布魯克FTIR氣體分析儀在特氣分析中最新技術
——譜形擬合算法的定性定量

尚柏羊，王軍鋒

[布魯克(北京)科技有限公司，北京 100000]

1 前 言

本文主要介紹了近兩年在特氣行業(yè)新興的FTIR譜形擬合氣體分析法，包括其應用情況和對氣體分析的作用。

近幾年，隨著國內特氣行業(yè)市場需求的不斷增長，各氣體廠家對產品的質量控制方法和效率有了進一步的要求，氣相分析手段已經廣泛應用于各氣體生產與質控過程。與此同時，相對于工業(yè)化產品生產速度，氣相色譜等方式分析效率相對較低、適用性相對較窄的缺點也逐漸體現(xiàn)。各生產商開始尋求更高效、全面的氣體分析方法。其中，傅里葉變換紅外氣體分析法具有效率高，種類全，無耗材等諸多優(yōu)勢，F(xiàn)TIR氣體分析儀也成為特氣行業(yè)炙手可熱的分析儀器。

2 傳統(tǒng)的FTIR氣體分析方法—CLS/PLS算法

隨著紅外技術的發(fā)展FTIR氣體分析技術也在不斷更新，其中包含CLS/PLS等傳統(tǒng)紅外氣體測試方法，其基礎的理論依據(jù)朗伯比爾定律(圖1為CLS方法建立標準曲線)。

圖1 CLS方法建立標準曲線

A=a·b·c

式中，a為吸收系數(shù)，b為光程，c為濃度，A為吸光度。

紅外光在經過氣體池中的氣體樣品時，有紅外響應的氣體會吸收特定波段的紅外光，吸收的強度與氣體本身特性、氣體池光程、氣體濃度有關。其中a，b均為定值，因此可建立上述吸光度與濃度成正比的方程。定量結果取決于吸光度這一積分數(shù)值的大小，積分方式通常有峰面積、半高寬、峰高等不同形式，當所選峰出現(xiàn)大幅度重疊時，需選擇其他峰位或進行修正。

利用5種不同濃度的標準氣，建立對應物質的標準曲線，即可根據(jù)測得的吸光度，反推出待測氣體濃度的大小。而該類傳統(tǒng)定量方法，對于氣體生產廠家來說存在諸多不便：

1.建標曲。需要對5個不同濃度的標準氣進行測試，如果是復雜混氣，可能存在標氣買不到、標氣準確性不高、修正復雜等問題。

2.定期校準。對建好的標準曲線，必須進行定期的校準和修正，才能確保儀器的重復性與準確性

3.標曲的適用范圍有限。高出或低于5個標氣濃度太多標曲不適用，需要重新建標曲。

我含糊地應著，腦子里飛快地旋轉：我把記憶的每個角落都搜索了一遍，也沒有想起古家莊有什么熟人。年輕時，我倒是去古河清過淤，在古家莊住了一個月，對古家莊知道個大概。當時，工地上出了雷擊事件，古家莊的兩個民工遭到雷擊，一個當場死亡，一個成了植物人。這事傳了許久，后來時間一長也就沒人提了。吳小哥年齡跟我差不多，再看那眉眼也有些眼熟，可我實在想不起在哪里見過了。推輪椅的女人不停地向我遞眼色，我只好含糊地應了一聲。

4.定標標準建立后只能針對同一應用，組分發(fā)生變化時可能需要重新定標與修正。

5.未知氣體干擾。當待測氣體中存在測試前未考慮的氣體，且對目標氣存在干擾時，標曲不再適用。

傳統(tǒng)CLS、PLS方法的FTIR氣體分析儀普遍存在的問題對于氣體生產有諸多不便。如需要建立標曲，存在長時間重復性差、一套設備適用性窄、測試偏差大等問題。

3 布魯克FTIR氣體分析技術—譜形擬合算法

目前，在FTIR氣體分析領域，布魯克采用了譜形擬合定性與定量分析技術，該項技術在朗伯比爾定律的基礎上，進一步增加了對目標氣與干擾氣譜形的分析，與傳統(tǒng)CLS/PLS將定量結果寄托于吸光度積分這一數(shù)字相比，對“分子指紋”譜的譜形擬合進一步確保了定性與定量的準確性。

