CN109884158B - 一种在线监测氨气的非放射性方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种对氨气进行快速、准确监测的非放射性装置及方法。本发明利用试剂分子辅助光电离的非放射性离子迁移谱，在正离子模式下，优化筛选试剂分子对二甲苯做试剂分子，实现了氨气的快速、准确、高灵敏在线测量。检测装置包括：漂气、质量流量计、载气、试剂分子发生装置、离子迁移谱系统、真空泵等。

Description

一种在线监测氨气的非放射性方法
技术领域
本发明隶属离子迁移谱技术领域。利用非放射性真空紫外灯离子迁移谱，在正离子模式下采用吸气式采样，并通过优化筛选试剂分子，对二甲苯，引发化学反应，提高了氨气检测的灵敏度和选择性，实现了氨气的快速、准确在线监测。
技术背景
氨气是一种无色，强烈刺激性气味的无机气体，极易溶于水，是一种路易斯碱，在人体和环境中均有存在。
在人体中，氨气具有重要的作用，并被认为是一种重要的呼出气生物标记物。人体中氨的主要来源包括：氨基酸的脱氨作用，在肾脏中大部分的氨基酸会与α-酮戊二酸在谷酰胺酶的的作用下通过转氨作用形成谷氨酸。此外，氨气还可以由嘌呤和嘧啶化合物代谢产生；肠道细菌对食物中氨基酸的分解以及单胺氧化酶分解也会产生氨气。氨气在肝门处被吸收，并通过尿素循环在肝脏中别转化为尿素。部分氨气也会以呼出气的形式排出体外。实际上，氨气是一种有害气体，在肝脏和肾脏中被转化无害的物质，当血液中的氨气无法被正常过滤掉时，氨气就会使得这些器官发生功能性紊乱。氨气还能损害神经系统，造成肝性脑病。当血液中的氨气含量增加，就可以扩散到肺部并通过呼出气的形式排出。目前研究发现，呼出气中的氨气与许多疾病均存在相关性，如肾衰竭，哮喘，幽门螺旋杆菌感染，口臭等。
在环境中，氨气是大气环境中唯一的高浓度碱性气体，可与二氧化硫、氮氧化物和挥发性有机物VOCs反应生成气溶胶颗粒物，从而影响全球辐射平衡，它是气雾霾污染过程二次颗粒物形成的重要原因，并且能够造成河流、湖泊富营养化。
因此氨气的检测在人类疾病诊断以及大气质量检测等方面具有重要的意义。
目前用于检测氨气的主要仪器和方法有质谱(MS)，气相色谱-质谱联用(GC-MS)，光谱法，如腔衰荡光谱(CRDS)，声光光谱(PAS)，化学传感器等。质谱和GC-MS的检测极限可达ppb至ppt量级，但其体积大，而且价格昂贵，需要专业人员操作。光谱法的检测的极限可至ppb量级，但其存在较大的背景干扰。化学传感器便携，简单，检测限低但它们的稳定性普遍较差，使用寿命较短。
离子迁移谱是在大气压下利用离子迁移率的不同实现离子分离的仪器。它的结构简单，成本低易于小型化，并且离子迁移谱的灵敏度到，响应时间短，非常适合在线监测。但目前所用的电离源均为放射性63Ni，限制了其广泛应用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种氨气快速在线监测的非放射性装置及方法。
一种在线监测氨气的非放射性装置及方法包括：样品气，质量流量计，载气，试剂分子发生装置，三通，真空泵，尾气，射频真空紫外灯，迁移管系统，漂气，信号放大器，信号采集系统。
技术方案为:采用装置包括以射频真空紫外灯为电离源的迁移谱，迁移谱的迁移管包括反应区、离子迁移区，于远离反应区的离子迁移区一侧设有漂气入口；于远离离子迁移区的反应区一侧设有气体总出口，于气体总出口处设有真空泵；于靠近离子迁移区的反应区一侧设有样品气和载气入口，样品气和载气入口通过管路与样品气气源相连，样品气和载气入口通过管路与试剂分子发生装置的气体出口相连，试剂分子发生装置气体进口与载气气源相连；试剂分子发生装置为一密闭容器，密闭容器内放置有盛放有试剂分子的敞口容器，密闭容器上部设有气体出口和气体进口；试剂分子为对二甲苯。
气路所采用的导管材质均为聚四氟乙烯，以减少氨气吸附。
离子迁移谱所采用的试剂分子为丙酮、2-丁酮、苯甲醚以及对二甲苯。试剂分子发生装置包含恒温系统，温度范围为30-65℃，使试剂分子发生装置的温度保持在特定的温度范围内。
质量流量计分别测量载气、漂气和尾气的流速，尾气流速与漂气流速和载气流速的差值即为样品的进样量。载气流速范围为100-200ml/min，漂气流速范围为200-400ml/min，尾气流量范围为350-650ml/min。
迁移管温度范围为100-150℃，迁移区电场强度范围为200-250V/cm。
本发明的优点为：
本发明所开发的仪器及方法基于结构简单的离子迁移谱技术，采用真空紫外灯非放射性电离源，筛选优化了对二甲苯试剂分子，能够快速准确在线监测氨气，提高了氨气检测的选择性，便于大规模应用。
附图说明
图1为快速在线监测氨气的结构示意图。其中：1为样品气，2为载气，3为第一质量流量计，4为试剂分子发生装置，5为三通，6为第二质量流量计，7为真空泵，8为尾气，9为射频真空紫外灯，10为迁移管系统，11为第三质量流量计，12为漂气，13为信号放大器，14为信号采集系统。
图2为丙酮做试剂分子时，氨气的离子迁移谱图
图3为苯甲醚做试剂分子时，氨气的离子迁移谱图
图4为2-丁酮做试剂分子时，氨气的离子迁移谱图
图5为对二甲苯做试剂分子时，氨气的离子迁移谱图
具体实施方案
以下实施例说明本发明的使用，但不限制所述的应用范围。
采用装置包括以射频真空紫外灯为电离源的迁移谱，迁移谱的迁移管包括反应区、离子迁移区，于远离反应区的离子迁移区一侧设有漂气入口；于远离离子迁移区的反应区一侧设有气体总出口，于气体总出口处设有真空泵；于靠近离子迁移区的反应区一侧设有样品气和载气入口，样品气和载气入口通过管路与样品气气源相连，样品气和载气入口通过管路与试剂分子发生装置的气体出口相连，试剂分子发生装置气体进口与载气气源相连；试剂分子发生装置为一密闭容器，密闭容器内放置有盛放有试剂分子的敞口容器，密闭容器上部设有气体出口和气体进口；试剂分子为对二甲苯。
实施例1
采用试剂分子辅助光电离正离子迁移谱检测氨气，优化筛选丙酮、2-丁酮、对二甲苯试剂分子，迁移管温度范围为100-150℃，载气流速范围为100-200ml/min，漂气流速范围为200-400ml/min，尾气流量范围为350-650ml/min。迁移区电场强度范围为200-250V/cm，氨气的离子迁移谱图如图2和图3所示，其中添加丙酮和苯甲醚做试剂分子时没有氨气的信号响应。如图4和5所示，2-丁酮和对二甲苯做试剂分子时均有信号响应，但所得氨气的产物离子不同，试剂离子2-丁酮和对二甲苯的约化迁移率分别1.66cm2V-1s-1，2.00cm2V-1s-1，产物离子的约化迁移率分别为1.74cm2V-1s-1，2.37cm2V-1s-1，对应的产物离子分别为(NH3)(CH3COCH2CH3)H+,(NH3)H+但2-丁酮无法与氨气的产物离子完全分开，而对二甲苯的试剂离子能与产物离子基线分离，因此选择对二甲苯作为检测氨气的最优试剂分子。

