆品、空气清新剂、杀虫剂和洗涤剂等也成为了人们生活中必不可少
的用品。这些因素导致了室内空气有害物质的不断增加，从而产生了室内空气污染[1、2、3]。
这在发展中国家，由于经济的快速发展，表现更为严重[4]。
室内空气污染物的种类很多，挥发性有机化合物（VOC）是室内空气污染物主要成分
之1。按照世界卫生组织（WHO）的定义，挥发性有机化合物（Volatile Organic Compounds,
VOCs）是沸点范围在50～260℃之间，室温下饱和蒸汽压超过133.32Pa，在常温下以蒸汽
形式存在于空气中的1类有机物。按结构可进1步分为8类：烷烃、芳香烃、烯类、卤烃类、
脂类、醛类、酮类和其他化合物，，目前已鉴定出300 多种[5，6，7，8],VOC 的特点是在施工中
大量挥发，使用中缓慢释放[9，10,11]。有些具有致癌、致畸、致突变毒性，其中至少有10几种
被列入美国国家环境保护局(EPA)和我国国家环境保护总局确定的优先监测污染物名录[12]。
2. 传统检测技术现状
由于VOCs的组成成分复杂，每种成分在大气中的含量很低，通常为（0～4000）ppb，
属于超低气体浓度探测，目前主要采用的，同时也是国家标准规定的方法[13]是气相色谱法 （转载自中国科教评价网http://www.nseac.com）
( GC)。该方法是间接测量的方法，需用现场采样后将样品带回实验室检测。该方法原理上
并不复杂：首先通过物理法将VOC的各种成分依据其物理特性在色谱柱中进行分离后，依次
进入检测器，检测器输出1个该随时间变化的信号，就是被测物质的色谱图，通过与已知物
质标准浓度的色谱比对[14，15,16]，计算出被测物的组份和浓度，因此这种方法对未知样本无法
确定种类，图1是1张甲苯和乙苯的色谱图。
该方法首先涉及到的是现场采样技术，规范中详细规定了采样的器具的材质、规格、
1 本项目由科技部国际合作项目No.2006DFB72510.山西省国际合作项目No.2006081015，太原市科技兴市
专项：07010709

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采样的操作规程及样品的保存和运输等诸多环节，每1环节都将对测试结有关键性的影响
[1718,]。
图1 甲苯、乙苯等化合物的色谱图
其次是分离技术，它利用被测物质不同组分在两相中（固定相和流动相）分配系数等性
质的微小差别，连续多次在两相间进行质量交换，最终获得分离的技术[19,20,21]，根据分离机
制可分为：
l）吸附色谱（adsorption chromatography），利用吸附剂对混合物中不同组分吸附性能
的差异进行分离。
2）分配色谱（partition chromatography），利用混合物中各组分在固定相和流动相之间
分配系数的差异进行分离。
3）离子交换色谱（ion－exchange chromatography），利用混合物中各组分离子与离子
交换剂的交换能力不同进行分离。
4）空间排阻色谱（size－exclusion chromatography），利用多孔性物质对不同大小分子
的排阻作用，分离机制类似分子筛。
被测物质经过分离后，进入检测器，根据检测器的检测机理不同，主要分为：
1）光离子化检测器（ Photo Ionization Detector，abr. PID）法 （科教作文网http://zw.ΝsΕAc.Com编辑整理）
不同的有机物，其电离能不同[22]，用不同能量的紫外光，照射被测物质使其电离，形成
带电粒子，然后由PID的测试电极对其进行收集，电流的大小与被测物质的有关；测试VOC
的PID所用光源的光子能量为10.6eV，该能量级的光子可电离几乎所有空气中的有机化合物。
这种仪器测量范围较宽,由0. 1ppm～5000ppm ,响应速度1般小于3 秒, 不会中毒，体积小
巧，便于携带测量。缺点是需要标准气体进行标定，不能 分辨出被测物中各种成分的单独
含量。如被测气体中含有甲烷，灰尘等杂质，将会降低本检测仪器的灵敏度。另外，沉积在
窗口上的颗粒也可能减少灯对样品的辐射，水蒸气或其它较热的气体和蒸气在窗口上的冷凝
也有同样的影[23]。
2） 氢火焰检测器（FID，flame ionization detector）
利用氢火焰作电离源，使被测物质电离，通过对电离后的离子收集，产生与比测物浓度
成比例的电流信号。
通过以上分析，色谱法虽然是标准的检测VOC 成分和浓度的方法，但该方法涉及到采
样、分离、检测，标准图谱比对等环节，仪器结构复杂，操作繁琐，监测周期长等不足，针

