便攜式氣相色譜儀檢測原理及原理

便攜式氣相色譜儀檢測原理及原理

環(huán)境分析監(jiān)測儀器的發(fā)展動力來自環(huán)境科學(xué)的需要。環(huán)境科學(xué)的特征決定了環(huán)境分析監(jiān)測儀器的特點(diǎn)。隨著環(huán)境科學(xué)的發(fā)展,要求分析監(jiān)測的是大量基體中濃度越來越低的化學(xué)物質(zhì);環(huán)境污染物中相當(dāng)大的一部分具有很強(qiáng)的時間性和空間性;化學(xué)結(jié)構(gòu)類似的化合物往往對環(huán)境污染有不同的影響。因此,研制靈敏度高、分辨力強(qiáng)、速度快、性能價格比高的分析檢測儀器,是環(huán)境分析、檢測儀器研制、開發(fā)工作者致力解決的重要課題。具有機(jī)動、靈活性的便攜式氣相色譜儀就是適應(yīng)這種要求而誕生和發(fā)展的。便攜式氣相色譜儀的主要性能取決于它使用的檢測器。本文從檢測器的性質(zhì)出發(fā),闡述、分析幾種常用便攜式氣相色譜儀的主要特征,重點(diǎn)介紹自上個世紀(jì)80年代迅速發(fā)展起來的、已在科學(xué)技術(shù)發(fā)達(dá)國家得到廣泛應(yīng)用、目前在我國尚未得到很好應(yīng)用的便攜式氣相色譜儀,其檢測器是光離子化檢測器、氬離子化檢測器和表面聲波檢測器,以便廣大從事環(huán)境工作的科技人員根據(jù)實際工作需求選擇儀器。1氣相色譜檢測設(shè)備氫火焰檢測器(FID,flameionizationdetector)是利用氫火焰作電離源,使被測物質(zhì)電離,產(chǎn)生微電流的檢測器。它是破壞性的、典型的質(zhì)量型檢測器。突出優(yōu)點(diǎn)是對幾乎所有的有機(jī)物均有響應(yīng),特別是對烴類化合物靈敏度高,而且響應(yīng)值與碳原子數(shù)成正比;對H2O、CO2和CS2等無機(jī)物不敏感;對氣體流速、壓力和溫度變化不敏感。它的線性范圍寬,結(jié)構(gòu)簡單、操作方便,死體積幾乎為零。因此,作為實驗室儀器,FID得到普遍的應(yīng)用,是最常用的氣相色譜檢測器。FID的主要缺點(diǎn)是需要可燃?xì)怏w(氫氣)、助燃?xì)怏w和載氣三種氣源鋼瓶及其流速控制系統(tǒng)。因此,制作成一體化的便攜式儀器非常困難,特別是應(yīng)對突發(fā)性環(huán)境污染事件的分析與檢測就更加困難,因為它需要點(diǎn)“一把火”,增加了引燃、引爆的潛在危險性。上海精密科學(xué)儀器有限公司推出的GC-190微型便攜式氣相色譜儀,主要特點(diǎn)是柱上加熱,溫度范圍為25～250℃,微型FID檢測器,靈敏度達(dá)5×10-11g/s;線性范圍為105,氫氣作載氣。以氫氣作載氣主要缺點(diǎn)是調(diào)節(jié)載氣流量時,難以控制氫火焰穩(wěn)定性。2tcd的靈敏度熱導(dǎo)檢測器(TCD,thermalconductivitydetector)是利用被測組分和載氣熱導(dǎo)系數(shù)不同而響應(yīng)的濃度型檢測器,它是整體性能檢測器,屬物理常數(shù)檢測方法。熱導(dǎo)檢測器的基本理論、工作原理和響應(yīng)特征早在上個世紀(jì)60年代就已成熟。