快速即時分析多種氣體

使用FTIR分析氣體樣品的優點與架構

作者利泓科技技術專員 呂昌諺
日期2021-05-03
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傅立葉轉換紅外線光譜儀(FTIR)作為氣體分析設備有以下的優點：

  1. 不會破壞性樣品
  2. 幾乎不需要樣品前處理
  3. 一次分析超過30種氣體濃度
  4. 不需要每天校正
  5. 分析頻率最快可達到每秒5次
  6. 偵測極限可以達到ppb等級

FTIR從問世至今仍然是極性有機分子優異的定性工具，在氣體分析的量測中，所有的氣體分子都有獨特的光譜視窗『Spectral Window』，所以FTIR可以在一次量測中取得複數的氣體濃度結果，在設備架構允許下，每一秒都能取得可信的數據。

關鍵字｜FTIR，線上氣體分析，Multi-component gas

FTIR如何分析氣體樣品？

FTIR屬於吸收光譜的一種，設備主要由光源、干涉儀與偵測器組成，在FTIR的氣體分析中，我們使用可以讓FTIR針對氣體分析專用的氣體量測槽，也就是Gas Cell，作為氣體樣品的容器，如下圖，氣體透過適合的管路，固定的流速、壓力與恆溫的管路，導入預熱的Gas-Cell中，同時FTIR干涉光源會穿過Gas-Cell上的樣品視窗進入Gas Cell中，經過多次反射來增加『光徑』，除了達到定量的目的，也增加FTIR對氣體樣品的偵測靈敏度。

大多數的氣體感測器通常只能針對單一或者少數氣體進行分析，但是在FTIR的氣體分析過程中，可以同時分析超過30種以上會吸收FTIR干涉光源的氣體種類，而這些氣體分子會因為分子結構不同出現在FTIR圖譜中的不同位置。

常見的氣體分析如下：

  • CO、CO2、H2O等來自於燃燒的副產物
  • CH4與其他碳數小於5的碳氫化合物
  • NO、N2O、NO2、NH3等環境中需要監控的氣體分子
  • HCl、HCN、HF、HBr與SO2等毒性或腐蝕性的氣體
  • NF3、SiF4、CF4、CO2等會在半導體製程中使用的氟氯碳化合物反應氣體
  • 醇類、醛類與芳香環類的化學氣體

這些氣體主要來自於特定的產業應用：

高純度特殊氣體(Specialty)：應用於半導體製程中的反應氣體，分析氣體的不純物與濃度，例如NF3中的N2O。

戰鬥機駕駛氧氣面罩中的O2純度分析，以FTIR分析氧氣中可能含有的其他不純物。

汽車/工業燃燒排氣：連續排放(CEM)分析，例如NOx氣體、SO2或VOC等。

催化劑研究：催化實驗與動力學研究中產生的氣體副產物分析，例如CO2、NH3等。

消防安全科學(Fire safety science)：分析火災現場中因為燃燒釋放的毒性氣體煙霧濃度，保護消防隊員的人身安全，例如HCl或HF等。

再生能源：垃圾掩埋場中由生機物質，發酵和厭氧消化產生的氣體組成分析。

樣品氣體的分析除了需要過濾固態汙染物，不需要額外的擴散器、撞擊器或是化學衍生試劑來協助進樣或樣品氣體前處理，而且濕熱的氣體樣品可以不經過冷凝器(Cold trap)，不需要環境空氣稀釋或者使用採氣袋，可以直接導入到Gas-Cell中進行分析。

FTIR氣體分析可以應用於分析獨立氣體樣品的品質，也可以匯出連續排放氣體管線的濃度趨勢圖。有別於使用氣相層析(GC)，FTIR氣體分析可以每分每秒反應氣體樣品的濃度變化，產線中可以進一步將FTIR氣體分析的操作軟體結合控制系統，與其他分析設備配合，達到自動化的目的。

典型的FTIR氣體分析流程圖：

氣體來源分為三種，首先是真空環境或者氮氣吹掃(Purge)之後的背景光譜取得，接著依照實驗目的，若是需要建立或者再次校正分析方法，則透過氣體分流器導入不同體積的標準器體來取得不同濃度的檢量線光譜。也可以切換閥件將樣品氣體經由恆溫器體管路，導入預熱的氣體分析槽(Gas Cell)中。在FTIR氣體分析設備的排器可以接上隔膜幫浦，幫助產生拉力來填充或者置換氣體分析槽(Gas Cell)中的氣體。

氣體管路的溫度與壓力控制都會影響到氣體分析的穩定性，可以使用質流控制器與外加保溫設計來維持，而氣體分析槽(Gas Cell)可以依照目標分析濃度選擇不同的『光徑』。同時依照氣體的特性可以選擇管路內壁、氣體樣品槽(Gas Cell)的視窗以及內部的材質，避免腐蝕。最後FTIR氣體分析設備的偵測器可以依照連續分析的頻率，搭配分析的濃度進行更換。

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