专利名称：CO<sub>2</sub>碳同位素红外光谱检测方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及环境监测技术与分析及光学技术领域，具体为一种CO2碳同位素红外光谱检测装置。
背景技术：
CO2是大气中最重要的温室气体之一，由于不同同位素存在不同的物理、化学、生物变化过程，因此，分析CO2碳同位素比有利于确定碳元素源与汇，为全球碳排放预算提供数据支持。近年来，CO2气体碳同位素比值检测技术在多个研究领域都得到了广泛应用。譬如:在环境科学和生态系统科学领域，自然界中的能量转换过程大多会伴随产生CO2，但不同的碳同位素反映不同的反应过程，揭示了土壤、植物等自然因素和各类人为活动的不同影响；在火山爆发预测研究中，地壳释放气体可与地表上通过路径的岩石或其他液体反应，因此，δ 13CO2值的变化可以作为判断火山活动增强，火山喷发预测的有效指标；在医学诊断领域，气体同位素检测还可以作为非入侵性医疗诊断，CO2的同位素比值被认为幽门螺旋杆菌存在的标志物(2005年诺贝尔医学或生理学奖)，消化性溃疡和胃癌与这种细菌相关，因此，可以通过对人体呼出CO2气体δ 13CO2值变化的检测来早期诊断消化性溃疡和胃癌等疾病。目前，CO2碳同位素比值检测的传统方法是同位素质谱(IRMS)法。同位素质谱法测量同位素的基本原理是依据分子质量不同所造成的弯曲路径不同而区分同位素分子。该方法却无法分辨分子质量相同的异构体，比如:分子量同为45的13C16O2和12C16O17O将无法利用同位素质谱法进行分辨，另外，同位素质谱法检测需要取样预处理，且仪器系统庞大、操作复杂，只能进行实验室分析，具有一定的局限性，尤其不适合实时的连续测量。红外光谱法是利用气体分子红外吸收光谱特性进行气体定性定量测量的光谱分析技术，具有测量精度高，可以实现实时、在线、无人值守等优势，可以实现CO2碳同位素比值实验现场在线分析测量，利用红外光谱法分析CO2碳同位素比值可以有效弥补传统检测技术的缺陷。
发明内容
本发明的目的是提供一种CO2碳同位素红外光谱检测装置，以解决传统检测CO2碳同位素比值技术无法实现实时、在线检测的缺陷。为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为:
CO2碳同位素红外光谱检测装置，其特征在于:包括反射池，反射池入光口处设置有红外光源、离轴抛物面反射镜、干涉仪，反射池出光口处设置有与计算机连接的红外探测器，反射池进气口通过三通阀接入有输入含有CO2气体待测气的待测气输入气路和输入已知δ 13CO2值的标准CO2气体的标准气输入气路，红外光源辐射具有连续红外光波的红外光，红外光依次经过离轴抛物面反射镜准直、干涉仪调制后由反射池的入光口进入反射池，并在反射池内经过多次往复反射后由反射池出光口出射至红外探测器。
所述的CO2碳同位素红外光谱检测装置，其特征在于:所述待测气输入气路包括依次通过管路连通的待测气采样口、粉尘过滤器、装有液氮的杜瓦罐、Naf ion管、装有HE-3型干燥剂的干燥管、气体流量计，待测气从待测气采样口进入待测气输入气路，再依次经过过滤器滤掉粉尘、杜瓦罐进行一级干燥、Nafion管进行二级干燥、装有HE-3型干燥剂的干燥管进行三级干燥、气体流量计计量后通过三通阀送入反射池中。所述标准气输入气路包括依次通过管路连通的标准气进气口、气体流量计，标准气从标准气进气口进入标准气输入气路，再经过气体流量计计量后通过三通阀送入反射池中。所述的CO2碳同位素红外光谱检测装置，其特征在于:所述三通阀具有a、b、c三个方向的阀口，三通阀a方向阀口与反射池进气口连接，三通阀b方向阀口接入标准气输入气路，三通阀c方向阀口接入待测气输入气路，，三通阀a方向阀口常通；当反射池进气为标准气时，三通阀a-b方向阀口气路通气，a-c方向阀口气路闭合；当反射池进气为待测气时，三通阀a-b方向阀口气口闭合，a-c方向阀口气路通气。