浅谈紫外荧光法在SO2 检测中的应用

浅谈紫外荧光法在SO2 检测中的应用
摘要：紫外荧光法是一种新型的SO2检测手段，通过分析荧光产生机理，结合SO2对荧光的吸收这一特性，探讨其计算原理及方法，并在实施工程中探讨系统的组建和控制。

关键词：激发；SO2 浓度；荧光谱
0 前言
近年来，工业的发展仍占据着经济发展的主题，伴随着工业发展的同时，二氧化硫（SO2）的大量产生给我们赖以生存的环境带来了严重威胁。

紫外荧光法是一种较精确的检测方法，其具有灵敏度高、选择性好、测量范围大、不需要其它化学药剂的辅助等优点，所以本文就如何利用其特性在大气中的二氧化硫（SO2）的检测进行几点论述。

1 系统概述
二氧化硫(SO2)作为大气中最主要污染物之一，对大气环境造成重大影响，是各级环境监测站对城市空气质量评价的重要监测项目。

目前，在监测大气SO2的方法中，紫外荧光法以其灵敏度高，选择性好，测量范围大，不需要化学药剂和实时在线测量等优点成为标准化方法之一，特别适于SO2 浓度较低的大气连续监测系统的应用。

本系统将先进的荧光光谱型光纤传感技术与微弱信号检测技术相结合，设计完成了一种新型的紫外荧光大气SO2 浓度检测系统。

系统采用双光路设计，有效抑制了由于激发光强度的不稳定和杂光的干扰对测量结果的影响，使其具有更高的测量精度。

在性能实验中，表明该系统能对浓度范围为(0～1500) 的SO2保持线性和稳定的检测。

2 􀀁测量原理和方法
2.1 SO2荧光产生机理
SO2 在近紫外区域主要有340～390 nm、250～320 nm、190～230 nm 三个吸收区。

实验证明，SO2在波长为220.6 nm 激发光激发后的激发态的寿命约为10- 9量级，且发出的荧光不易被氮气、氧气及其他污染物淬灭，此时荧光谱线范围为240～420nm，在320 nm 附近有较大荧光发射区。

因此，大气中SO2 浓度测量的激发波长最好选择在190～230nm 这个吸收区。

该区域具有强吸收、最小淬灭和最大的荧光系数。

图1为SO2 在入射波长为214～225 nm 内荧光强度和入射波长的关系。

在190～230 nm区域内,光源发出的紫外光频率为,SO2分子在这些频率上吸收紫外光产生激发态的SO*2 处于激发态的SO2将释放多余的能量，衰减回基态，并发出频率为的荧光。

SO2 荧光发生过程方程式:
2.2 紫外荧光光强与SO2 浓度对应关系
根据朗伯-比尔定律，光反应室中被SO2 吸收的紫外光强度为
（3）
式中I0为紫外光入射光强；为SO2分子对紫外光的吸收系数；L为光程；C为SO2气体的浓度。

在探测器前接受到的荧光强度为
（4）
式中G为光反应室的几何系数；Kf为荧光速率常数；Kd为淬灭率常数；Kq为离解速率常数。

将式（4）在零点作泰勒级数展开，得
（5）
考虑在激发波长为220.6 nm，SO2浓度较低时，“0，则方括号中自第二项起以后各项与第一项相比，都是高阶无穷小，在这种情况下，式（5）可表示为
（6）
在一定外部条件下，如光反应室几何尺寸已定，大气浓度在已定范围内，I0一定等条件下，有
（7）
式中K为一常数。

因此，从探测器接收到荧光强度与SO2浓度呈线性关系。

式（6）即为低浓度检测SO2浓度的荧光检测理论依据。

3 系统组成及关键技术
本文所设计的检测系统总体结构如图 2 所示。

其主要由激发荧光和传输荧光的光学系统与探测荧光和处理微弱荧光信号的电路系统两部分组成。

3.1 �光学系统
根据以上的理论分析，SO2气体激发波长选为220.6 nm，系统激发光源选用EG&G 公司的1100系列的FX-1160 短弧氙灯，其光辐射波长为200～1100nm，峰值波长在200～500 nm，符合系统要求。

氙灯光源发出的光经聚焦透镜L、窄带滤光片F1后再经光纤耦合器分为两束耦合进入光纤。

一束作为激发光沿着光纤束照射到测量气室，SO2气体受激发出荧光，经探测光纤收集，由滤光片F2 滤光( 主要是滤掉激发光和背景光)，经滤光后的荧光聚集到光电倍增管(PMT)进行光电转换。

另一束作为参考光通过光纤束直接被硅光电二极管( PIN) 探测。

为了有效分离被激发光照射的SO2 产生荧光和激发光的散射，采用高阻塞系数的干涉滤光片作光谱滤光。

F1选取的中心波长为220 nm，带宽为10 nm。

由于在激发光为220.6 nm 时，SO2发射的全部荧光基本上分布在240～420 nm 范围内，并在320～420 nm 范围内出现较强的荧光发射。

因此,选择发射F2 的中心波长为330 nm，带宽90 nm，其确保了光电倍增管所接收的光信号为被测物质所发出荧光，有效地克服了其他的光谱干扰。

系统中采用了H A M A M A T S U 公司的H6180-01 PMT，进行光电信号的转换和信号的放大。

其光谱响应范围
为240～600 nm，满足对荧光光谱检测范围。

3.2 电路系统
由于SO2发出的荧光强度很弱，需用微弱信号检测技术测量荧光信号。

本系统采用以-型A/D 转换器和数字积分器构成新型锁相结构为核心的微弱信号检测电路，其主要由前置低噪声放大器、带
通滤波器、乘法器、A/D 转换器和数字积分等环节组成。

两数字积分环节的输出是一个与SO2气体浓度相对应的数字信号。

经除法器输出送入单片机进行数据处理、计算和显示。

因此，通过探测荧光信号的强度，进而得到相应被测SO2气体的浓度。

3.3 系统关键技术
在光学系统中，为了克服激发光强度波动给测量结果带来影响，系统采用双光路测量方法。

PIN硅光电二极管接收脉冲氙灯的微小部分光强度作为参考光，PMT将微弱荧光信号转变为两路电信号分别通过特性相同的两积分器(增益不同)，然后经除法等归一化处理这样可有效地消除杂光和激发光强度波动带来的干扰，且有助于识别、校正和分析荧光光谱。

在电路系统中，由于SO2气体被激发后产生的荧光信号一般很弱，经光探测器检测输出的电信号很微弱，通常淹没在噪声中。

为了把信号从噪声中提取出来，必须采用相应的微弱信号检测电路。

其基本结构框图如图3所示。

微弱信号检测电路采用双通道结构，可有效抑制干扰信号的影响。

其中锁相放大环节采用- 型A/D 转换器和数字积分器构成新型锁相结构，将待测信号和参考信号相乘的结果通过高精度- 型A/D 采样，充分利用- 型A/D 本身的积分和过采样特性，且采样率不高，因此，对处理器的运算能力和速度要求不高，算法和电路更简单。

与纯模拟锁相放大系统相比，具有更高信噪比，从而提高了测量精度。

4结语
紫外荧光法是一种精确、高端及其环保的检测SO2的方法，从其环保性就应是优先考虑的，但在实施过程中不能杜绝人为的疏漏，多以加强人为的控制，提高系统效益，增强对环境的检测是一项势在必行的任务。