由于它對所有的物質(zhì)都有響應(yīng),結(jié)構(gòu)簡單、性能可靠、定量準(zhǔn)確、價格低廉、經(jīng)久耐用,又是非破壞性檢測器,因此,TCD始終充滿著旺盛的生命力。近十幾年來,配置于商品化氣相色譜儀的產(chǎn)量僅次于FID,應(yīng)用范圍較廣泛。與其他檢測器相比,TCD的靈敏度低,這是影響其應(yīng)用于環(huán)境分析與檢測的主要因素。以氦氣作載氣,進(jìn)氣量為2mL時,檢出限可達(dá)10-6量級。因此,使用這種檢測器的便攜式氣相色譜儀,不適于室內(nèi)外一般環(huán)境污染物分析與檢測,大多用于污染源和突發(fā)性環(huán)境污染事故的分析與檢測。3電環(huán)和反應(yīng)物檢測電子俘獲檢測器(ECD,electroncapturedetector)是鹵代烴等電子親和勢較高化合物的選擇性檢測器,靈敏度高;但它由于使用放射性同位素63Ni,根據(jù)我國相關(guān)法律,不宜制成隨意移動的便攜式氣相色譜儀。4光度檢測器的氣相色譜法4.1早期的pid檢測技術(shù)1957年,Robinson首先將光離子化原理用于實際氣相色譜檢測器——光離子化檢測器(PID,photoionizationdetector)。1961年,Lovelock在對色譜分析各種離子化技術(shù)的評論中,把PID與FID相比較,顯示出PID是相當(dāng)有前途的檢測技術(shù)。使用惰性氣體放電可以有效地限制放電的輻射波長,使輸出光輻射主要為惰性氣體的共振譜線,因此,上個世紀(jì)70年代中期以前的PID光源大多使用Ar或He氣放電。早期的PID光源與離子化池并不分開,而是在同一空間。雖然Lovelock發(fā)現(xiàn)放電光源中,置入空心陰極時放電效率和穩(wěn)定性都有顯著的提高,但由于高效共振輻射出現(xiàn)在低氣壓下,而被分析物質(zhì)離子化檢測的最大靈敏度則在一個大氣壓左右,這使紫外光源和光離子化池都不能工作在最佳狀態(tài),因此PID的研究與應(yīng)用發(fā)展緩慢。上世紀(jì)70年代中期,人們終于找到了一種材料,無論是光學(xué)、機(jī)械,還是化學(xué)物理性能都適于真空紫外光學(xué)元器件的制造。1974年Sevcik和Krysl首先使用氟化物晶體作窗口材料,將紫外光源與離子化池分開,使紫外燈在近真空狀態(tài)下放電,而保持電離室在一個大氣壓下工作,燈的真空紫外輻射幾乎無損失地進(jìn)入電離室,兩者都在最佳狀態(tài)下工作。這樣的設(shè)計使PID在檢測能力上提高了幾個數(shù)量級,進(jìn)入實用階段。至此,光離子化技術(shù)獲得迅速發(fā)展。1976年,Driscoll等設(shè)計的光離子化檢測器首先由美國HNU公司推向市場,它對芳香族碳?xì)浠衔?、鹵族有機(jī)化合物的檢測靈敏度超過FID50倍,線性范圍達(dá)7個數(shù)量級。之后,加拿大Photovac公司的超高靈敏度有毒氣體分析儀問世。現(xiàn)在,光離子化技術(shù)已被美國國家環(huán)保局(EPA)、美國職業(yè)安全與健康局(NOSHA)和美國職業(yè)安全與健康研究所(NIOSHA)定為具有法律仲裁效力的環(huán)境中有毒物質(zhì)的分析檢測方法(EPAmethod501、502.1、502.2、503.1、506、602、8020/8021、TO-14、TO-15)。4.2氣體放電燈的光離子化池光離子化檢測器根據(jù)靈敏度可分為兩種,一種PID檢出限比FID低5～50倍;另一種低10～100倍,其原因討論如下。