无人机与便携式 GC-MS 在危化环境现场采样与分析中的应用探索

引言

在现代工业生产和社会活动中，危化品的使用和储存日益广泛，然而危化品泄漏等事故也时有发生，给环境和人类生命安全带来了严重威胁。及时、准确地对危化环境进行现场采样与分析，对于事故的应急处理、危害评估和后续治理至关重要。传统的采样与分析方法存在效率低、难以进入复杂危险区域等局限性。随着科技的发展，无人机技术以其高效、灵活、可远程操控等特点，在多个领域得到广泛应用；便携式 GC - MS 则能够实现对挥发性有机物等危化物质的现场快速检测。将无人机与便携式 GC - MS 相结合应用于危化环境现场采样与分析，具有巨大的潜力和应用前景，但目前相关研究和实践仍处于探索阶段。因此，对其应用进行深入研究具有重要的现实意义。

1、无人机与便携式 GC - MS 技术概述

无人机具有诸多显著特点。它具备高度的灵活性，能够在复杂的地理环境和危险的危化区域快速飞行，抵达人工难以到达的地点。其可远程操控的特性，让操作人员能在安全距离外控制无人机执行任务，避免了人员直接暴露在危险环境中。而且无人机能搭载多种设备，根据不同的任务需求进行定制化配置。从类型上看，有固定翼无人机，它飞行速度快、航程远，适合大面积的危化区域监测；还有多旋翼无人机，其垂直起降、悬停稳定，能在小范围精确采样。

而便携式 GC - MS 的工作原理是基于气相色谱的分离和质谱的检测。样品先进入气相色谱柱，不同成分因在固定相和流动相之间的分配系数差异而实现分离，随后进入质谱仪。质谱仪通过对离子的质量和相对丰度进行测定，从而实现对物质的定性和定量分析。其性能优势明显，具有高灵敏度，能检测到低浓度的危化物质；分析速度快，可在短时间内得出检测结果，为应急决策提供及时支持；并且具有良好的便携性，方便携带至危化现场进行实时检测。将无人机的灵活采样能力与便携式 GC - MS 的快速分析能力相结合，能极大地提高危化环境现场采样与分析的效率和准确性。

2、危化环境现场采样与分析的需求和挑战

在工业生产和社会活动中，危化环境的现场采样与分析至关重要，然而其面临着特定的需求与挑战。危化环境具有复杂性和危险性等显著特点。从成分看，其中包含各类有毒有害、易燃易爆物质，如挥发性有机物、重金属、强酸强碱等。这些物质不仅会对人体的呼吸道、皮肤、神经系统等造成严重损害，长期暴露还可能引发癌症等重大疾病；而且易燃易爆物质一旦遇到火源，极易引发爆炸和火灾，造成人员伤亡和财产损失。此外，危化环境的分布往往不均匀，污染物浓度在不同区域差异较大。

传统采样与分析方法在应对这些情况时存在明显局限性。采样方面，传统方法通常依赖人工操作，难以进入一些危险、狭窄或高温高压的区域，导致采样范围受限，无法全面反映危化环境的真实状况。分析环节，传统实验室分析方法耗时较长，不能及时给出检测结果，不利于事故的快速应急处理。

3、无人机与便携式 GC - MS 在危化环境现场的应用方式

无人机搭载便携式 GC - MS 进行直接采样与分析是一种极具创新性的模式。利用无人机的灵活机动性，它能够快速抵达危化区域，特别是那些人类难以靠近的危险地带，如发生泄漏的化工园区、燃烧爆炸后的现场等。在飞行过程中，便携式 GC - MS 直接对空气中的危化物质进行采样，随后立即开展分析工作。这种方式实现了采样与分析的同步进行，大大缩短了检测时间，能在第一时间获取危化物质的成分和浓度信息，为应急决策提供及时支持。比如在化工企业突发泄漏事故时，该模式可迅速判断泄漏物质的种类，以便采取针对性的救援和处理措施。

