基于激光诱导荧光的多通道氮氧化物在线监测系统的制作方法

本发明具体涉及环境质量检测领域，具体涉及基于激光诱导荧光的多通道氮氧化物在线监测系统。

背景技术：

氮氧化物在灰霾的形成以及光化学烟雾的形成中都起着重要的作用。NO₂与VOCs在大气光照的条件下可以形成臭氧，同时NO₂还可以与大气中的某些VOCs形成过氧乙酰硝酸酯(PANs)、有机硝酸酯(ANs)等，这些二次产物均是光化学烟雾的主要组成部分。与此同时，NO₂还会与大气中的OH-自由基反应，形成硝酸气，硝酸气可以进一步转化为硝酸盐颗粒；同时NO₂也会与某些VOCs形成二次有机气溶胶，他们都是PM_2.5的重要组成部分。氮氧化物作为城市大气主要污染物之一，其参与的化学反应直接或间接影响大气化学循环、颗粒物酸度及大气氧化能力。

而由于氮氧化物浓度水平跨大(从遥远背景地区10ppm到城市背景地区1ppm)、大气寿命短暂、随时间变化较快，且测量时容易受到其他氮氧化物的干扰，增加了氮氧化物的测量难度。因此，高时间分辨率、灵敏度、高准确度的氮氧化物测量技术成为国内和际上广泛研究的热点问题。

技术实现要素：

为了解决现有技术的缺点和不足之处，本发明的目的在于提供一种基于激光诱导荧光的多通道氮氧化物在线监测系统，该系统中使用具有高灵敏度的激光诱导荧光检测，提高了氮氧化物在线监测的稳定性和准确度。

为实现上述目的，本发明采用以下的技术方案：

基于激光诱导荧光的多通道氮氧化物在线监测系统，包括：

自动进样控制单元，用于输送待监测气体，如零空气、NO₂标气或空气样本等，可以通过现有技术中采样泵、质量流量计或流量传感器等常用设备实现对待监测气体的精确流量控制；

热分解激光诱导荧光仪，接收所述自动进样控制单元输送来的待监测气体并采集待监测气体的数据(可以分别采集零空气、NO₂标气和空气样本的数据)，包括至少四个分别与所述自动进样控制单元相连通的气体通道，其中至少三个所述气体通道内分别设置有热分解室，所述热分解室分别通过控制加热温度分解待监测气体中的过氧乙酰基硝酸酯、有机硝酸酯和硝酸气生成NO₂；每个所述气体通道分别对应设置有检测NO₂的激光诱导荧光监测单元；

其中，所述激光诱导荧光监测单元包括激光器、检测光路、光电探测器和荧光信号处理模块。

作为优选，所述热分解室加热分解过氧乙酰基硝酸酯(PANs)、有机硝酸酯(ANs)和硝酸气(HNO₃)的温度分别控制在150-250℃、350-450℃和550℃以上(如550-650℃)。

作为优选，所述激光器采用激发光波长为532nm的皮秒Nd:YAG脉冲激光器，其脉宽约为20ns，重复频率约为15kHz，荧光检测的灵敏度与激发强、NO₂的吸收截面、荧光量子效率以及NO₂浓度相关。

作为优选，所述光电探测器采用光电倍增管(PMT)，其光敏面大、暗电流小、高增益、动态范围宽。

作为优选，所述荧光信号处理模块采用美国NI公司开发的LabVIEW软件及其硬件产品，具有高效的信号采集、分析、处理和控制特性,正开始应用于荧光检测系统中。荧光信号处理模块对荧光信号采集、分析、显示和处理,还可以根据信号控制LIF系统中激光器、检测光路和光电探测器等模块,实现在线分析、处理和信号优化。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)本发明系统采用热分解激光诱导荧光仪，通过检测不同的氮氧化物组分(NOy)在不同的温度下分解生成的NO₂，而NO₂可以被激光诱导荧光光谱在波长532nm下直接被检测到，从而实现大气中氮氧化物在线监测，具有高灵敏度、快速时间响应、干扰小的优点；

(2)本发明系统采用自动进样控制单元精确控制气体流量，使得监测稳定和精确；

(3)本发明系统可以实现空间多通道同步检测大气中的氮氧化物，包括NO₂、过氧乙酰硝酸酯(PANs)、有机硝酸酯(ANs)和硝酸气(HNO₃)的浓度。

附图说明

以下附图仅旨在于对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。其中：

图1本发明实施例检测大气中含氮化合物浓度的在线监测系统框图；

图2本发明实施例中热分解激光诱导荧光仪的结构原理示意图。

图中：1-气体通道；2-激光诱导荧光监测单元。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，进一步阐述本发明。在下面的详细描述中，只通过说明的方式描述了本发明的某些示范性实施例。毋庸置疑，本领域的普通技术人员可以认识到，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以用各种不同的方式对所描述的实施例进行修正。因此，附图和描述在本质上是说明性的，而不是用于限制权利要求的保护范围。

如图1和图2所示，基于激光诱导荧光的多通道氮氧化物在线监测系统，包括：

自动进样控制单元，通过采样泵、流量传感器向后续监测单元输送待监测空气(如零空气、NO₂标气或空气样本)，流量传感器通过气体质量流量计精确稳定控制输送气体；

热分解激光诱导荧光仪，接收所述自动进样控制单元输送来的待监测空气并采集待监测气体的数据(可以分别采集零空气、NO₂标气和空气样本的数据)，包括至少四个分别与所述自动进样控制单元相连通的气体通道1，本实施例中以四个气体通道为例进行介绍，其中三个所述气体通道1内分别设置有热分解室，并在热分解室分别通过控制加热温度200℃、400℃和650℃(也可以更高)分解待监测空气中的过氧乙酰基硝酸酯(PANs)、有机硝酸酯(ANs)和硝酸气(HNO₃)，使其生成NO₂；

每个所述气体通道1分别对应设置有检测NO₂的激光诱导荧光监测单元2；所述激光诱导荧光监测单元2包括激光器、检测光路、光电探测器和荧光信号处理模块；过氧乙酰硝酸酯(PANs)、有机硝酸酯(ANs)和硝酸气(HNO₃)分解生成的NO₂以及空气中含有的NO₂，分别进入带有光电探测器的PAN室、ANs室、HNO₃室、NO₂室，同时激光器激发光波，通过镜子的反射作用分别经过PAN室、ANs室、HNO₃室、NO₂室，产生的荧光被光电探测器探测到，并反馈到荧光信号处理模块，根据信号控制LIF系统中激光器、检测光路和光电探测器等模块,实现在线分析、处理和信号优化。

其中，所述激光器最好采用激发光波长为532nm的皮秒Nd:YAG脉冲激光器，其脉宽约为20ns，重复频率约为15kHz，荧光检测的灵敏度与激发强、NO₂的吸收截面、荧光量子效率以及NO₂浓度相关。

所述光电探测器最好采用光电倍增管(PMT)，其光敏面大、暗电流小、高增益、动态范围宽。

所述荧光信号处理模块可以采用美国NI公司开发的LabVIEW软件及其硬件产品，具有高效的信号采集、分析、处理和控制特性,正开始应用于荧光检测系统中。荧光信号处理模块对荧光信号采集、分析、显示和处理,还可以根据信号控制LIF系统中激光器、检测光路和光电探测器等模块,实现在线分析、处理和信号优化。

以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用以限定本发明的范围。任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作出的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。