Claims (8)

1.一种在线监测氨气的非放射性方法，其特征在于：
采用装置包括以射频真空紫外灯为电离源的迁移谱，迁移谱的迁移管包括反应区、离子迁移区，于远离反应区的离子迁移区一侧设有漂气入口；于远离离子迁移区的反应区一侧设有气体总出口，于气体总出口处设有真空泵；于靠近离子迁移区的反应区一侧设有样品气和载气入口，样品气和载气入口通过管路与样品气气源相连，样品气和载气入口通过管路与试剂分子发生装置的气体出口相连，试剂分子发生装置气体进口与载气气源相连；试剂分子发生装置为一密闭容器，密闭容器内放置有盛放有试剂分子的敞口容器，密闭容器上部设有气体出口和气体进口；
试剂分子为对二甲苯；
漂气为干净空气，经第三质量流量计通过漂气入口进入离子迁移谱仪中；
含有一系列已知梯度浓度的氨气的空气和/或氮气为标准气，标准气通过迁移谱的样品气和载气入口进入迁移谱中检测，获得一系列梯度浓度的标准气的迁移谱图；以一系列梯度浓度的标准气的信号强度对浓度作图，得到氨气的工作曲线；
将待测样品气通入迁移谱中检测，将待测样品气的迁移谱图信号强度代入工作曲线方程中，得到样品气中氨气的浓度。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：
漂气入口经第三质量流量计与漂气气源相连；漂气为干净的压缩空气。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：
迁移谱中的尾气通过气体总出口经第二质量流量计和真空泵排出。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：试剂分子发生装置气体进口经与第一质量流量计与载气气源相连。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述管路所用导管均为聚四氟乙烯材质。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：试剂分子发生装置密闭容器的内壁面设有电加热装置，即试剂分子发生装置密闭容器的内壁面上设有电加热带或电加热丝，且试剂分子发生装置的侧壁上设有热电偶测温元件，热电偶测温元件通过导线与温度控制器信号连接，电加热装置经温度控制器与外电路连接。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：
所述离子迁移谱仪的包含4路工作气路，即漂气、载气、样品气及尾气，样品气流经第一质量流量计进入迁移管样品气和载气入口，载气流经第一质量流量计以一定流速进入试剂分子发生装置，产生试剂分子气体，再与样品气和载气入口相连；
漂气为干净空气，经第三质量流量计后以一定流速进入迁移谱仪；尾气经尾气口在第二质量流量计的作用下由真空泵排出。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：
载气流速范围为100-200ml/min，漂气流速范围为200-400ml/min，尾气流量范围为350-650ml/min；
迁移管温度范围为100-150℃，迁移区电场强度范围为200-250V/cm；
试剂分子发生装置的温度范围为30-65℃。
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