光離子化檢測器的輻射源也分為兩類,一類為直流氣體放電管,由玻璃外殼、金屬電極、真空紫外透明的晶體窗口組成,放電管內(nèi)充以適當(dāng)?shù)墓ぷ鳉怏w(圖1)。光源是由兩個金屬電極間的高壓放電激發(fā)工作氣體發(fā)光。此類型的放電管設(shè)計復(fù)雜,主要目的是避免金屬電極遭受離子的轟擊而損失。這種離子轟擊濺射出的金屬往往沉積在晶體窗口的內(nèi)表面,減少了窗口的透明度,降低了使用壽命,也影響了檢測器的靈敏度。例如美國HNU公司設(shè)計的氣體放電燈,把氣體放電形成的高密度光子限定于放電管內(nèi)部中心處的毛細(xì)管內(nèi),即強(qiáng)制限定了離子流從一個電極到另一個電極的途徑;在放電管中,毛細(xì)管內(nèi)是很高密度的離子流,但在電極表面是較低的離子流密度。這種設(shè)計的真空紫外光源,實際上是“點(diǎn)光源”,這就造成了離子化池內(nèi)垂直于光輻射方向的橫截面上,光強(qiáng)度沿徑向分布極不均勻,中間部分光通量密度高,周邊部分低,在光離子化池內(nèi)形成了較大的死體積。此結(jié)構(gòu)的光離子化池,只要樣品中有痕量氧存在,就顯現(xiàn)出強(qiáng)烈的淬滅效應(yīng)。這是因為氧的電子親和勢較高(2.3eV),光離子化產(chǎn)生的電子,附著于氧分子上,形成負(fù)氧離子,在相同電場作用下,它的遷移率大大低于電子。與電子相比,在到達(dá)電極之前,具有更大的幾率與一個帶正電的離子重新結(jié)合,或者在檢測之前已移出離子化輻射區(qū)域;因此,不能以空氣作載氣。相對而言,檢測靈敏度低于下述配制的真空紫外(VUV)光源的光離子化檢測器。另一種輻射光源是無極氣體放電管(圖2)。這種真空紫外放電燈,光源內(nèi)部沒有電極,因此,光源壽命長,不存在陰極濺射問題。工作時,放電管中的工作氣體在整個管子的橫截面上激發(fā),輻射強(qiáng)度在垂直于輻射光進(jìn)入樣品池的平面上分布是均勻的,其波長為116.5nm和123.6nm。因而樣品池中沒有死體積,從而增加了檢測器靈敏度,也極大地減少了載氣中氧的淬滅現(xiàn)象,并且可以空氣作載氣。檢出限可達(dá)10-9(苯)。4.3各種光度檢測設(shè)備的優(yōu)缺點(diǎn)基于上述兩種光離子器形成了三種各具特色和不同應(yīng)用領(lǐng)域的光離子化儀器。4.3.1工業(yè)及環(huán)境分析設(shè)備典型產(chǎn)品是美國Raesystems公司推出的PGM系列、PEPhotovac′s2020、英國離子科學(xué)公司的光離子化有機(jī)揮發(fā)物檢測儀(又稱VOC檢測儀)。特點(diǎn)是體積小,重量輕,響應(yīng)時間短,無需任何化學(xué)試劑和載氣就可進(jìn)行直接檢測。主要用于復(fù)雜環(huán)境污染綜合快速評價,而無需了解污染組分的細(xì)節(jié);突發(fā)性環(huán)境污染事故的評估;污染源的跟蹤與調(diào)查;車間、工作場所、室內(nèi)空氣質(zhì)量檢測;石油化工領(lǐng)域地下管線、有機(jī)揮發(fā)物儲存罐微小跑冒滴漏查找;空氣凈化設(shè)備凈化效率檢查及個人防護(hù)等。主要缺點(diǎn)是沒有分析能力。