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今天的主題是：
「毒氣」檢測 「小」有大學問
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甲醛、氨氣、一氧化碳、氰化氫、氯乙烯、硫化氫、二氧化硫……這些有毒有害、易燃易爆的氣體常常「潛藏」在人們的工業生產、生活空間中。無論是在危險場所還是在人居環境，對這些氣體的檢測和治理都非常重要。
要想準確測定它們，目前常用的方法大都在實驗室中進行。但實驗室方法顯然不能滿足所有的檢測需求。
實驗室檢測的「短板」
「實驗室方法有一個弊端：我們需要把樣品從現場採集回來，然後在實驗室進行前處理，然後再進儀器去分析。」北京市勞動保護科學研究所人居室內環境檢測中心郭瑞華博士說：「這個過程就會耗時比較長，對人員的要求也比較高。」
郭瑞華說，實驗室方法準確度高、選擇性好、穩定性強，但比較耗時耗力，對於一些在現場就需要知道氣體汙染情況的場景，就顯得不太適用。
比如：特殊危險品的洩露、火災、一些自然災害的現場，這些地方在情況緊急之下需要快速、實時了解氣體汙染物成分及濃度變化，非常需要快檢儀器設備。
不僅如此，受疫情影響，人們需要長時間待在室內、車內，這些地方與危險場所相比，氣體汙染物濃度不高，但長期身處其中，也會對健康造成影響。及時、快捷地測定空氣中對人體健康不利的汙染物，也日漸成為剛需。
「比如我們的辦公場所、娛樂場所、商場，還有我們的通勤工具如地鐵、汽車等，這些都是需要有快檢設備的。」郭瑞華說，快檢設備可以用於我們生活中的各個方面。
「小型化」的「大難題」
快檢儀器設備，特點是便攜、小型化，甚至能夠搭載無人車、無人機到現場，實時給出檢測結果。然而，檢測設備的「小型化」，一直都是困擾行業的「大難題」。
「儀器越小，它的測量精度和檢出限越受影響。」 北京市勞動保護科學研究所人居室內環境檢測中心副主任、副研究員朱小鋒說，而如果儀器做得太大，那就不便於攜帶、難以集成，「這是一對矛盾」。
就像蹺蹺板的兩端，氣體檢測如果追求準確度、靈敏度，就要犧牲檢測效率，且難以實現設備的小型化；而如果要求在線、實時快速檢測，多半要犧牲檢測的準確度、靈敏度和穩定性。
這也是為何儘管需求很大，但目前市場上能夠滿足快檢需求的產品非常少。
「因此要選一個折中方案——既能夠便於攜帶、實現儀器微型化，又不用過分追求精度，但要能夠滿足現場檢測需求。」朱小鋒說。
由朱小鋒團隊參與完成的「基於微色譜的快速準確高靈敏氣體檢測關鍵技術及應用」項目，就提供了這樣一種解決方案。
這是一支多學科交叉的團隊——分析儀器設備的研發本就涉及多個專業學科。據朱小鋒介紹，研發團隊匯聚了分析化學、材料設計、機械電子、軟體開發等領域專業人才。在與其他高校院所和企業開展合作的基礎上，團隊完成了微型色譜儀各模塊的研發與系統集成。
「我們組建了一支多學科交叉團隊，聯合所外優勢科研資源，共同開發了這項技術，並取得了一定的成果。」朱小鋒說。
5分鐘出結果的微色譜檢測儀
「通過微型色譜儀，我們可以對揮發性有機物（VOC）等目標氣體，在5分鐘內完成定量分析。」朱小鋒說。
研發團隊研製的「微型色譜儀」，主要包括微型富集器、微型色譜柱、微型檢測器、軟體以及控制等模塊。
● 微型富集器
富集器是微量檢測中常見且關鍵的裝置，特別是針對輕質、低濃度氣體的檢測，富集器可以通過富集作用將濃度提升10~1000倍。在微型富集器的研發中，研究團隊做了精巧的開發。
團隊成員之一、北京市勞動保護科學研究所人居室內環境檢測中心李永振博士介紹說，在富集裝置的設計過程中，他們主要考慮兩個方面：一是增大它的比表面積，從而提高富集量；另一個是通過冷卻和加熱的過程，實現氣體有效的富集以及分離。
氣體的冷卻和加熱過程實現了氣體的吸附和自動分離。據李永振博士介紹，微型富集器主體只有1元硬幣大小，而在其內部的冷卻和加熱過程，溫度分別達到-100℃和200℃，這在器件製作中需要特別注意。
「一個是結構設計上，我們需要開展針對更微型化的結構設計；另外就是加工技術方面，我們通常採用一些光刻機這種高精度的加工設備，使得我們加工的微型系統體積都比較小，都在毫米級的量級上。」李永振介紹說。
● 微型色譜柱
富集後的氣體濃度升高，就可以進入下一步的分離、檢測階段了。