譜形擬合算法可以精準解析目標氣與干擾氣。圖2一氧化碳的混氣測試中，布魯克OPUS GA軟件在分析CO時，對CO的特征區(qū)進行分析，該特征區(qū)不光包含一氧化碳的特征譜，同時其他氣體對該譜形有所貢獻。

圖2 一氧化碳特征區(qū)(2000～2200 cm-1)

在實際測試得到的譜圖中(如圖3)包含了一氧化碳、二氧化碳、一氧化二氮的綜合貢獻，布魯克OPUS GA軟件可以將該范圍內目標氣、干擾氣對總譜的貢獻解析出來，最終得到圖4的擬合譜，與圖3中測試譜完全匹配，由于紅外光譜的唯一性，任何一種混氣的譜形也是唯一的。因此，OPUS GA可準確對目標氣與干擾氣進行定性和定量分析。

圖3 CO譜形擬合過程

圖4 擬合總譜與實際譜對比

布魯克MATRIX-MG氣體分析儀與OPUS GA分析軟件解決了傳統(tǒng)紅外氣體分析存在的問題，能為特氣廠家質控分析帶來諸多便利。圖5為MATRIX-MG紅外氣體分析儀示意圖。

圖5 MATRIX-MG紅外氣體分析儀

布魯克前沿紅外氣體分析技術在特氣領域的特點如下：

1.無需任何標氣定標或標準曲線的建立，只需

根據(jù)所測產品在軟件上進行相應的目標氣、干擾氣的模型選擇，即可直接進行分析。

2.譜形分析可以根據(jù)濃度測試需求在軟件上靈活選擇不同強度的特征區(qū)，無需對氣體池進行更換，一臺設備即可滿足10-9～10-2級需求。

3.無需定期校準，RocksolidTM干涉儀具有極好的穩(wěn)定性、數(shù)據(jù)重復性，內含抗干擾強的全數(shù)字化檢測器，結合OPUS GA專用氣體分析軟件，確保設備可以長期使用，數(shù)據(jù)無偏移，無需任何校準調整。

4.任意混氣組合，不受定標限制，OPUS GA擁有數(shù)百種超高分辨譜庫，高分辨譜庫所含有的氣體中任意組合均可以進行模型建立，如常見的汽車尾氣標氣、石化混合標氣等，甚至是如圖6特征區(qū)完全干擾的十種氟碳類氣體，OPUS GA軟件也可以完美區(qū)分開來。

圖6 10種氟碳類氣體紅外譜圖

5.單通道測試模式，無需采集背景，直接通氣進行測試，比如進行CO的10-9級別測試時，未純化的氮氣一般還有0.5×10-6左右的CO，此時如果扣背景，會直接影響目標氣10-9級別的測試結果，如果直接通樣氣進行測試，則可得到最真實的濃度值。

6.時間軸濃度顯示與毫秒級監(jiān)測時間。如圖7，軟件可顯示各組分濃度隨時間的變化，可直觀地看到置換完成、氣體穩(wěn)定的時間點。

圖7 OPUS GA界面

7.氣體池抗腐蝕和抗吸附優(yōu)化設計，MATRIX-MG采用抗吸附結構，最大程度降低氣體吸附，同時水平進樣進一步提升了置換效率，進而提高產品分析效率；MATRIX-MG不光滿足普通標氣測試，同時可承受氟化氫、氯化氫等腐蝕性氣體，適用于各類電子氣研究。

4 結 語

布魯克MATRIX-MG FTIR氣體分析儀采用最前沿的譜形擬合算法，結合儀器的硬件優(yōu)勢，為特氣行業(yè)生產廠家，提供一種全面、穩(wěn)定、準確、簡單易用的氣體分析儀，滿足常規(guī)標氣、高純氣雜質、電子特氣等各類應用需求。