所得的結(jié)果只是有機(jī)揮發(fā)物的粗略估計,不知所測化合物的種類與組成;由于所測氣體各組分響應(yīng)因子不同,因此兩個同樣的測試結(jié)果,不能說明兩者濃度相同,除非是已知化合物的檢測。4.3.2痕量氣體分析與檢測典型產(chǎn)品是北京東西分析儀器有限公司生產(chǎn)的GC-4400型便攜式光離子化氣相色譜儀。由于光離子化檢測器使用了圖2所示的真空紫外無極氣體放電燈,因此靈敏度高、檢出限低,可進(jìn)行10-9級痕量氣體分析與檢測。與VOC檢測儀相比,由于配備了色譜柱,因此具有普通氣相色譜儀一樣的分析性能,可以測定混合氣體中所含各種組分及其含量。與配備FID的氣相色譜儀相比,它體積小、重量輕、靈敏度高,可在現(xiàn)場進(jìn)行清潔環(huán)境中痕量氣體分析,并且無需氫氣和助燃?xì)怏w,只以空氣作載氣,屬于非破壞性、本質(zhì)安全型儀器。主要應(yīng)用于樣品中痕量氣體定性、定量分析。4.3.3真空紫外光源檢測典型產(chǎn)品是美國HNUSystemInc.公司Driscoll等研制的Model501-B&301-B自動氣相色譜儀,使用的是圖2所示的真空紫外光源。由于增加了程序升溫控制系統(tǒng),因此不僅可以進(jìn)行氣體樣品分析,還可以進(jìn)行高沸點(diǎn)及半揮發(fā)性化合物樣品分析。適用范圍較寬廣,要求使用高純氮作載氣。由于增加了加熱控溫系統(tǒng),體積、重量和能耗有較大幅度增加,多應(yīng)用于實驗室和有市電供應(yīng)場所,其靈敏度低于上述便攜式光離子化氣相色譜儀10倍,但高于配置FID的氣相色譜儀。4.4商品化生產(chǎn)原因我國研究、開發(fā)光離子化分析檢測及其應(yīng)用技術(shù)已有十六七年的歷史,形成了一系列科研成果,但由于種種原因,始終未能實現(xiàn)商品化生產(chǎn)。北京東西分析儀器有限公司于2005年9月已成功開發(fā)并產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)出具有我國獨(dú)立知識產(chǎn)權(quán)的GC-4400型便攜式光離子化氣相色譜儀,獲得2005年度BCEIA金獎、第四屆中國國際科學(xué)儀器及實驗室裝備展覽會自主創(chuàng)新獎,儀器外形見圖3。4.4.1空氣中總離子化物的測量該儀器使用一只具有10.6eV能量的真空紫外無極放電燈作為光源,可使空氣中大多數(shù)有機(jī)物和部分無機(jī)物電離,但仍保持空氣中的基本成分如N2、O2、H2O、CO2不被電離(這些物質(zhì)的電離電位大于10.6eV)。被測物質(zhì)的成分由色譜柱分離后進(jìn)入離子化室,經(jīng)過真空紫外無極放電燈照射電離,然后測量離子電流的大小,即可得到物質(zhì)的含量。物質(zhì)的種類根據(jù)色譜柱保留時間定性。4.4.2儀器的特色分析(1)靈敏度高、檢出限低,可檢測濃度低達(dá)10-9或更低濃度的氣體。(2)線性范圍寬,既可以進(jìn)行痕量氣(汽)體分析,又可以進(jìn)行濃度高達(dá)10-4氣(汽)體分析。(3)儀器重量輕,機(jī)動靈活,尤其適于環(huán)境污染事故應(yīng)急監(jiān)測和現(xiàn)場分析。(4)與通常使用的帶有氫火焰檢測器(FID)的氣相色譜儀不同,它無需氫氣、助燃?xì)怏w和高純氮?dú)馊N氣源,只使用空氣/高純氮/氬/氦一種氣體。