气体快速检测技术及在消防上的应用

气体快速检测技术及在消防上的应用邵建章 (武警学院消防工程系廊坊065000). 摘要在消防工作和突发事件的抢险救援中，经常涉及危险性气体的检测。本文针对危险性气体的检测，介绍了仪器法、传感器法、化学检测法和生物芯片法等气体现场快速检测技术，并着重对化学检测技术进行了详细的阐述。 . 关键词气体快速检测. 在消防工作中，经常涉及到对危险性气体的检测。这些危险性气体主要包括易燃、易爆、有毒、有害气体及易挥发性液体的蒸发。这些气体和液体在生产、储存、运输和使用过程中，一旦发生泄漏，极易引发中毒、火灾甚至爆炸事故，造成群死群伤，严重危害人民的生命和财产安全。并且，当世界各国不断出现恐怖分子和邪教组织投毒危害社会安定的恐怖事件。为了及时处置这些突发事件，制定处置方案，组织抢险救援，以及采取有效的防护措施，保障救援人员的生命安全，就必须迅速而准确地对事发现场的气体进行快速检测，确定气体的种类和含量。因此，气体现场快速检测技术对于处置这些突发事件具有十分重要的意义。 . 一、气体快速检测技术的应用. 在防火安全检查、火灾扑救、火灾原因调查和抢险救援中，气体快速检测技术都有着广泛的应用。 . 在防火安全检查中，气体快速检测技术可用于检测可燃气体及可燃液体的蒸气，确定有无可燃气体和可燃液体的泄漏；确定输气和输油管道是否有泄漏及确定泄漏区段；确定可燃液体的生产和贮藏场所(如生产车间、油库、油罐区)是否有可燃液体泄漏、可燃气体或可燃液体 的蒸气在空气中的浓度是否达到爆炸极限。 . 在火灾现场一次爆炸发生后，由于可燃气体继续泄漏或可燃液体的蒸气继续产生，当达到一定浓度时又会发生二次爆炸或燃烧。为了防止可燃气体或可燃液体蒸气的二次爆炸或燃烧对灭火指战员的伤害，防止毒性气体对消防指战员的危害，利用气体快速检测技术测出火灾现 场空气中气体的种类和浓度，为灭火指挥员制定灭火预案、采取相对应的防护措施提供依据。 . 在刚扑灭的火灾现场的空气中和液体燃烧痕迹表面常含有残留的可燃性气体、可燃性液体的蒸气和可燃性物质分解出来的气体产物(纵火犯常利用易燃液体纵火)。利用气体快速检测技术检测火灾现场空气中和液体燃烧痕迹表面残留的可燃气体的种类，就能为火调人员及时分析火灾原因，为侦破纵火案件提供依据和证据。 . 有毒有害气体和液体物质在生产、储存和运输过程中，由于事故发生泄漏或爆炸以及恐怖分子和邪教组织投毒，这些突发事件都极大危害人民群众的生命和健康。为了有针对性地处置这些突发事件，及时组织抢险救援，就必须及时快速准确地对有毒气体进行检测，确定气体 的种类和浓度。只有这样才能正确地制定出处置方案，采取有效的防护措施，保障救援人员的生命安全和受毒人员的救治。如日本地铁沙林毒气事件，如果当时在事发现场及时的检测出是沙林毒气，那么就能及时地采取相应的防护措施和救援对策，就不会造成那么严重的后果。 . 二、气体快速检测方法 . 当前，易燃、易爆、有毒、有害气体的快速检测技术较多，发展也很快。主要包括仪器法、传感器法，化学检测法和目前世界上研究十分活跃的生物芯片技术。 . (一)仪器法 . 利用各种气体快速测定仪器，对易燃、易爆、有毒、有害气体进行快速测定。 . 1热学式气体测定仪 . 利用可燃气体在催化剂作用下，燃烧产生的热量改变热敏电阻的阻值，测定易燃易爆气体的浓度。如常用的易燃易爆气体测爆仪，一氧化碳测定仪，爆炸粉尘测定仪等。 . 2光电式气体测定仪 . 利用气体对某种单色光的吸收，改变入射光的强度，在光电池中产生电信号，通过测定电信号而测定气体的浓度。如对芳烃气体及对紫外和可见光有一定吸收的有毒、有害气体的测定 。 . 3电导式气体测定仪 . 利用易燃、易爆、有毒、有害气体溶于某种电解质中，改变了这种电解质的组成和电导，通过测定电解质溶液的电导测定气体的浓度。如氨气测定仪，二氧化氮测定仪等。 . (二)气体传感器法 . 气体传感器的研究开发的较早，过去气体传感器主要用于煤气、液化石油气、天然气及矿井中的瓦斯气体的检测、报警和自动控制。