1 中北大学 电子测试技术国家重点实验室
2 仪器科学与动态测试教育部重点实验室，山西太原 030051
由于不规则复杂狭小空间微小渗漏难以测量，急需一种便于安装、痕量级测量、快速应答、精准定位的在线监测系统。本文设计了一种基于 Visual Basic(VB)的泄漏在线监测系统，总节点以 XC6SLX16-3CSG324I为主控芯片，子节点以 STM32F103C8T6为硬件电路的主控芯片，微系统(MEMS)金属氧化物传感器 Ccs811、Bmp180、Si7021构成数据采集电路。采集电路采用柔性电路技术，以适应狭小空间贴装，便于监测；被测泄露工质可以是纯粹的气体或含有某些挥发性物质的液态。实验结果表明，该系统可实现非接触式测量、快速传感、精确定位，并可测量到挥发性有机化合物(VOC)气体浓度为 ppb量级，实现痕量级渗漏测量。
传感器 现场可编程门阵列 挥发性有机化合物气体 泄漏监测 sensor Field Programmable Gate Array(FPGA) Volatile Organic Compounds gas leakage monitoring 太赫兹科学与电子信息学报
2023, 21(8): 1043
太原理工大学 化学化工学院, 省部共建煤基能源清洁高效利用国家重点实验室, 太原 030024
常见的吸附剂如13X等的硅铝比较低, 具有较强的亲水性, 但水和有机挥发份(VOCs)之间的竞争吸附, 常常会影响吸附剂对VOCs实际脱除效果。本研究利用CTABr为模板剂, 正硅酸乙酯为硅源, 对13X进行表面修饰, 制备了以13X为核, 介孔硅为壳的核壳复合材料13X@SiO2, 并以甲苯作为探针分子在穿透实验装置对改性前后沸石分别进行干/湿条件下的吸附性能测试。结果表明: 在干燥条件下, 13X@SiO2-2.6样品(制备中添加了2.6 mL正硅酸乙酯)相比13X原样的吸附量提升了18%左右。在30%和50%相对湿度下, 13X@SiO2的最优吸附容量分别提高了约53%和90%; 循环再生实验表明13X@SiO2-2.6样品经2次再生后仍保持初始样品90%的甲苯吸附量。
核壳结构 复合材料 疏水改性 有机物挥发性 吸附 core-shell structure composite material hydrophobic modification volatile organic compounds adsorption 
Author Affiliations
Abstract
Department of Electronic Engineering, School of Electronic Science and Engineering, Xiamen University, Xiamen 361005, China
We demonstrate the dynamic coloration of polymerized cholesteric liquid crystal (PCLC) networks templated by the “wash-out/refill” method in the presence of organic compounds. The reflection colors were modulated by two key approaches, that is, the injection of mutually soluble organic fluids into a microfluidic channel and the diffusion of volatile organic compounds (VOCs). The reversible tuning of reflected colors with central wavelengths between and was achieved by alternative injection of nematic liquid crystal E7 (nav = 1.64) and benzyl alcohol (n = 1.54) using syringe pumps. The fascinating iridescence with reflection centers from to was presented from the volatilization and diffusion of alcohol as a model VOC. Additionally, the flow velocity of fluid and the diffusion time were adjusted to explore the underlying mechanism for the dynamic coloration of cholesteric networks. This work is expected to extend the study of PCLCs as a dynamically tunable optofluidic reflector, visually readable sensor, or compact anti-counterfeit label in response to organic compounds.