(5)無需化學(xué)前處理、濃縮、富集、吸附-熱解析,直接進(jìn)樣分析,結(jié)果準(zhǔn)確、可靠。(6)水中有機(jī)揮發(fā)物分析,無需吹掃-捕集裝置,頂空取樣直接進(jìn)樣檢測。(7)非破壞性檢測,可進(jìn)行二次分析。(8)本質(zhì)安全。4.4.3其他烯、烯烴、丁烯、二氯甲烷及其他氯甲烷類環(huán)氧乙烷、氯乙烯、氯乙烷、苯、甲苯、二甲苯、乙烷、烷烴(直至辛烷)、異戊二烯、乙烯、丙烯、丁烯、二氯甲烷及其他氯甲烷類、輕質(zhì)氯苯類、硫化氫、輕質(zhì)硫醇類、有機(jī)硫(直至二甲基二硫)、丙酮、甲基乙基酮、胂、磷化氫、乙醛、醛類(直至己醛)、乙二醇醚類、氟氯烴類(氟里昂)、異氰酸甲脂、氯乙烷類、環(huán)己酮、丙烯酸乙酯、輕質(zhì)醇類等等。5安全型、非敏感性檢測氬離子化檢測器(AID,argonionizationdetector),也是一種本質(zhì)安全型、非破壞性檢測器,利用它易于制成便攜式氣相色譜儀。氬原子有兩條共振能級,能量分別為11.83eV和11.62eV及兩種亞穩(wěn)態(tài)(又稱激發(fā)態(tài),能量為11.72eV和11.53eV)。因此,可以檢測PID不能檢測的某些化合物,例如:1-1-1-三氯乙烷、四氯化碳、甲醛等化合物。5.1離子化分離器氬離子化檢測器結(jié)構(gòu)通常有平行板式和同軸式兩種。平行板式氬離子化檢測器結(jié)構(gòu)示意圖見圖4。在池體中心的絕緣材料中安放兩個電極,負(fù)極含有β放射源,外接負(fù)直流高壓電源;收集極為陽極,外接微電流放大器。氬離子化檢測器使用氚(β衰變)放射源,與ECD一樣,不宜用于便攜式氣相色譜儀。氚(β衰變)放射源使氬原子激發(fā)、電離,形成一定的氬離子流,當(dāng)樣品氣體加入后,樣品在激發(fā)態(tài)氬原子作用下電離,離子流增加,在高壓電場作用下,經(jīng)放大后輸出信號。激發(fā)氬原子的是氫的放射性同位素氚,其化學(xué)、物理性質(zhì)與H2極相似,可以用金屬鈦或鈧進(jìn)行固定,制成氚-鈦或氚-鈧β射線放射源,最高使用溫度分別為225℃和325℃;否則,有釋放氚氣的危險。氫的放射性同位素1H3屬β衰變,半衰期為12.4a,粒子能量為18.2keV。5.2電離電位法由氬離子化檢測器工作原理的分析得知,其主要優(yōu)點(diǎn)是,除光離子化檢測器可檢測的化合物外,還能檢測電離電位在10.6～11.7eV的化合物。5.3驅(qū)騙是有利5.3.1樣品的采集和檢測為了克服氬離子檢測器β放射源使氬原子激發(fā)、電離,形成高背景、高漂移、高噪聲、高檢出限,使其能在便攜式色譜儀中得到應(yīng)用,并具有分析10-9級有機(jī)揮發(fā)物的能力,驅(qū)弊為利,必需采用吸附-熱解析辦法對樣品富集,即用進(jìn)樣泵將大量的樣品氣體抽進(jìn)吸附介質(zhì)中,對氣體中的有機(jī)揮發(fā)物進(jìn)行富集,抽進(jìn)樣氣的多少取決于樣品中被測物質(zhì)的濃度和檢測器的檢出限。上述氬離子檢測器的檢出限為10-6級;若進(jìn)行10-9級檢測,富集因子至少要達(dá)到1000倍以上,然后使富集管急劇升溫至500℃,釋放出富集的待分析物質(zhì),以載氣吹掃進(jìn)入色譜柱進(jìn)行分析。5.3.2ecd和親電產(chǎn)物的檢測利用氬離子檢測器固有的高背景,可以進(jìn)行AID/ECD轉(zhuǎn)換。