多点测量式毒气阵列检测系统研究与光谱分析

　　0 引 言

　　沙林(Sarin)、梭曼(Soman)和光气(Phosgene)等毒气对人类健康危害极大，0.01 mg 沙林即可致人于死地[1]，同时不能准确判断患者所中的毒气种类亦不能准确救治。因此，对毒气种类的识别和痕量浓度的快速、准确检测工作亟待解决。目前存在的毒气检测方法主要有：1) 滴定或者比色法;2) 气相色谱质谱连用法;3) 气体传感器直接检测法。前两种方法都存在一定的缺陷，比如操作过程过于复杂，耗时较长，价格昂贵，不便携带等问题。第三种方法成本低，检测过程方便，非常适合毒气的现场实时检测，利于仪器的微型化[2-3]，但是单一气敏传感器的选择性比较差。

　　因此，笔者在第三种方法的基础上提出了多点测量的技术方案，结合阵列式传感器技术与模式识别技术，实现单组分毒气种类识别后，进而对已识别毒气进行痕量浓度检测，达到了单组分毒气识别和痕量浓度检测的双重目标。

　　1 阵列式毒气检测系统的设计

　　研制的阵列式毒气检测系统以 Beer-Lambert 定律为理论基础，采用后分光光路法和多点测量技术方案，以可见光谱区吸收光谱分析实现对毒气的检测，其组成主要包括光学测量模块、毒气流路模块、测头精密机械传动定位模块、嵌入式硬件模块和数据处理分析与控制软件模块。

　　由于单一传感器的气体敏感单元对检测对象的选择性较差，获取对象的特征信息比较少，不利于建立识别对象的响应模式;同时针对毒气痕量浓度检测，一个测量点难免会引入大的随机误差。因此，笔者以阵列式传感器为硬件基础，以金属卟啉为气敏材料，采用多点测量的技术方案构建阵列式气敏传感器。笔者筛选出 10 种分别与被测毒气敏感的金属卟啉作为敏感材料，制成 10 种气敏试剂块，将其水平等间距地固定在玻璃基层上，然后将有机保护层与玻璃基层进行胶合制作成气敏阵列条，其制作流程如图1 所示。

　　检测系统光路和原理结构如图2 所示，光源 1 采用碘钨灯，其发射的波长为 380 ~760 nm 的可见光谱通过透镜 2 聚光后，通过由 10 根大芯径光纤组成的光纤束 3 分别把入射光导至气敏阵列条 6 上 10 个气敏试剂块的中心，然后启动微泵工作，在毒气反应室出样口 7 一端产生负压，毒气样品在负压的驱使下由毒气样品室经进样口 5 流向毒气反应室，在反应室中经 10 个毒气样品流道分别与 10 种敏感物质反应，使敏感物质变色，以达到测量的目的，然后经出样口 7 流出。在毒气与气敏试剂块反应稳定后，光谱仪测头 10定位在第一个敏感试剂块透射光孔处，透射光传入光谱仪进行分光和数据采集，采集完以后，通过 USB 模块(Host)传入嵌入式系统，然后嵌入式系统通过步进电机驱动丝杠 11，使测头 10 移向第二个敏感试剂块的透射光孔位置，当达到第二个敏感试剂块的透射光孔位置时，位置检测模块产生中断，此时嵌入式系统停止驱动步进电机，开始通过光谱仪 12 采集第二个敏感试剂块透射光的光谱数据，采集完后，把数据传入嵌入式系统。直到把 10 个位置的光谱数据都采集完且传入嵌入式系统后，进行模式识别和数据处理与分析，处理的结果通过 LCD 进行显示或通过 USB 模块(Device)传入上位机，进行检测结果的保存、打印或通过网络传输到远程环境检测中心，同样上位机也可以通过 USB 模块(Device)对仪器参数进行设置。