1實驗部分

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(shù)64次

SHB2III循環(huán)水式多用真空泵;

流管紅外觀測室: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),點燃前將過濾嘴摘除。

1．2實驗裝置圖

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

1．3實驗方法

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

2結(jié)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(tuán)振動信息比較復(fù)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(nèi)出現(xiàn)若干峰,其中650cm-1附近的峰為OH基團(tuán)的面外搖擺振動;720cm-1附近的峰為CH2基團(tuán)的面內(nèi)搖擺振動;在650～950cm-1范圍內(nèi)存在芳環(huán)上CH的面外變形振動;1230cm-1左右的峰強度較強,為C—O的伸縮振動,且由于其峰形較寬,可能為酚的C—O伸縮振動;在1306cm-1的位置上出現(xiàn)一尖峰,強度較強,可能屬于羧酸的C—OH伸縮振動;在1300～1370cm-1范圍內(nèi)出現(xiàn)的峰為脂肪族NO2的對稱伸縮振動,同時在1300～1500cm-1范圍還出現(xiàn)OH的面內(nèi)變形振動以及CH3和CH2基團(tuán)的變形振動;而脂肪族NO2反對稱伸縮振動出現(xiàn)在1500～1600cm-1范圍內(nèi);1450～1650cm-1范圍內(nèi)還存在芳環(huán)骨架振動;在1735cm-1附近出現(xiàn)的尖峰為羧酸中CO基團(tuán)的伸縮振動峰,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(nèi)的峰為飽和CH的伸縮振動峰;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;對于波數(shù)在3500cm-1以上的若干峰可能是一些基團(tuán)振動的倍頻峰;在3640cm-1附近出現(xiàn)的峰屬于氣體CO2。氣態(tài)水會在3500cm-1以上出現(xiàn)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(xiàn),香煙氣溶膠的紅外譜圖中很多峰都疊加在一起,說明香煙氣溶膠中的成分復(fù)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(shù)范圍內(nèi)的幾個主要峰進(jìn)行放大分析(如圖6所示)。

由圖6可知,在700～800cm-1波數(shù)范圍內(nèi)可能為OH、CH及CH2的搖擺振動;對于C—O的伸縮振動會出現(xiàn)在1000～1260cm-1波數(shù)范圍內(nèi),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或是亞硝基化合物中NO的伸縮振動;1702cm-1為基團(tuán)CO的伸縮振動峰;2343,2362cm-1雙峰為氣體CO2的伸縮振動峰。2850～2960cm-1波數(shù)范圍內(nèi)的峰為飽和CH,CH2及CH3的對稱及反對稱伸縮振動峰。在3300～3400cm-1范圍內(nèi)的寬吸收帶是OH基團(tuán)伸縮振動吸收峰,并且是化合物分子中O—H基團(tuán)生成了分子內(nèi)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

通過對比圖3和圖5,可以發(fā)現(xiàn)其不同點主要體現(xiàn)在三個方面:(1)AFT譜圖中2000～2250cm-1范圍內(nèi)的兩雙峰為氣體CO的吸收峰,而在ATR譜圖中沒有。(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(yuǎn)遠(yuǎn)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(shù)3500cm-1以上存在四個峰,而ATR譜圖中卻沒有。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(yīng),對氣體無響應(yīng)或響應(yīng)很小。

4結(jié)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,從而可以觀察到燃燒產(chǎn)物中組分結(jié)構(gòu)的變化和香煙氣溶膠的動態(tài)變化過程。通過比較AFT與ATR得到的譜圖,可以觀察到在AFT譜圖中,氣體CO2的信號遠(yuǎn)遠(yuǎn)強于其他組分信號,并且出現(xiàn)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)性組分沉積一段時間之后,隨著樣品池內(nèi)氣壓的變化會慢慢揮發(fā),從而引起譜圖中某些特征峰隨時間發(fā)生變化。與以往分析香煙的方法相比,本方法不需復(fù)雜的香煙樣品預(yù)處理程序,分析方便、易行,將兩種技術(shù)結(jié)合對于研究香煙燃燒產(chǎn)物的形態(tài)及組成具有指導(dǎo)意義。