用一個檢測器即可以作氬離子檢測器使用,又可以作ECD使用。只要按一下轉(zhuǎn)換開關(guān),轉(zhuǎn)換成為另一種不同的檢測電路,便可以進(jìn)行鹵族等電子親和勢較高的有機(jī)物的檢測;但是,它畢竟不是專用的ECD。與專用的ECD相比,可以預(yù)計它的線性范圍會更窄(專用的ECD線性范圍為103),靈敏度也低。5.3.3光離子化分離器驅(qū)弊為利的第三點(diǎn)是可以使用普通的色譜柱,而光離子化檢測器則要求低淋溶的高質(zhì)量色譜柱。這是因為前者使用了高富集因子,色譜柱分離和檢測器檢測實際上都是10-6級化合物。5.4吸附熱分析技術(shù)的應(yīng)用要點(diǎn)5.4.1吸附劑和吸色劑吸附-熱解析技術(shù)可以對大氣或水中有機(jī)揮發(fā)物進(jìn)行濃縮和富集。對于大氣中的有機(jī)揮發(fā)物,可以用抽氣泵直接把樣品抽進(jìn)吸附管富集;對于水或固體廢棄物中有機(jī)揮發(fā)物,可以利用惰性氣體吹掃液體或固體,在吸附管中富集,通過加熱的方法,把經(jīng)過富集的待分析樣品轉(zhuǎn)移到氣相色譜中。利用這種技術(shù),可以獲得高的濃縮效果,從而降低了分析對象的檢出限。5.4.2填料吸附-熱解析技術(shù)為了保證利用吸附-熱解析技術(shù)獲取分析數(shù)據(jù)的質(zhì)量,首先要注意被分析組分在吸附管中填料上的柱容量,它不僅與被分離組分的色譜行為有關(guān),而且也隨樣品中其他組分的多少及它們的色譜行為有關(guān);其次,在熱解析過程中,被吸附的化學(xué)物質(zhì)在高溫下,相互間會發(fā)生復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng),造成分析結(jié)果謬誤。不掌握這些性質(zhì),就無法最大限度地利用吸附填料獲取最佳的效果。對于痕量定性、定量分析來說,操作技術(shù)條件要求較高,最好經(jīng)過預(yù)實驗后進(jìn)行正式分析。應(yīng)指出的是,吸附-熱解析技術(shù)所解決的問題是有限的。當(dāng)富集因子大于500倍時,分析結(jié)果誤差較大;幾千倍的富集因子會使分析結(jié)果失去定量意義。特別是吸附劑經(jīng)過吸附-熱解析多次使用,樣品的回收率也隨之變化,重現(xiàn)性(RSD)難以保證。一般說來,吸附管使用壽命依使用條件而變。不同分析物質(zhì)要求選用不同的吸附介質(zhì)和不同的熱解析溫度。表1給出了不同分析樣品所需吸附劑和熱解析條件。5.5許可證制度氬離子化便攜式氣相色譜儀的檢測器使用氚(β衰變)放射源,無論是生產(chǎn)、銷售、使用,須遵守我國相關(guān)法律、法規(guī),申請領(lǐng)取許可證;具配置符合國家環(huán)境保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)、職業(yè)衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)和安全防護(hù)要求的場所、設(shè)施和設(shè)備;須具備報廢后處理能力或者可行的處理方案。6有機(jī)和無機(jī)氣體檢測氦(He)離子化檢測器是惟一的本質(zhì)安全型、非破壞性的通用檢測器。