所述的CO2碳同位素红外光谱检测装置，其特征在于:所述反射池出气口通过流量控制阀与Nafion管连通，反射池排出的干燥气体通过流量控制阀送入Nafion管，作为Nafion管的反吹气体。所述的CO2碳同位素红外光谱检测装置，其特征在于:所述红外光源、红外探测器、干涉仪构成傅里叶变换红外光谱仪，其中红外光源采用硅碳棒加热元件，红外探测器采用锑化铟探测器，干涉仪为迈克尔逊干涉仪；傅里叶红外光谱仪与反射池共同置于密封箱内，所述密封箱接入有吹扫口，密封箱在采集光谱过程中以0.51/min流速实时吹扫高纯氮气。所述的CO2碳同位素红外光谱检测装置，其特征在于:还包括压力监测系统、温度监测系统、温度控制系统，其中:
压力监测系统包括高精度的压力传感探头和设置在计算机中的压力显示记录软件，压力传感探头置于反射池内，压力传感探头的数据线接到计算机上以实时记录反射池内压力数据，以及监测反射池内压力随时间变化情况，压力精度达±lmb ；
温度监测系统包括高精度的温度传感探头和设置在计算机中的温度显示记录软件，温度传感探头置于反射池内，温度传感探头的数据线接到电脑上以实时记录反射池内温度数据，以及监测反射池内温度随时间变化情况，温度精度达±0.0re ；
温度控制系统包括加热板、温度反馈控制电路、ptioo温度探头和温度显不表头，加热板包围在反射池内壁，Ptioo温度探头包在加热板内侧以实时监测反射池表面温度，将加热板预加热温度设置为28°c，温度反馈控制电路根据PtlOO监测的温度控制加热板通断，PtlOO温度探头与加热板均接入温度控制盒，温度显示表头安装在控制盒内，温度显示表头实时显示设置加热温度和PtlOO监测的实际温度。所述装置的CO2碳同位素红外光谱检测方法，其特征在于:首先将反射池抽成固定的低压，然后通过标准气输入气路向反射池中充入高纯氮气至1013mb，重复以上过程3次，待反射池内高纯氮气保持在1013mb恒定压力、28°C恒定温度后，利用红外光源向反射池辐射红外光，并利用红外探测器采集高纯氮气光谱作为背景光谱，用作定量分析的背景；
当采集完背景光谱，将反射池内抽成固定的低压，然后通过标准气输入气路充入已知δ 13CO2值的标准CO2标准气至1013mb，重复以上过程3次，待反射池内标准CO2气体保持在1013mb恒定压力、28°C恒定温度后，利用红外光源向反射池辐射红外光，并利用红外探测器采集标准CO2气体光谱，由背景光谱和标准CO2气体光谱反演得到标准CO2气体的δ 13CO2反演值，由反演的S 13CO2反演值与标准CO2气体实际的S13CO2值进行比较得到校准系数，作为下面待测气体校准的依据；
最后通过待测气输入气路向反射池中充入待测气CO2至1013mb恒定压力、28°C恒定温度后，利用红外光源向反射池辐射红外光，并利用红外探测器采集待测气红外光谱，由背景光谱和待测气红外光谱反演得到待测气体的S 13CO2反演值，再结合校准系数对待测气体的δ 13CO2反演值进行修正得到待测气的δ 13CO2测量值。所述的CO2碳同位素红外光谱检测方法，其特征在于:经过干涉仪调制的红外光形成干涉信号，红外光经过反射池，由干涉信号进行傅里叶变换得到的光谱图表征了反射池内气体的吸收特征。所述的CO2碳同位素红外光谱检测方法，其特征在于:在CO2碳同位素比值定量反演中将12CO2和13CO2作为两种独立的组分来对待。本发明可以实现实时、在线、无人值守测量CO2碳同位素比值，拓宽了红外光谱法的应用领域范围。
图1为本发明结构原理图。
