辉光放电微等离子体发射光谱用于挥发性有机物检测的实验探究

引言

随着环境保护意识的提高，挥发性有机物（VOCs）成为了空气质量监测的核心目标之一。传统的VOCs 检测方法，如气相色谱法（GC-MS）、红外光谱分析法等， 虽然具有较高的检测精度，但因其设备复杂、体积庞大、操作繁琐、检测时间长等缺点，限制了 1 测中的应用。因此，开发一种高效、便携、实时检测的技术成为当前环境监测的需求之 射光谱（OES）作为一种新型的分析技术，具有体积小、能耗低、操作简便等优势，能够在没有复 理的情况下快速检测VOCs。本文以辉光放电微等离子体发射光谱为基础，搭建实验装置并进行性能测试，探讨其在VOCs 检测中的可行性。

一、微等离子体发射光谱检测原理与实验装

1.辉光放电微等离子体发射光谱的工作原理

本实验中的微等离子体发射光谱（OES）是基于辉光放电原理，通过产生微等离子体激发待测物发出特征光谱。这些光谱特征可以用来鉴定待测物的成分。微等离子体通过电极放电产生高能电子，进而与气体分子或原子碰撞，导致分子或原子电子跃迁，释放出具有特定波长的光。不同的挥发性有机物在不同波长范围内发射特征光谱，便于通过光谱仪分析这些发射光的波长位置和强度，进而进行定性与定量分析。

.微等离子体实验装置设计

本实验使用了一种新型的芯片式微等离子体激发源，装置结构包括气体通道、铂电极以及微等离子体放电腔。放电腔由陶瓷材料制成，能够提供较好的热稳定性和散热性能。铂电极的选择考虑到其较高的化学稳定性和导电性，能够保证较长时间的稳定工作。微等离子体激发源通过调整电极间距和电极间电压来控制等离子体的产生及其激发效率。装置的核心部分为凹槽形放电腔，这种结构能有效增强等离子体的稳定性，放电腔分为敞开式与闭合式两种工作状态。放电腔的设计充分考虑了气体流速、电极材料以及电极间距等因素，通过调整这些参数，可以获得较高的激发效率和较低的背景干扰。此外，结合光纤传输技术，微等离子体发出的光被传输到光谱仪中，进行精确分析。

3.实验参数与优化

1. 实验中，气体流速、放电电压、电极间距等参数对微等离 子体发射光谱的性能有着直接影响。通过调节这些参数，可以显著提高检测的灵敏度和 的分 离子体的稳定性有重要作用。流速过低，微等离子体的稳定性差， 较多热量，使微等离子体功率消耗增加，激发能力降低，从而影响检测 m 之间进行调节，以确保最佳的放电效果。电压的优化同样关键， 过高 微等离子体的寿命降低，而过低的电压则难以激发有效的光谱信号。通过反复测试，最终优化出了适用于VOCs 检测的最佳工作条件。

2. 二、微等离子体发射光谱在VOCs 检测中的应用与实验数据分析

3. 微等离子体放电腔工作状态的设置

本实验将微等离子体放电腔设计为敞开式与闭合式两种工作状态。敞开式时，空气中的氮气扩散进入微等离子体中，氮气与VOCs 在微等离子体中激发，产生 CN 基团，CN 基团位于387.2nm 处的发射谱线明显增强。因此，敞开式工作状态，CN-387.2nm 用于VOCs 的定量分析。将敞开式放电腔上方覆盖石英片，微等离子体放电腔转变为闭合式工作状态，在闭合式工作状态下，增加载气流速，以减小微等离子体受到外界气体的干扰，不同VOCs 的发射光谱中具有特定的特征谱线，光谱仪通过精确测量不同波长位置的光谱强度，实现 VOCs 的定性分析。

4. VOCs 检测的实验步骤

为了研究微等离子体发射光谱在 VOCs 检测中的应用，本实验选择二硫化碳、二甲基亚砜和3-巯基丙酸三种常见含硫挥发性有机物作为检测对象。实验步骤包括样品预加热、气体采样、以及微等离子体激发源的使用。含硫挥发性有机物样品通过微量进样针注入电热套预加热好的圆底烧瓶中，使用氩气作为载气，保证有机物能够完全挥发，并保持稳定的浓度。气体随后通过气体流量控制器注入微等离子体放电腔。微等离子体激发源产生的等离子体将气体样品激发，发射出的光信号被光纤收集，传输到光谱仪中进行分析。光谱仪通过精确测量不同波长的光谱强度，推算出VOCs 的种类及浓度。该实验方法充分体现了微等离子体发射光谱技术在 VOCs实时、快速检测中的可行性。

3.实验结果与数据分析

在不同浓度条件下对二硫化碳、二甲基亚砜和 3-巯基丙酸进行了检测，实验数据表明微等离子体发射光谱技术能够准确地分析 VOCs 的成分。在敞开式状态 质的检出 （V/V）在 19ppb-85ppb 之间。在闭合式状态下，每种挥发性有机物的发射光 测定了 C-193.1nm、C2-231.5nm、CN-384.8nm、CS-257.6nm 四个波长位置 的谱线， 分析，通过谱线位置与强度的计算，得到VOCs 的类型与浓度值。这些结果证明了微等 术能够用于 VOCs 的定性和定量分析，具有较高的准确性和可靠性。

结论

微等离子体发射光谱技术在 VOCs 检测中表现出显著的优势。通过实验研究，验证了该技术在挥发性有机物的定性与定量分析中的高灵敏度和稳定性。实验结果表明，微等离子体能够有效激发 VOCs 样品，生成清晰的特征光谱，通过优化放电参数和实验装置，可以提高光谱信号的强度和稳定性。在不同浓度范围内，微等离子体发射光谱系统能够准确检测二硫化碳、二甲基亚砜和 3-巯基丙酸等常见VOCs，且光谱强度与浓度呈线性关系，表明该系统具备良好的检测精度。通过优化电极设计、气体流速和载气种类等参数，系统的性能得到了进一步提升，能够在复杂环境下进行实时监测。

参考文献

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河北省高等学校科学研究项目编号：ZC2025055项目名称：微等离子体发射光谱用于挥发性有机物快速检测的新方法研究