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64次
SHB2III循環水式多用真空泵;
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,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連接,主流煙氣由真空泵引流進入紅外觀測室。對于FTIR/AFT系統,香煙煙氣進入紅外觀測室內聚集,測得紅外光譜圖。在此過程中應盡可能避免流入觀測室的煙氣氣流發生攪動,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,煙氣進入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),其中包含氣態和固態燃燒產物。從圖中可以看出,香煙煙氣的基團振動信息比較復雜,因此主要對其中的幾組峰進行分析。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;720cm-1附近的峰為CH2基團的面內搖擺振動;在650～950cm-1范圍內存在芳環上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范圍內出現的峰為脂肪族NO2的對稱伸縮振動,同時在1300～1500cm-1范圍還出現OH的面內變形振動以及CH3和CH2基團的變形振動;而脂肪族NO2反對稱伸縮振動出現在1500～1600cm-1范圍內;1450～1650cm-1范圍內還存在芳環骨架振動;在1735cm-1附近出現的尖峰為羧酸中CO基團的伸縮振動峰,也可能是一些揮發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的伸縮振動峰;而在3015cm-1附近的尖峰可能為芳環上不飽和CH的伸縮振動;對于波數在3500cm-1以上的若干峰可能是一些基團振動的倍頻峰;在3640cm-1附近出現的峰屬于氣體CO2。氣態水會在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技術對沉積在ZnSe晶片上的香煙氣溶膠顆粒進行紅外分析,其紅外譜圖如圖5所示。
由圖5可以發現,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雜多樣。其中多環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主要峰進行放大分析(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;對于C—O的伸縮振動會出現在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或是亞硝基化合物中NO的伸縮振動;1702cm-1為基團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波數范圍內的峰為飽和CH,CH2及CH3的對稱及反對稱伸縮振動峰。在3300～3400cm-1范圍內的寬吸收帶是OH基團伸縮振動吸收峰,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、酚或液態水。
2．3AFT與ATR分析香煙燃燒產物的比較
通過對比圖3和圖5,可以發現其不同點主要體現在三個方面:(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譜圖中沒有。(2)AFT和ATR技術都檢測出了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,包括氣態及固態物質;而ATR僅對沉積在晶片上的氣溶膠有響應,對氣體無響應或響應很小。
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,從而可以觀察到燃燒產物中組分結構的變化和香煙氣溶膠的動態變化過程。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性組分沉積一段時間之后,隨著樣品池內氣壓的變化會慢慢揮發,從而引起譜圖中某些特征峰隨時間發生變化。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,將兩種技術結合對于研究香煙燃燒產物的形態及組成具有指導意義。
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