目前气体传感器检测的气体种类已由原来的还原性气体发展到有毒气体的检测。用于气体检测的传感器主要有： . 1半导体气体传感器 . 半导体气体传感器主要使用半导体气敏材料，具有灵敏度高、响应快的优点而得到广泛的应用。目前已成为世界上产量最大、使用最为广泛的一种气体传感器。例如：WO3气体传感器可检测氨气的浓度；ZnOCuO气体传感器对一氧化碳气体非常敏感。 . 2固体电解质气体传感器 . 固体电解质气体传感器使用固体电解质气敏材料作气敏元件。由于这种传感器电导率高，灵敏度和选择性好，因而也得到了广泛的应用，仅次于金属氧化物半导体气体传感器。如检测硫化氢气体的YSTAuWO3传感器，检测氨气的NH+4CaCO3传感器等。 . 3接触燃烧式气体传感器 . 接触燃烧式气体传感器分为直接接触燃烧式和催化接触燃烧式两种。这种传感器只能检测可燃气体，对不燃性气体不敏感。例如，在Pt丝上涂敷活性催化剂Rh和Pd等制成的传感器，具有光谱特性，可以检测各种可燃气体。 . 4高分子气体传感器 . 利用高分子气敏材料的气体传感器近年来得到了很大的发展。高分子气体传感器具有对特定气体分子灵敏度高、选择性好的优点，并且结构简单，能在常温下使用，可以弥补其它气体传感器的不足。 . 仪器法和气体传感器法检测危险性气体，操作简便，检测速度快，定量效果好。但不易进行气体定性鉴定，不利于气体种类的鉴定。 . (三)化学检测法 . 利用化学试剂制成的指示剂与被检测气体发生化学反应，使指示剂的颜色发生变化，根据指示剂颜色的变化检测气体的种类和浓度。化学检测法除检测灵敏度较高，测定速度快，定性能力强等特点外，它的最大优点是可随时通过实验找出显色反应，自己动手制作检测器材， 最大限度地满足未知检测气体种类多对检测技术的要求，而且检测成本低，便于携带。因此，化学检测法是应用十分广泛的气体快速检测技术。气体快速化学检测方法主要包括检气管法，试纸法，溶液快速法。本文将着重介绍这三种方法的检测器材的制作技术和气体检测方法。 . 1检气管法 . 检气管是用化学试剂浸泡过的载体作指示剂，将指示剂装入细长的玻璃管中制成。检气管通常有两种类型：一种是比色型检气管，一种是比长度型检气管。由玻璃管(白塑料管)、载体 、指示剂和固定物组成。使用时，将现场气体以一定的速度抽过检气管，被测气体与指示剂发生化学反应，使指示剂呈现一定的颜色，根据指示剂显现的颜色进行定性鉴定，确定被测气体的种类。根据指示剂颜色的深浅或变色柱的长短与事先制成的标准色板或浓度标尺进行比较，测定气体中被测气体的浓度。 . (1)检气管的制作 . 载体的选择 . 载体是比表面较大，具有一定吸附能力的粒状物质，它的作用是将化学试剂吸附在它的表面上。装入玻璃管中的载体颗粒间要留有空隙，能让气体通过并与指示剂有足够的接触时间，以便发生化学反应使指示剂发生颜色变化。用于检气管的载体应具备：不与被测气体和所用 试剂发生化学反应，质地较牢固，能被粉碎成一定大小的颗粒，呈白色、多孔或表明粗糙的固体形态。最常用的载体为硅胶和素陶瓷，有时也用浮石、活化氧化铝、石英砂等。 . 试剂的选择与填充物的制备 . 用于检气管的试剂有指示剂和保护剂。 . 指示剂：选择能与被测气体发生颜色反应的物质，并且尽量在较小的载体表面上能与最小量的被测气体作用，生成明显的带色物质。制备指示剂时载体上的试剂量对变色柱长度或颜色深度影响相当大，增加试剂的量可使变色柱长度缩短或颜色加深；反之则增长或变浅。同时 用于溶解试剂的溶剂对变色柱的长度也有影响，均需在制作过程中加以选择。载体的粒度对变色柱长度、界限清晰与否也有影响，粒度大，抽气阻力小，变色柱增长，界限不清晰；粒度小，抽气阻力大，变色柱变短，界限清晰。这些在制备指示剂时，应通过实验进行选择。常用检气管的指示剂及其颜色变化和检测方法见表1。. 保护剂：防止干扰物质与指示剂发生反应而产生干扰和防止指示剂吸收水分而变质。所以应采用能与干扰物质发生反应而不与被测气体发生反应的试剂作保护剂。 . 