具体实施例方式CO2碳同位素红外光谱检测装置，包括反射池，反射池入光口处设置有红外光源、离轴抛物面反射镜、干涉仪，反射池出光口处设置有与计算机连接的红外探测器，反射池进气口通过三通阀接入有输入含有CO2气体待测气的待测气输入气路和输入已知δ 130)2值的标准CO2气体的标准气输入气路，红外光源辐射具有连续红外光波的红外光，红外光依次经过离轴抛物面反射镜准直、干涉仪调制后由反射池的入光口进入反射池，并在反射池内经过多次往复反射后由反射池出光口出射至红外探测器。待测气输入气路包括依次通过管路连通的待测气采样口、粉尘过滤器、装有液氮的杜瓦罐、Nafion管、装有HE-3型干燥剂的干燥管、气体流量计，待测气从待测气采样口进入待测气输入气路，再依次经过过滤器滤掉粉尘、杜瓦罐进行一级干燥、Nafion管进行二级干燥、装有HE-3型干燥剂的干燥管进行三级干燥、气体流量计计量后通过三通阀送入反射池中。标准气输入气路包括依次通过管路连通的标准气进气口、气体流量计，标准气从标准气进气口进入标准气输入气路，再经过气体流量计计量后通过三通阀送入反射池中。
三通阀具有a、b、c三个方向的阀口，三通阀a方向阀口与反射池进气口连接，三通阀b方向阀口接入标准气输入气路，三通阀c方向阀口接入待测气输入气路，，三通阀a方向阀口常通；当反射池进气为标准气时，三通阀a-b方向阀口气路通气，a-c方向阀口气路闭合；当反射池进气为待测气时，三通阀a-b方向阀口气口闭合，a-c方向阀口气路通气。反射池出气口通过流量控制阀与Nafion管连通，反射池排出的干燥气体通过流量控制阀送入Nafion管，作为Nafion管的反吹气体。
红外光源、红外探测器、干涉仪构成傅里叶变换红外光谱仪，其中红外光源采用硅碳棒加热元件，红外探测器采用锑化铟探测器，干涉仪为迈克尔逊干涉仪；傅里叶红外光谱仪与反射池共同置于密封箱内，所述密封箱接入有吹扫口，密封箱在采集光谱过程中以
0.51/min流速实时吹扫高纯氮气。还包括压力监测系统、温度监测系统、温度控制系统，其中:
压力监测系统包括高精度的压力传感探头和设置在计算机中的压力显示记录软件，压力传感探头置于反射池内，压力传感探头的数据线接到计算机上以实时记录反射池内压力数据，以及监测反射池内压力随时间变化情况，压力精度达±lmb ；
温度监测系统包括高精度的温度传感探头和设置在计算机中的温度显示记录软件，温度传感探头置于反射池内，温度传感探头的数据线接到电脑上以实时记录反射池内温度数据，以及监测反射池内温度随时间变化情况，温度精度达±0.0re ；
温度控制系统包括加热板、温度反馈控制电路、ptioo温度探头和温度显不表头，加热板包围在反射池内壁，Ptioo温度探头包在加热板内侧以实时监测反射池表面温度，将加热板预加热温度设置为28°c，温度反馈控制电路根据PtlOO监测的温度控制加热板通断，PtlOO温度探头与加热板均接入温度控制盒，温度显示表头安装在控制盒内，温度显示表头实时显示设置加热温度和PtlOO监测的实际温度。一种CO2碳同位素红外光谱检测方法，首先将反射池抽成固定的低压，然后通过标准气输入气路向反射池中充入高纯氮气至1013mb，重复以上过程3次，待反射池内高纯氮气保持在1013mb恒定压力、28°C恒定温度后，利用红外光源向反射池辐射红外光，并利用红外探测器采集高纯氮气光谱作为背景光谱，用作定量分析的背景；
当采集完背景光谱，将反射池内抽成固定的低压，然后通过标准气输入气路充入已知δ 13CO2值的标准CO2标准气至1013mb，重复以上过程3次，待反射池内标准CO2气体保持在1013mb恒定压力、28°C恒定温度后，利用红外光源向反射池辐射红外光，并利用红外探测器采集标准CO2气体光谱，由背景光谱和标准CO2气体光谱反演得到标准CO2气体的δ 13CO2反演值，由反演的S 13CO2反演值与标准CO2气体实际的S13CO2值进行比较得到校准系数，作为下面待测气体校准的依据；
