1實(shí)驗部分

1．1儀器與原料

美國Nicolet公司Magna560傅里葉變換紅外光譜儀:DTGS檢測器,OMNIC操作軟件,光譜范圍4000～400cm-1,分辨率4cm-1,掃描累加次數64次

SHB2III循環(huán)水式多用真空泵;

流管紅外觀(guān)測室:塑料容器,容積約2L,兩端由紅外透光材料(硅片)密封;

ATR觀(guān)測室:ZnSe晶片外加自制塑料密封盒(透明);

香煙:市售中南海(混合型;焦油含量5和10mg),點(diǎn)燃前將過(guò)濾嘴摘除。

1．2實(shí)驗裝置圖

本實(shí)驗采用FTIR/AFT和FTIR/ATR兩種檢測技術(shù),其實(shí)驗裝置及流程分別如圖1和圖2所示。

1．3實(shí)驗方法

點(diǎn)燃香煙,將除去過(guò)濾嘴的一端與系統連接,主流煙氣由真空泵引流進(jìn)入紅外觀(guān)測室。對于FTIR/AFT系統,香煙煙氣進(jìn)入紅外觀(guān)測室內聚集,測得紅外光譜圖。在此過(guò)程中應盡可能避免流入觀(guān)測室的煙氣氣流發(fā)生攪動(dòng),防止固體顆粒沉積到紅外觀(guān)測室的硅窗片上,“污染”煙氣的光譜信號。對于FTIR/ATR系統,煙氣進(jìn)入ATR觀(guān)測室,其中的氣溶膠微粒會(huì )沉積到ATR晶體表面上,從而得到香煙氣溶膠的紅外譜圖。

2結果與討論

2．1香煙煙氣的FTIR/AFT檢測

采用FTIR/AFT方法對香煙煙氣進(jìn)行紅外掃描,得到煙氣的紅外光譜圖(如圖3所示),其中包含氣態(tài)和固態(tài)燃燒產(chǎn)物。從圖中可以看出,香煙煙氣的基團振動(dòng)信息比較復雜,因此主要對其中的幾組峰進(jìn)行分析。將每組峰放大,其峰形、峰位如圖4所示。

由圖4可知,在600～750cm-1范圍內出現若干峰,其中650cm-1附近的峰為OH基團的面外搖擺振動(dòng);720cm-1附近的峰為CH2基團的面內搖擺振動(dòng);在650～950cm-1范圍內存在芳環(huán)上CH的面外變形振動(dòng);1230cm-1左右的峰強度較強,為C—O的伸縮振動(dòng),且由于其峰形較寬,可能為酚的C—O伸縮振動(dòng);在1306cm-1的位置上出現一尖峰,強度較強,可能屬于羧酸的C—OH伸縮振動(dòng);在1300～1370cm-1范圍內出現的峰為脂肪族NO2的對稱(chēng)伸縮振動(dòng),同時(shí)在1300～1500cm-1范圍還出現OH的面內變形振動(dòng)以及CH3和CH2基團的變形振動(dòng);而脂肪族NO2反對稱(chēng)伸縮振動(dòng)出現在1500～1600cm-1范圍內;1450～1650cm-1范圍內還存在芳環(huán)骨架振動(dòng);在1735cm-1附近出現的尖峰為羧酸中CO基團的伸縮振動(dòng)峰,也可能是一些揮發(fā)性羰基化合物如五碳以下的醛和酮;2118,2170cm-1雙峰為氣體CO的吸收峰;2900～3000cm-1內的峰為飽和CH的伸縮振動(dòng)峰;而在3015cm-1附近的尖峰可能為芳環(huán)上不飽和CH的伸縮振動(dòng);對于波數在3500cm-1以上的若干峰可能是一些基團振動(dòng)的倍頻峰;在3640cm-1附近出現的峰屬于氣體CO2。氣態(tài)水會(huì )在3500cm-1以上出現一系列尖銳的吸收峰。

2．2香煙煙氣溶膠的FTIR/ATR檢測

采用FTIR/ATR技術(shù)對沉積在ZnSe晶片上的香煙氣溶膠顆粒進(jìn)行紅外分析,其紅外譜圖如圖5所示。

由圖5可以發(fā)現,香煙氣溶膠的紅外譜圖中很多峰都疊加在一起,說(shuō)明香煙氣溶膠中的成分復雜多樣。其中多環(huán)芳烴主要存在于香煙氣溶膠中。對圖5中不同波數范圍內的幾個(gè)主要峰進(jìn)行放大分析(如圖6所示)。

由圖6可知,在700～800cm-1波數范圍內可能為OH、CH及CH2的搖擺振動(dòng);對于C—O的伸縮振動(dòng)會(huì )出現在1000～1260cm-1波數范圍內,其可能是屬于醇、酚或醚;1514cm-1峰可能屬于芳香族化合物的骨架振動(dòng)或是亞硝基化合物中NO的伸縮振動(dòng);1702cm-1為基團CO的伸縮振動(dòng)峰;2343,2362cm-1雙峰為氣體CO2的伸縮振動(dòng)峰。2850～2960cm-1波數范圍內的峰為飽和CH,CH2及CH3的對稱(chēng)及反對稱(chēng)伸縮振動(dòng)峰。在3300～3400cm-1范圍內的寬吸收帶是OH基團伸縮振動(dòng)吸收峰,并且是化合物分子中O—H基團生成了分子內或分子間氫鍵,從而使譜帶變寬,可能屬于醇、酚或液態(tài)水。

2．3AFT與ATR分析香煙燃燒產(chǎn)物的比較

通過(guò)對比圖3和圖5,可以發(fā)現其不同點(diǎn)主要體現在三個(gè)方面:(1)AFT譜圖中2000～2250cm-1范圍內的兩雙峰為氣體CO的吸收峰,而在ATR譜圖中沒(méi)有。(2)AFT和ATR技術(shù)都檢測出了2300cm-1左右的CO2氣體峰,但峰的相對強度卻有很大差異,用AFT技術(shù)檢測的樣品中CO2的信號*,遠遠高于其他峰的強度;而用ATR技術(shù)檢測的CO2的信號相對于同譜中其他峰則強度較弱。(3)AFT譜圖中在波數3500cm-1以上存在四個(gè)峰,而ATR譜圖中卻沒(méi)有。造成以上譜圖差異的原因是AFT檢測的是整體煙氣,包括氣態(tài)及固態(tài)物質(zhì);而ATR僅對沉積在晶片上的氣溶膠有響應,對氣體無(wú)響應或響應很小。

4結論

本文主要采用FTIR/AFT及FTIR/ATR兩種方法分別得到了香煙煙氣及香煙氣溶膠的紅外光譜圖。AFT方法可以獲得了整體煙氣的信息,而ATR方法可得到香煙氣溶膠的信息,從而可以觀(guān)察到燃燒產(chǎn)物中組分結構的變化和香煙氣溶膠的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程。通過(guò)比較AFT與ATR得到的譜圖,可以觀(guān)察到在AFT譜圖中,氣體CO2的信號遠遠強于其他組分信號,并且出現了CO的信號。而在ATR譜圖中,由于香煙氣溶膠中的一些揮發(fā)性組分沉積一段時(shí)間之后,隨著(zhù)樣品池內氣壓的變化會(huì )慢慢揮發(fā),從而引起譜圖中某些特征峰隨時(shí)間發(fā)生變化。與以往分析香煙的方法相比,本方法不需復雜的香煙樣品預處理程序,分析方便、易行,將兩種技術(shù)結合對于研究香煙燃燒產(chǎn)物的形態(tài)及組成具有指導意義。