cholesteric liquid crystal structural color microfluidics diffusion volatile organic compounds Chinese Optics Letters
2022, 20(9): 091602
1 南京信息工程大学江苏省大气海洋光电探测重点实验室, 江苏 南京 210044
3 新疆师范大学物理与电子工程学院, 新疆 乌鲁木齐 830054
作为一种主要的大气污染物, 挥发性有机物(VOCs)因其对大气环境极强的破坏性和生理毒性而受到广泛的关注, 在线探测大气中挥发性有机物是一个极具挑战性的工作。 将激光诱导击穿光谱(LIBS)与Raman光谱相结合, 分别从原子发射光谱及分子结构信息角度对挥发性有机物进行了分析。 在线原位检测得到的LIBS光谱观测到了Br元素特征谱线及N, O和H等空气所含元素特征谱线。 实验成功探测到了挥发在空气中的邻氟溴苯, 对于大气中溴的探测及其相关反应机理研究提供了支持。 对于高能激光作用下产生的CN和C2自由基分子, 具体分析了二者产生机理。 激光脉冲使空气中的氮气和邻氟溴苯的苯电离分解, 邻氟溴苯中的碳原子与空气中的氮发生反应, 会形成高温的等离子体, 其中的碳氮原子再重新自由组合从而形成CN自由基并自发辐射, 通过光谱仪可采集到该自由基的自发辐射的分子谱。 待测样品邻氟溴苯分子含有苯环, 分子中存在多个碳原子。 在强激光作用下邻氟溴苯分子发生光解离, 易于形成C2自由基分子, 并辐射产生C2自由基光谱。 实验验证了C2自由基来自于邻氟溴苯样品里的苯环基团。 为增加对挥发性有机物分子结构信息的了解, Raman光谱在线探测的引入很有必要。 在样品Raman光谱实验结果的基础上, 结合了密度泛函理论(DFT)对其振动模式及分布进行了计算拟合, 对其振动产生的特征峰进行了标定并获得了其特征光谱指纹。 强度较高的4个峰(310, 833, 1 036和1 244 cm-1)是C—Br键及C—F键振动表征, 特别是前二者(310和833 cm-1)显示存在溴、 氟原子位移, 可作为该分子的特征光谱指纹对其进行识别。 实验证明, LIBS与Raman光谱相结合应用至VOCs的在线探测具有很好的效果, 对相关探测工作具有重要参考价值。
激光诱导击穿光谱 拉曼光谱 挥发性有机物 Laser-induced breakdown spectroscopy (LIBS) Raman spectroscopy Volatile organic compounds 光谱学与光谱分析
2021, 41(9): 2729
1 楚雄师范学院云南省高校分子光谱重点实验室，云南，楚雄 675000
2 楚雄师范学院光谱应用技术研究所，云南，楚雄 675000
用油细胞原位拉曼光谱检测方法，直接获得了白兰花、深山含笑、黄花含笑油细胞的拉曼光谱，通过分析研究得出其主要挥发物。白兰花盛花油细胞中的主要挥发物为：芳樟醇、β-蒎烯、没药醇、香芹酮、α-松油烯、β-榄香烯。深山含笑盛花、花蕾油细胞中的主要挥发物为：甲氧基肉桂酸乙酯、对伞花烃、香茅醇。黄花含笑小花蕾、花蕾、盛花油细胞中的主要挥发物为：香芹酮、α-蒎烯、β-蒎烯、反式-反式-金合欢醇；对伞花烃、甲氧基肉桂酸乙酯、反式-反式-金合欢醇；甲氧基肉桂酸乙酯、反式-反式-金合欢醇。
白兰 深山含笑 黄花含笑 挥发物 拉曼光谱 Michelia alba DC Michelia maudiae Dunn Michelia xanthantha C. Y. Wu volatile organic compounds Raman spectrum
半挥发性有机物(SVOCs)在颗粒间的重新分配过程, 对于理解大气颗粒物的生长和沉降具有重要意义。 光镊-受激拉曼光谱技术, 相比于其他悬浮技术, 不但可以悬浮液滴, 而且能获得液滴的常规拉曼散射光谱, 得到液滴的化学组成和结构等信息, 根据受激拉曼米氏散射共振可以计算出液滴的半径和折射率随环境的变化。 光镊受激拉曼光谱技术的优势, 体现在颗粒半径可以精确测量, 化学组成、 相态和形态可控, 并可实现长时间观测。 采用光镊-受激拉曼光谱技术, 观测了不同摩尔比(OIR)的丙二酸/硝酸钠的悬浮液滴, 与样品池内壁沉积的颗粒中丙二酸的重新分配过程。 