最后通过待测气输入气路向反射池中充入待测气CO2至1013mb恒定压力、28°C恒定温度后，利用红外光源向反射池辐射红外光，并利用红外探测器采集待测气红外光谱，由背景光谱和待测气红外光谱反演得到待测气体的S 13CO2反演值，再结合校准系数对待测气体的δ 13CO2反演值进行修正得到待测气的δ 13CO2测量值。经过干涉仪调制的红外光形成干涉信号，红外光经过反射池，由干涉信号进行傅里叶变换得到的光谱图表征了反射池内气体的吸收特征。在CO2碳同位素比值定量反演中将12CO2和13CO2作为两种独立的组分来对待。如图1所示。傅里叶变换红外光谱仪18、探测器15、光源17和多次反射池11均置于密封箱13内，在光谱采集过程中密封箱实时以0.51/min流速的高纯氮气吹扫，保证密封箱内光谱仪光路上不含有多余的水汽和CO2气体。当三通阀8的a-b方向关闭，a-c方向通气时，现场待测气在抽气泵的工作下，先经过过滤器2的过滤，滤除掉空气中的粉尘，然后气管经过杜瓦罐3内液氮的冷凝可以除掉待测气中的一部分水汽，经过一级干燥的待测气依次再经过Nafion管4和装有HE-3高效变色干燥剂的干燥管5的二、三级干燥，再经过气体流量计7和三通阀8进入多次反射样品池11。当三通阀8的a-c方向关闭，a-b方向通气时，标准气体经过气体流量计7和三通阀8进入反射池。CO2碳同位素红外光谱检测装置每日校准一次，校准时，首先将反射池抽成固定的低压(〈lmb)，然后充入高纯氮气至1013mb，重复以上过程3次，待反射池内高纯氮气保持在1013mb、28°C恒定温度、压力后，采集高纯氮气光谱作为背景光谱用作以后定量分析的背景；当采集完背景光谱，将反射池内抽成低压(〈lmb)，然后充入校准气体至1013mb，重复以上过程3次，待反射池内标准气体保持在1013mb、28°C恒定温度、压力后，采集标准气体光谱，反演标准气体碳同位素比值作为下面气体校准的依据。采集光谱过程中，每条光谱采用64scans扫描，在CO2碳同位素比值定量反演中将12CO2和13CO2作为两种独立的组分来对待。
权利要求
1.CO2碳同位素红外光谱检测装置，其特征在于:包括反射池，反射池入光口处设置有红外光源、离轴抛物面反射镜、干涉仪，反射池出光口处设置有与计算机连接的红外探测器，反射池进气口通过三通阀接入有输入含有CO2气体待测气的待测气输入气路和输入已知δ 13CO2值的标准CO2气体的标准气输入气路，红外光源辐射具有连续红外光波的红外光，红外光依次经过离轴抛物面反射镜准直、干涉仪调制后由反射池的入光口进入反射池，并在反射池内经过多次往复反射后由反射池出光口出射至红外探测器。
2.根据权利要求1所述的CO2碳同位素红外光谱检测装置，其特征在于:所述待测气输入气路包括依次通过管路连通的待测气采样口、粉尘过滤器、装有液氮的杜瓦罐、Naf ion管、装有HE-3型干燥剂的干燥管、气体流量计，待测气从待测气采样口进入待测气输入气路，再依次经过过滤器滤掉粉尘、杜瓦罐进行一级干燥、Nafion管进行二级干燥、装有HE-3型干燥剂的干燥管进行三级干燥、气体流量计计量后通过三通阀送入反射池中； 所述标准气输入气路包括依次通过管路连通的标准气进气口、气体流量计，标准气从标准气进气口进入标准气输入气路，再经过气体流量计计量后通过三通阀送入反射池中。
3.根据权利要求2所述的CO2碳同位素红外光谱检测装置，其特征在于:所述三通阀具有a、b、c三个方向的阀口，三通阀a方向阀口与反射池进气口连接，三通阀b方向阀口接入标准气输入气路，三通阀c方向阀口接入待测气输入气路，，三通阀a方向阀口常通；当反射池进气为标准气时，三通阀a-b方向阀口气路通气，a-c方向阀口气路闭合；当反射池进气为待测气时，三通阀a-b方向阀口气口闭合，a-c方向阀口气路通气。
4.根据权利要求1所述的CO2碳同位素红外光谱检测装置，其特征在于:所述反射池出气口通过流量控制阀与Nafion管连通，反射池排出的干燥气体通过流量控制阀送入Nafion管，作为Nafion管的反吹气体。