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对室内VOC 的污染物的特点，科研人员相继发明多种快速便携检测仪器但这些仪器多数是
基于色谱法的衍生或改进产品，如美国Rae 公司生产的PDM-10A 型光离子化检测器、英国
产PC5000E、德国Drager 公司生产的型号为pacIII 甲醛检测仪等。
3.发展趋势
根据现代气体分子运动理论及量子力学理论，由于气体分子的振动、转动，化合键的伸
缩以及化合键的摆动构成1系列的能级或能带；不同原子数目、不同质量的原子以及不同强
度化学键构成的气体分子具有不同的能级结构，因而表现为具有不同的吸收光谱特性。图2 （科教论文网 Lw.nsEAc.com编辑整理）
是甲苯的特征吸收光谱，同时利用690cm-1和790cm-1这两根特征吸收谱线可以很准确判断出
被测样本中甲苯的存在[24]。
图2 甲苯特征吸收光谱
然而受光源的约束，早期的激光器，特别是可调谐半导体激光器的输出波长只在紫外波
段，而在这1波段有机化合物的吸收光谱具有较多的重叠，如图3所示甲醛的吸收谱线与其
它气体的吸收谱线相互重叠，难以用1两个吸收峰准确判断出有机物的，故在此波段内多财
用差分吸收光谱（Development and Application of UV-Visible and Mid-IR Differential
Absorption Spectroscopy ,abr. DOAS）[25，26，27]进行检测，该方法计算量大，由于有机物
气体在该波段的吸收系数较低，1般采用百米的长光腔气体吸收室[26]。
图3 200nm-500nm范围内甲醛及相关气体吸收光谱
由于多数有机化合物的印记特征吸收谱都在3μm -20μm的远红外波段，因此利用这1

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波段更容易识别痕迹气体，但在2000年以前尚无合适的激光器可供利用，科研人员发明了差
频的方法用，两个不同波长的激光器进行差频以获得远红外波段的输出，结合2次谐波锁相
探测技术并实现了ppb级[28，29，30]的探测灵敏度,随着激光器制造技术的进步，常温远红外波
段的激光器及激光探测器将变得容易获得，因而基于远红外便携光谱技术是探测大气中的多
成份有机物的发展方向。
4 结论
本文分析了现有室内VOCs检测技术的不足，结合现代光学技术的发展，认为基于远红外光
谱技术是探测大气中的多成份有机物的发展方向。
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Status quo and trend of the detecting technology of
VOCs indoor
ZHANG Yue★, ZHANG JiLong, , LI Xiao, WANG ZhiBin,
Key Laboratory of Instrumentation Science and Dynamic Measurement,
Engineering Technology Research Center of SHANXI Province for Photoelectric Information and
Instrument, North University of China
Taiyuan, Shanxi Province 030051, China, TEL& Fax: 0086-351-3921734
Abstract
Review of current methods of detecting VOC of indoor. Disadvantage of those methods also be
discussed in detail. The theory of absorbing optic-spectrum is introduced. Embedded portable VOC
detector based on the far- infrared absorbing spectrum theory will be popular in near future.
Keywords: VOCs, Detection Method, Absorption Spectrum, Trend