发现当OIR为1:1时, 光镊悬浮的液滴和样品池沉积的液滴在整个观测相对湿度(RH)内均未有硝酸钠晶体析出, 在恒定RH下, 悬浮液滴的半径随着丙二酸的蒸发而缓慢减小。 当OIR为1:2及1:3, 即硝酸钠的含量较多时, 在RH分别低于52.5%, 58%的条件下, 悬浮液滴的半径在恒定RH下并没有减小反而逐渐增加, 这表明丙二酸在悬浮液滴与周围样品池沉积的液滴之间发生了重新分配, 归因于低RH下, 样品池表面沉积的液滴中, 硝酸钠经历了异相成核而出现了结晶, 而悬浮液滴始终保持溶液状态。 因此样品池表面沉积颗粒物的丙二酸蒸汽压, 远大于没有结晶的悬浮液滴中丙二酸的蒸汽压, 从而使得丙二酸由样品池内壁上的颗粒物挥发转移至悬浮液滴中, 使得悬浮液滴的半径增大。 这对于解释SVOC在外混的不同相态颗粒间的重新分配过程是一个很好的模型。
半挥发性有机物 光镊 重新分配 丙二酸/硝酸钠 Semi-volatile organic compounds Optical tweezers Repartitioning Malonic/NaNO3 光谱学与光谱分析
2020, 40(10): 3098
1 泰州市泰兴环境监测站, 江苏 泰兴 225400
2 合肥国信聚远科技有限公司, 安徽 合肥 230088
傅里叶变换红外光谱技术是近年来发展较为迅速的一种综合性探测技术, 在挥发性有机物监测方面有着广泛的应用前景。 介绍了基于便携式傅里叶变换红外光谱技术测量挥发性有机物的系统结构与定量分析流程, 并结合车载移动平台, 对 泰兴市餐饮集聚区进行了走航观测, 获取了餐饮聚集区的 VOCs 浓度信息, 确定了餐饮集聚区 VOCs 的时空特征。观测结果表明, 将便携式傅里叶变换红外光谱技术与车载移动平台相结合, 在城市 VOCs 排放走航观测方面有一定优势, 能够获得城市餐饮 VOCs 时空排放特征。
傅里叶变换红外光谱 走航观测 挥发性有机物 便携式 FTIR 泰兴市 Fourier transform infrared spectroscopy underway observation volatile organic compounds portable FTIR Taixing 大气与环境光学学报
2020, 15(5): 357
1 中国科学院西安光学精密机械研究所, 中国科学院光谱成像技术重点实验室, 陕西 西安 710119
2 中国科学院大学光学学院, 北京 100049
鉴于浅层人工神经网络(ANN)需要依靠先验知识进行人工提取特征, 同时较浅的网络结构限制了神经网络学习复杂非线性关系的能力, 将深度神经网络(DNN)应用于利用傅里叶变换红外光谱(FTIR)对多组分易挥发性有机物(VOCs)进行的浓度反演研究, 并利用仿真实验验证了算法的有效性。 从美国环境保护署(EPA)的数据库中选取了包括苯、 甲苯、 1,3-丁二烯、 乙苯、 苯乙烯、 邻二甲苯、 间二甲苯、 对二甲苯在内的八种VOCs气体在8～12 μm波长范围内的吸光度谱, 每种气体有四种不同浓度下的谱线, 依据Beer-Lambert定律从每种VOCs气体中选择一种浓度下的吸光度谱进行混合, 得到65 536种不同的VOCs混合气体吸光度谱样本。 随机选择5 000组混合气体的吸光度谱, 其中4 000组作为训练样本, 1 000组作为预测样本。 通过积分提取和主成分提取对光谱矩阵进行降维预处理, 将光谱维度从3 457维降到30维。 将光谱矩阵经过预处理后得到的新矩阵作为网络输入, 对应八种VOCs的浓度矩阵作为输出, 建立了30-25-15-10-8的深度神经网络回归预测模型来实现多组分VOCs浓度反演, 反演得到样本的均方根误差为0.002 7×10-6, 相比于前人利用非线性偏最小二乘拟合、 人工神经网络等方法拟合的精度有了明显的提高。 每种VOCs气体的均方根误差均不超过0.005×10-6, 每个样本的均方根误差均不超过0.006×10-6, 证明了深度神经网络预测模型具有良好的非线性拟合能力和良好的稳定性。 当训练样本不足(典型值: 小于500)时, 深度神经网络无法充分地学习, 网络误差较大, 精度低于单隐藏层的人工神经网络, 但随着训练样本数量的增加, 深度神经网络的精度不断提高, 当训练样本数充足时, 相比浅层的人工神经网络, 深度神经网络具有更强的非线性关系学习能力, 预测精度更高, 模型更为稳定。 同时, 由于训练前对光谱矩阵进行了降维处理, 大大降低了算法的复杂度, 有效提高了反演效率。 分析表明, 深度神经网络预测模型具有良好的非线性拟合能力和良好的稳定性, 无需人工提取特征就能够充分学习数据特征, 同时对多组分VOCs进行浓度反演并达到较高精度。