5.根据权利要求1所述的CO2碳同位素红外光谱检测装置，其特征在于:所述红外光源、红外探测器、干涉仪构成傅里叶变换红外光谱仪，其中红外光源采用硅碳棒加热元件，红外探测器采用锑化铟探测器，干涉仪为迈克尔逊干涉仪；傅里叶红外光谱仪与反射池共同置于密封箱内，所述密封箱接入有吹扫口，密封箱在采集光谱过程中以0.51/min流速实时吹扫高纯氮气。
6.根据权利要求1所述的CO2碳同位素红外光谱检测装置，其特征在于:还包括压力监测系统、温度监测系统、温度控制系统，其中: 压力监测系统包括高精度的压力传感探头和设置在计算机中的压力显示记录软件，压力传感探头置于反射池内，压力传感探头的数据线接到计算机上以实时记录反射池内压力数据，以及监测反射池内压力随时间变化情况，压力精度达±lmb ； 温度监测系统包括高精度的温度传感探头和设置在计算机中的温度显示记录软件，温度传感探头置于反射池内，温度传感探头的数据线接到电脑上以实时记录反射池内温度数据，以及监测反射池内温度随时间变化情况，温度精度达±0.01℃ ； 温度控制系统包括加热板、温度反馈控制电路、ptioo温度探头和温度显不表头，加热板包围在反射池内壁，Ptioo温度探头包在加热板内侧以实时监测反射池表面温度，将加热板预加热温度设置为28°c，温度反馈控制电路根据Ptl00监测的温度控制加热板通断，PtlOO温度探头与加热板均接入温度控制盒，温度显示表头安装在控制盒内，温度显示表头实时显示设置加热温度和PtlOO监测的实际温度。
7.一种基于权利要求1所述装置的CO2碳同位素红外光谱检测方法，其特征在于:首先将反射池抽成固定的低压，然后通过标准气输入气路向反射池中充入高纯氮气至1013mb，重复以上过程3次，待反射池内高纯氮气保持在1013mb恒定压力、28°C恒定温度后，利用红外光源向反射池辐射红外光，并利用红外探测器采集高纯氮气光谱作为背景光谱，用作定量分析的背景； 当采集完背景光谱，将反射池内抽成固定的低压，然后通过标准气输入气路充入已知δ 13CO2值的标准CO2标准气至1013mb，重复以上过程3次，待反射池内标准CO2气体保持在1013mb恒定压力、28°C恒定温度后，利用红外光源向反射池辐射红外光，并利用红外探测器采集标准CO2气体光谱，由背景光谱和标准CO2气体光谱反演得到标准CO2气体的δ 13CO2反演值，由反演的S 13CO2反演值与标准CO2气体实际的S13CO2值进行比较得到校准系数，作为下面待测气体校准的依据； 最后通过待测气输入气路向反射池中充入待测气CO2至1013mb恒定压力、28°C恒定温度后，利用红外光源向反射池辐射红外光，并利用红外探测器采集待测气红外光谱，由背景光谱和待测气红外光谱反演得到待测气体的S 13CO2反演值，再结合校准系数对待测气体的δ 13CO2反演值进行修正得到待测气的δ 13CO2测量值。
8.根据权利要求7所述的CO2碳同位素红外光谱检测方法，其特征在于:经过干涉仪调制的红外光形成干涉信号，红外光经过反射池，由干涉信号进行傅里叶变换得到的光谱图表征了反射池内气体的吸收特征。
9.根据权利要求7所述的CO2碳同位素红外光谱检测方法，其特征在于:在CO2碳同位素比值定量反演中将12CO2和13CO2作为两种独立的组分来对待。
全文摘要
本发明公开了一种CO2碳同位素红外光谱检测方法及装置，装置采用、反射池、红外光源、离轴抛物面反射镜、干涉仪、与计算机连接的红外探测器、输入含有CO2待测气体的待测气输入气路和输入已知δ13CO2值的标准CO2气体的标准气输入气路，本发明方法根据红外探测器获得的红外光谱来得到被测气体的δ13CO2值。
文档编号G01N21/25GK103105366SQ20131002355
公开日2013年5月15日 申请日期2013年1月22日 优先权日2013年1月22日
发明者徐亮, 李相贤, 高闽光, 王亚萍, 石建国, 童晶晶, 金岭, 李胜 申请人:中国科学院安徽光学精密机械研究所