由于He的電離電位、共振電位、亞穩(wěn)態(tài)電位都較高(分別為24.6、20.96和21.20、19.80和20.96eV),它可以檢測除氖以外的所有有機(jī)和無機(jī)氣體,特別適合永久性氣體分析。它的工作原理與氬離子檢測器相同,這里不一一贅述。需說明的是,這種檢測器主要用于永久性氣體,例如氧的分析。尚未見商品化便攜式氣相色譜儀應(yīng)用這種檢測器。7acusti-w采用的acusti-系統(tǒng)傳感器表面聲波傳感器(SAW,surfaceacousticwave)是建立于高頻機(jī)械振蕩器基礎(chǔ)上的傳感器件,它可以提供一種簡單、靈敏檢測物質(zhì)的化學(xué)和物理性質(zhì)方法。7.1表面聲波傳感器表面聲波的幅度和傳播速度都可以用于監(jiān)測器件表面介質(zhì)的化學(xué)、物理性質(zhì)。應(yīng)用較多的是傳播速度,因為在電子學(xué)中表面波傳播速度可以有較高的精度測量(10-7);而幅度測量精度為10-3。速度的變化,可以轉(zhuǎn)變?yōu)轭l率的變化。表面聲波傳感器要求使用一塊壓電晶體,電極制在壓電晶體的同一面,形狀為手指交叉形(IDT,interdigitaltransducer)。當(dāng)一個隨時間變化的電壓加上之后,晶格經(jīng)歷機(jī)械變形,它只限定于晶體表面一個特定區(qū)域,形成表面聲波。表面聲波傳感器的工作原理見圖5。它由一對傳感器組成兩個表面聲波延遲線,并制作在同一塊基質(zhì)上,每一套表面聲波延遲線都由發(fā)射器和接收器組成。表面聲波延遲線手指交叉形電極作為發(fā)射器,發(fā)射表面聲波,另一套手指交叉形電極作為接收器,把表面聲波變成電信號。實際應(yīng)用的工作頻率達(dá)GHz量級,因而表面聲波傳感器的表面對質(zhì)量(或密度)變化具有高的靈敏度;其次,隨著頻率的增加,器件幾何尺寸減少,造價更加低廉,更適合于便攜式儀器使用;最后,表面聲波器件上的表面聲波只局限于器件的表面區(qū)域,易于接近、采樣和受表面化學(xué)物質(zhì)的相互作用而發(fā)生變化。7.2表面聲波傳感器的選擇作為一種化學(xué)傳感器,關(guān)鍵在于表面聲波器件的鍍層薄膜性質(zhì),即化學(xué)氣體與鍍層物質(zhì)之間的反應(yīng)。表面聲波化學(xué)傳感器的設(shè)計,必須遵守兩條準(zhǔn)則。首先,被分析的化學(xué)物質(zhì),必須接近器件的表面,通常使用一種選擇性或半選擇性鍍層;其次,被分析的化學(xué)物質(zhì)與鍍層相互作用,使鍍層的物理性質(zhì),例如密度、黏滯度、模數(shù)、介電常數(shù)等產(chǎn)生變化,由此改變了表面聲波傳播速度。表面聲波傳感器的靈敏度和選擇性在很大程度上由鍍層本身決定。一條延遲線鍍有吸收膜;另一條延遲線無任何鍍層,保持惰性。兩條延遲線輸出信號的頻率之差,由電子線路采集,并由計算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、分析、顯示和存儲。這種結(jié)構(gòu)的表面聲波傳感器有兩個突出優(yōu)點(diǎn)。首先,兩條延遲線制在同一塊基體上,性能完全相同,又在相同的環(huán)境條件下使用,沒有鍍層的延遲線作為參比,補(bǔ)償了由溫度、壓力和其他因素引起的頻率偏差;其次,頻差是kHz級,適于價格低廉的數(shù)字電路進(jìn)行信號采集與處理。7.3氣相色譜質(zhì)譜分析以表面聲波傳感器(SAW