深度神经网络 傅里叶变换红外光谱 易挥发性有机物 浓度反演 多组分分析 Deep neural network Fourier transform infrared spectroscopy Volatile organic compounds Concentration inversion Multi-component analysis 光谱学与光谱分析
2020, 40(4): 1099
浙江工业大学 化学工程学院, 绿色化学合成技术国家重点实验室培育基地, 杭州 310014
采用直接吸附法制备了Pd负载量为0.03% (质量分数)的Pd/γ-Al2O3和Pd/CeO2/γ-Al2O3催化剂, 并用于评价VOCs的催化氧化性能。通过X射线衍射(XRD)、N2吸附-脱附(BET)、透射电子显微镜(TEM)、X射线光电子能谱(XPS)、氢气程序升温还原(H2-TPR)等对催化剂的结构和表面性能进行了表征。结果表明, 在VOCs体积分数为0.1%, 空速(GHSV)为18000 mL/(g·h)条件下, Pd/CeO2/γ-Al2O3催化剂上甲苯、丙酮和乙酸乙酯实现98%转化率的温度分别为205、220和275 ℃, 比Pd/γ-Al2O3分别降低了15、15和20 ℃, 而且即使在较高的气体空速下, Pd/CeO2/ γ-Al2O3催化剂仍能展现出优异的催化氧化性能, 且具有很好的稳定性和选择性。氧化铈的加入对材料的物理化学性质和催化活性有一定的影响, 其中Pd/CeO2/γ-Al2O3含有Ce 3+和高含量的PdO, 活性物种主要以PdO形式均匀地分散在载体γ-Al2O3表面。另外, PdO与非化学计量的CeO2之间的金属-载体相互作用增强了Pd/CeO2/γ-Al2O3催化氧化性能。
Pd/CeO2/γ-Al2O3 铈 甲苯 挥发性有机物 催化氧化 Pd/CeO2/γ-Al2O3 cerium toluene Volatile organic compounds (VOCs) catalytic oxidation
1 合肥工业大学汽车与交通工程学院, 安徽 合肥 230009
2 中国科学院合肥智能机械研究所传感技术国家重点实验室, 安徽 合肥 230031
3 中国科学技术大学自动化系, 安徽 合肥 230027
载气混合是提高高场不对称波形离子迁移谱（FAIMS）离子分离能力的一个重要方法, 在生物大分子质谱研究领域已得到广泛应用, 但缺乏在环境小分子领域的研究。 选取挥发性有机物（VOCs）中芳香烃、 醇、 烷烃、 酸、 酮类中的五种物质（邻二甲苯、 异丁醇、 正己烷、 乙酸、 丙酮）为研究对象, 研究了混合气体中He-N2比例对VOCs中单体-二聚体离子混叠峰峰位置、 分离度及总离子通过率的影响。 实验结果表明, 随着FAIMS载气中He比例的增加, 5种VOCs中单体及二聚体离子峰峰位置发生偏移, 且单体峰与二聚体峰偏移程度不同, 单体峰偏移量先增加后减少, 而二聚体峰峰位置偏移量逐渐增加; 随着FAIMS载气中He比例的增加, 五种VOCs离子混叠峰的分离度逐渐增加并趋于饱和, 邻二甲苯、 异丁醇、 正己烷、 乙酸、 丙酮5种样品的混叠峰分离度达到饱和时对应He比例分别是: 20%, 30%, 10%, 40%和20%; 随着FAIMS载气中He比例的增加, 邻二甲苯、 异丁醇、 正己烷、 丙酮的离子信号强度无明显变化, 乙酸的离子信号强度下降明显。 该研究为提高FAIMS对环境小分子的分离能力提供了一种可行的方法。 同时, 也验证了高电场下布朗定律在小分子离子应用上的有效性。
高场不对称离子迁移谱 分离度 挥发性有机物 混合载气 High-field asymmetric waveform ion mobility spectr Resolution Volatile organic compounds Carrier gas mixing 光谱学与光谱分析
2019, 39(9): 2713