而另一种方式是无人机先采样，再由便携式 GC - MS 进行分析。无人机配备专门的采样装置，飞到指定的危化区域进行空气、水样或土壤等样本的采集。采集完成后，无人机返回安全地带，操作人员将采集到的样本交由便携式 GC -MS 进行分析。这种方式的优势在于，无人机可以根据预设路线进行大范围、多地点的采样，获取更全面的样本信息。而且在采样过程中，无人机不受现场复杂环境的限制，能够提高采样的效率和准确性。之后便携式 GC - MS 在相对稳定的环境下进行分析，也有助于提高分析结果的可靠性。这两种应用方式根据不同的危化环境和任务需求灵活选择，为危化环境的监测和分析提供了有力的技术支持。

4、应用中存在的问题及解决方案

在无人机与便携式 GC - MS 应用于危化环境现场采样与分析的过程中，存在着一些亟待解决的问题，主要集中在无人机飞行稳定性和安全性以及便携式GC - MS 的检测精度和可靠性方面。

无人机飞行稳定性和安全性是一大挑战。危化环境往往复杂多变，如存在强风、高温、电磁干扰等不利因素，这会对无人机的飞行姿态和稳定性造成严重影响。此外，无人机自身的故障，像电池续航不足、飞控系统故障等，也可能导致飞行异常甚至坠毁。为解决这些问题，一方面要对无人机进行适应性改造，例如采用抗干扰能力更强的飞控系统和传感器，增强其在复杂环境下的飞行稳定性。另一方面，建立完善的飞行安全保障机制，在飞行前对无人机进行全面检查和测试，实时监测飞行状态，一旦出现异常及时采取措施，如自动返航或悬停等待指令。

便携式 GC - MS 的检测精度和可靠性同样不容忽视。危化环境中的复杂物质成分可能会干扰检测结果，导致检测精度下降。而且设备在长时间使用或运输过程中，可能会出现部件磨损、校准偏差等问题，影响其可靠性。为提高检测精度，需要优化检测方法和算法，增强设备对复杂物质的分辨能力，定期对设备进行校准和维护，确保其处于最佳工作状态。

比如危化品中苯胺测定时，实验中气相色谱参考条件：

1）进样口温度： 260^∘C ；进样方式:无分流进样;进样量 1.0ml_⨀

2）程序升温: 40^∘C ( 5min) )-smim>100℃-10min>200(8min)- 30/min>280^∘C ；载气: 氦气，流量: 1.00ml/min_⨀ 。

实验中质谱参考条件：

1）离子源:EI 源;离子源温度 230^∘C ；离子化能量: :70eV_⨀ 。

2）扫描方式:全扫描；扫描范围: m/z35～500u ；扫描时间 :1s/scan 。接口温度: 260^∘C 。

同时，可以采用多台设备同时检测或与其他检测方法进行对比验证，以提高检测结果的可靠性。比如苯胺类化合物的测定，参考方法采用苯胺类化合物的测定 气相色谱-质谱法和 17 种苯胺类化合物的测定液相色谱-三重四极杆质谱法，对同一个样品进行3 个参考方法比对，不同测试设备和测试方法的比对，确保得出最优监测参数方案保证测试的准确度（可见表一）。另外，建立数据质量控制体系，对检测数据进行严格审核和评估，确保数据的准确性和可靠性。通过解决这些问题，能够进一步提升无人机与便携式 GC - MS 在危化环境现场采样与分析中的应用效果。

结束语

综上所述，无人机与便携式 GC - MS 在危化环境现场采样与分析中潜力巨大。无人机灵活可远程操控，而便携式 GC - MS 能现场快速检测，二者结合克服传统方法局限，提升监测效率与准确性，在工业污染源排查、应急救援等方面作用显著。不过，应用中存在无人机飞行稳定性、安全性及 GC - MS 检测精度、可靠性等问题。随着技术进步，二者性能将提升、应用领域会拓展，有望在危化环境监测管理中发挥更重要作用，为环境安全和人类健康提供有力支持。

参考文献

[1] 张新申，赵逸云.无人机载薄膜固相微萃取 - 便携式气相色谱质谱联用系统的研制及应用 [J]. 分析测试学报，2023,42 (04):483-490.

[2] 陈维妮，邹颖彤.基于无人机载固相微萃取 - 便携式气相色谱 - 质谱联 用技术的空气污染物现场快速分析 [J]. 质谱学报，2023,44 (02):239-247.

[3] 赵逸云，胡斌，张新申.无人机载薄膜固相微萃取装置的研制及其在挥发性有机物采样中的应用 [J]. 色谱，2022,40 (08):841-847.