填充物的制备：将试剂配成一定浓度，再将适量的载体置于溶液中，进行搅拌，使载体上均匀地吸附一层试剂，然后用蒸发或减压蒸发的方法除去溶剂，干燥。干燥的填充物应颗粒松散，无粘结现象。 . 装管与封管 . 将内径为2.52.6 mm的管径均匀的玻璃管(或白塑料管)切成长度为120180 mm，用清洗液浸泡、 表1常见检气管 洗净、烘干。将管的一端熔封，用固定物(玻璃棉、棉花或其它塑料纤维)塞紧，再装入用指示剂或保护剂制备的填充物。在装管时边装边用小木棒敲打管壁，使填充物压紧，防止管内形成气体通道，以免变色柱界限不齐，造成误差。装完填充物后再用固定物塞紧，用氧化焰熔封管子的另一端。. (2)检气管的使用方法 . 在事故现场使用时，先钳断检气管两端封口，安装上100mL注射器或采气泵等抽气装置，使被测气体从管中通过，根据检气管内显示的颜进行定性鉴定，确定被检测气体的种类，根据颜色的深浅或指示剂变色柱的长短与事先制成的标准色板或浓度标尺进行比较，测出气体中 被检测气体的含量。 . 2试纸比色法 . 试纸比色法是使被检测气体通过用化学试剂浸泡过的层析滤纸，被测物质与试剂在滤纸上发生化学反应，产生颜色变化，或者先将被测气体通过未被化学试剂浸泡过的层析滤纸，使被测物质吸附或阻留在滤纸上，然后向滤纸上滴加试剂，产生颜色变化。根据颜色变化进行定 性鉴定，确定被检测气体的种类，根据产生的颜色深度与标准比色板比较进行定量，测定被检测气体的浓度。 . 前一种方法适合于能与试剂迅速起反应的气态或蒸气态的被测物质，后一种方法适合于现场气体中的微小液滴和微小固体颗粒的检测。因此，试纸比色法测定对象相当广泛，应用面很广。 . 试纸比色法要求滤纸质地要均匀，一般采用层析滤纸，滤纸阻力不能太大或太小，以保证采样效率高为原则。检测某些特定气体时，滤纸本身含有微量杂质对测定会产生干扰，使用时必须经过预处理，除去杂质。化学试剂要求与被测气体显色反应快，尽量为特效反应，灵敏度高，保存时间长。常用的比色试纸见表2。 表2常用比色试纸 . 3溶液快速法 . 溶液快速法是以吸收液本身作为显色液，当被检测气体通过吸收液时，立即发生颜色变化而呈一定的颜色，根据颜色变化进行定性鉴定，确定被检测气体的种类，根据产生的颜色深度与人工标准管比较进行定量，测定被检测气体的浓度。. 溶液快速法要求作为吸收液的化学试剂与被检测气体反应的灵敏度要高，反应速度要快，采气量要小。吸收管多采用小体积吸收管和微量吸收管。 . 溶液快速法的灵敏度和准确度均比较高，而且一般不需作预先的特殊处理，因此在现场气体 快速测定方面有着广泛的应用。常见的溶液快速法见表3。 表3常见的溶液快速测定 . (四)生物芯片技术 . 生物芯片技术是物质分析与鉴定领域的一次划时代的革命，正是生物芯片技术的产生与应用，才使人类基因组计划提前五年完成。生物芯片技术是易燃、易爆、有毒、有害气体快速准确定量测定的最有发展前途的方法，也是气体快速检测技术的发展方向。 . 生物芯片技术是在多种固定化载体上刻蚀具有多种性能的生物反应器。它包括两大类：一类 叫做芯片实验室(在欧洲称为微分析系统)，它是将整个分析系统，甚至整个实验室的功能，包括试样采集、处理、稀释、加样、分离、反应、检测通过微型管道和其它微型部件全部集成在面积仅23 cm2的芯片上，如毛细管电泳芯片，质谱芯片，色谱质谱芯片，电化学分析系统芯片和生物化学合成芯片等；另一类是基于特异性反应的生物芯片，如基因芯片，免疫芯片，蛋白质芯片，酶芯片，传感器阵列芯片等。 . 通过实验研究，将各种有毒气体、有毒液体的蒸气及易燃、易爆气体的检测过程集成在生物芯片上，在事故现场就可对多种未知气体进行快速准确的定性定量检测，能十分准确地确定被测气体的种类和浓度。参考文献： 1刘义祥气敏材料与气体传感器的发展与展望，消防技术与产品信 息，2000(10)。2胡建国火灾物证分析，北京：警官教育出版社，1999。 3章竹君生物芯片的分子识别与标记，分析化学的成就与挑战，重庆，西南 师范大学出版社，2000。