色譜技術常用於不同氣體的分離。什麼是色譜技術？「微色譜柱」又有哪些門道？
「微色譜和傳統色譜在分離原理上都是一致的，都是通過色譜柱對目標氣體進行分離。」郭瑞華介紹說，整個分離過程就像一場長跑比賽，進樣口相當於比賽「起點」，色譜柱就是「跑道」，儀器的檢測器就相當於「裁判」在終點。
就像長跑比賽的運動員一樣，各類氣體開始聚集在一起，在沿著色譜柱這個「跑道」奔跑過程中，有的跑得快、有的跑得慢，在「終點」的檢測器就會像「裁判」一樣如實記錄不同氣體到達的情況，從而來定性、定量分析氣體濃度。
傳統的色譜柱一般是長達30米~60米的毛細管柱，因路徑較長，使用它進行氣體分離分析時間也會比較長。通常，分析一個樣品的時間要0.5~1小時不等。
這顯然無法滿足現場檢測的需求。
「微色譜相當於把傳統色譜柱進行微型化。」郭瑞華說。
而在微型化的過程中，勢必會損失掉高選擇性、高靈敏度和高準確性。既要滿足它的微型化，又想要得到一個非常好的檢測結果，這成為研發團隊在研發過程中需要突破的技術難點。
針對這一技術難點，研發團隊基於微機電系統（MEMS）技術實現了技術的突破。團隊研製出的系列高解析度色譜晶片，僅有火柴盒大小。
「現有的微色譜是基於MEMS技術完成的，在此基礎上，我們還要採用MEMS技術去設計加工MEMS加熱板，這些加熱板會非常小到幾個毫米。」郭瑞華說。
● 微型檢測器
同樣基於MEMS技術，研究團隊還結合其在材料製備、檢測應用上的優勢，研製出一些面向室內空氣品質監測的微型化的氣體傳感器。
朱小鋒介紹說，在微型化檢測器方面，團隊主要開發出了微型氫火焰檢測器（FID檢測器）、光離子化氣體檢測器（PID檢測器）以及熱導檢測器（TCD檢測器）。「針對不同的目標氣體，我們可選用不同類型的檢測器來進行檢測。」
而各個微型器件的集成也是一項難度頗大的工作。
「各個關鍵部件研製出來之後，需要將它們集成。集成中最大的問題就是關鍵部件的接口問題。因為器件都比較微小，在主要連接部位，不能有『死體積』（註：會影響結果準確性）發生。」朱小鋒說，為此他們在關鍵部件的接頭部分做了專門的設計，以儘量減少「死體積」的產生。
實地檢驗獲認證
研製出設備後，朱小鋒團隊即攜設備在大興國際機場、北京通州城市副中心等地對設備進行了實地檢驗。
「我們將研製的微型色譜儀的檢測數據與實驗室分析數據進行比對，兩者數據相當接近。」朱小鋒說：「這說明了我們目前開發的產品可以用於現場的快速檢測。」
功夫不負有心人。
2020年8月，消息傳來，這項由北京市勞保所與中科院電子所、西安交通大學等單位共同完成的「基於微色譜的快速準確高靈敏氣體檢測關鍵技術及應用」項目，獲得了2019年度北京市科學技術進步二等獎。目前，相關技術的產業化已累計貢獻數億元產值。
難度最大是集成創新
回顧研發中的種種細節，朱小鋒很是感慨。
針對可攜式儀器的研發，目前國內外正在開展研發甚至宣稱已經研發出產品的團隊不在少數。但是，這些設備在集成之後能夠真正走向應用、達到預期性能的，寥寥無幾。
「因為分析檢測儀器的研製它確實是一個多學科交叉的領域，而不是單純的一個設備製造，只需要搞結構的、搞硬體的就能做出來。」朱小鋒說：「它後面涉及的方法、應用等都要研究，所以我們把搞分析化學的、機械設計的、軟體控制的，糅到一塊，才能把這個事做好。」
首先是加工難——因為加工出來的產品往往跟設計有出入，而實驗室缺乏專業設備也讓一些工作難以開展，比如缺乏設備檢測塗覆是否均勻平整等等。
想法突破更難——朱小鋒說，他原來是做應用做集成，往往關注的是儀器的綜合性能指標。「但這容易忽略了一些細節。其實儀器傳感器怎麼解決後續的問題，關鍵在根上。材料結構、表面修飾等都是很關鍵的。只有從微觀上設計好，宏觀上的問題才能更好地解決。」
「我認為，能不能把儀器做好，難度最大的地方是集成創新。」朱小鋒說，就算是將成熟的或現有的傳感器等關鍵部件進行集成，能夠達到所預期的性能，也已經非常了不起了。
「大廈之城，非一木之材；大海之闊，乃萬流之歸。」獲獎之後，研發團隊沒有沉醉於已取得的成績。他們希望與合作院企一道，繼續開發具有更多功能和更高精度的現場檢測儀器設備，並將設備在無人車、無人機、移動環境艙上集成，讓可攜式檢測設備在更多場景發揮更大作用。
（此稿經朱小鋒、郭瑞華、李永振科學性把關）
策劃：魏永蓮
編輯：李冰、趙廣立