挥发性有机物检测技术研究综述

一、引言

挥发性有机物是指常温下饱和蒸气压 >70Pa 、沸点 <260^qC 的有机化合物，涵盖苯系物、烯烃、醛类等数百种物质，广泛来源于工业排放、机动车尾气、溶剂使用等。VOCs 不仅是臭氧和 PM_2.5 的重要前体物（贡献率超 50% ），部分物质（如苯、甲醛）还具有强毒性，对人体呼吸系统、神经系统造成危害。我国《挥发性有机物无组织排放控制标准》（GB 37822-2019）明确了 VOCs 的管控要求，检测限需达到 ppb 级（ 10^-9 ）。传统检测技术存在操作复杂、响应滞后等问题，新型技术正朝着快速、灵敏、便携的方向发展。研究 VOCs 检测技术的现状与趋势，对提升污染溯源精度、保障环境与健康安全具有重要意义，也是打赢蓝天保卫战的关键技术支撑。

二、VOCs 检测技术的现状与挑战

2.1 现状特征

技术体系多元：实验室检测以气相色谱 - 质谱联用（GC-MS）为主（占比超 70% ），检测限达 0.1pph ；现场快速检测中，便携式气相色谱（PGC）、质子转移反应质谱（PTR-MS）应用占比提升至 30% ，响应时间缩短至分钟级。

自动化程度提升：在线监测设备实现连续采样分析（时间分辨率 ⩽1 小时），数据有效率超 90% ，较人工采样效率提升 10 倍以上。

标准体系完善：已建立 80 余项 VOCs 检测标准，覆盖大气、水、土壤等介质，方法验证通过率超 85% 。

2.2 主要挑战

复杂基质干扰：水体中的溶解有机物、土壤中的腐殖质会吸附 VOCs，导致前处理回收率波动大（偏差 ±20% ），检测误差增加。

低浓度检测困难：环境中 VOCs 浓度常处于 ppb-ppt 级（ 10^-12 ），传统技术在该范围的信噪比不足，检出限难以满足超低排放监测需求。

多组分同步检测难：VOCs 种类繁多（ >200 种），现有技术对极性、活性物质（如醛、酮）的分离效率低，同步检测覆盖率不足 60% 。

三、VOCs 检测技术的主要分类

3.1 实验室精密检测技术

气相色谱 - 质谱联用（GC-MS）：通过色谱柱分离、质谱定性定量，可检测 100 种以上 VOCs，分辨率达 0.5Da ，适用于仲裁分析与标准方法验证，相对标准偏差（RSD） ⩽5% 。

高效液相色谱（HPLC）：针对难挥发、热不稳定 VOCs（如醛类），采用紫外或荧光检测器，检测限达 1ppb，互补于 GC-MS 的检测范围。

3.2 现场快速检测技术

便携式气相色谱（PGC）：体积缩小至传统设备的 1/5，重量 <10kg ，可现场分离检测苯、甲苯等 20 种常见 VOCs，分析时间 ⩽15 分钟，检测限 1ppb ，适合应急监测。

质子转移反应质谱（PTR-MS）：无需前处理，直接离子化 VOCs ，响应时间 <1 秒，检测限达 0.1pph ，可实时追踪 VOCs 浓度变化，多用于污染源快速溯源。

3.3 在线监测技术

在线气相色谱（GC）系统：配备自动采样、富集装置，连续监测周期 >30 天，时间分辨率 5-60 分钟，对苯系物的监测精度 ±10% ，广泛应用于工业园区边界监测。

光谱技术：差分光学吸收光谱（DOAS）实现远距离 VOCs 监测（量程 1-5公里），傅里叶变换红外光谱（FTIR）可同时分析 30 种以上 VOCs，适用于区域污染扫描。

四、VOCs 检测技术的关键进展

4.1 灵敏度与分辨率提升

新型富集材料：金属有机框架（MOFs）对 VOCs 的吸附容量是传统活性炭的 5-10 倍，富集倍数达 10⁴–10⁵ ，使检测限从 ppb 级降至 ppt 级，满足超低排放监测需求。

高分辨质谱技术：轨道阱质谱（Orbitrap）的质量分辨率达 10⁵ ，可区分同分异构体（如邻 / 间 / 对二甲苯），定性准确率提升至 95% ，解决传统质谱的识别盲区。

4.2 快速检测与自动化革新

芯片级检测装置：基于微机电系统（MEMS）的微型气相色谱芯片，体积<100cm³ ，功耗 <10W ，分析时间 ⩽5 分钟，成本仅为传统设备的 1/20，适合大规模网格化布点。

智能前处理：全自动固相微萃取（SPME）装置实现 “采样 - 富集 - 进样”一体化，前处理时间从 1 小时缩短至 10 分钟，人为误差减少 30% 。

五、VOCs 检测技术的应用场景

5.1 环境质量监测

大气环境：在线 GC-MS 网络实现城市尺度 VOCs 浓度图谱绘制（空间分辨率 1-5 公里），臭氧前体物（如烯烃、芳香烃）识别准确率 ⩾85% ，支撑光化学污染预警。

水体与土壤：顶空 - 气相色谱法检测地表水、土壤中的 VOCs，前处理回收率 80%-120% ，污染地块筛查效率较传统方法提升 5 倍。

5.2 污染源监管

工业排放：固定污染源在线监测系统（CEMS）实时监控 VOCs 排放浓度（如涂装、印刷行业），超标预警响应时间 <15 分钟，执法效率提升 40% 。

移动源监测： PTR-MS 搭载于监测车，快速捕捉机动车尾气 VOCs 排放特征，单车检测时间 <1 分钟，为尾气治理提供数据支撑。

六、结论

VOCs 检测技术已形成 “实验室精密分析 - 现场快速筛查 - 在线连续监测”的立体体系，通过材料革新与智能化升级，实现了检测限降至 ppt 级、响应时间缩短至分钟级、多组分同步分析覆盖率提升至 80% 。当前存在的基质干扰、成本较高等问题，可通过新型材料研发与国产化设备推广解决。未来，随着纳米传感器、人工智能算法的深度融合，VOCs 检测将向 “超灵敏、全组分、低成本、智能化” 方向发展，为污染精准溯源、臭氧污染防治、健康风险评估提供更强大的技术支撑，推动 VOCs 管控从 “总量控制” 向 “精准治理” 转型。

参考文献

[1] 朱海欧 ， 汪蓉 ， 卢志刚 ， 等 . 装饰材料中挥发性有机物检测技术 的 研 究 进 展 [J]. 环 境 科 学 与 技 术 ，2011，34（9）：73-81. DOI：10.3969/j.issn.1003-6504.2011.09.018.

[2] 陈雨璐 ， 张丞源 ， 郑雨澄 ， 等 . 电子鼻技术检测人呼出气挥发性有 机 物 的 研 究 进 展 [J]. 电 子 技 术 应 用 ，2023，49（3）：1-10. DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.223587.

[3] 刘 敏 华 ， 刘 芳 ， 杜 燕 珺 ， 等 . 纺 织 品 中 挥 发 性 有 机 物 检 测 技术 的 研 究 进 展 [J]. 国 际 纺 织 导 报 ，2015，43（11）：62-64，66. DOI：10.3969/j.issn.1007-6867.2015.11.017.