以沙林毒氣為例，沙林，學(xué)名甲氟膦酸異丙酯，英文名稱Sarin，是二戰(zhàn)期間德國納粹研發(fā)的一種致命神經(jīng)性毒氣，化學(xué)式：(CH3)2CHOOPF(CH3)，無色無味，通過過度刺激肌肉和重要器官影響神經(jīng)系統(tǒng)產(chǎn)生致命效果。沙林可以通過呼吸道或皮膚黏膜侵入人體，殺傷力JQ，一旦散發(fā)出來，可以使1.2公里范圍內(nèi)的人死亡和受傷^[2]。它分液態(tài)和氣態(tài)兩種形式，一滴針眼大小的沙林毒氣液體就能導(dǎo)致一名成人很快死亡。

        中毒后表現(xiàn)為瞳孔縮小、呼吸困難、支氣管痙攣和劇烈抽搐等，嚴(yán)重的數(shù)分鐘內(nèi)死亡。梭曼化學(xué)名稱為JFL酸頻哪酯，英文名Soman，1944年，德國諾貝爾獎(jiǎng)金獲得者理查德•庫恩博士SC合成了梭曼。梭曼吸入毒性是沙林的2-4倍，皮膚毒性是沙林的5-10倍。它可通過呼吸道吸入，也可通過皮膚吸收等途徑殺傷人畜，或使食物和水源染毒，經(jīng)消化道進(jìn)入體內(nèi)。人若吸入幾口高濃度的梭曼蒸氣后，在一分鐘之內(nèi)即可致死，中毒癥狀與沙林相似。梭曼的另一特點(diǎn)是中毒作用快且無TX解藥，因此有“最難防治的毒劑"之稱^[3]。光氣的學(xué)名叫二氯碳酰，是一種無色、有爛干草味的氣體，由英國化學(xué)家戴維首先于1812年合成。光氣劇毒，是一種強(qiáng)刺激；窒息性氣體。吸入光氣引起肺水腫；肺炎等，具有致死危險(xiǎn)。光氣是一氧化碳與氯氣在日光下合成，為無色氣體，它能傷害人體呼吸器官，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致人體死亡。

神經(jīng)性毒氣沙林、梭曼和窒息性毒氣光氣嚴(yán)重威脅到了人類的身心健康和人身安全。近幾年，各大媒體頻繁報(bào)道突發(fā)性毒氣泄漏事件，人們對于突發(fā)性毒氣泄漏給予越來越多的關(guān)注。世界范圍內(nèi)KB主義猖獗，毒氣也可能成為KBFB利用的工具。在現(xiàn)代化戰(zhàn)爭中，對毒氣的使用更是屢見不鮮。然而對于此類劇毒氣體傳統(tǒng)的檢測方法大多因測試時(shí)間長，測試儀器操作繁雜，不易現(xiàn)場使用等特點(diǎn)而得不到推廣，世界各發(fā)達(dá)一直在進(jìn)行毒氣檢測的新方法、新技術(shù)、新儀器的研發(fā)，力求提供現(xiàn)代化的檢測手段，保障和軍隊(duì)避免受到生化襲擊威脅，監(jiān)測毒氣泄漏和環(huán)境污染。由于微型氣體檢測儀的操作者是現(xiàn)場人員，而非化工人員，為了能夠在較大的地域內(nèi)對毒氣進(jìn)行快速檢測，這就要求毒氣檢測儀必須具有響應(yīng)速度快、操作簡單、微型化、便攜式的特點(diǎn)。因此研制出一種微型、可靠、價(jià)格低廉的毒氣檢測儀對毒氣種類的識(shí)別和痕量濃度的快速、準(zhǔn)確檢測工作具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

2 氣體檢測的研究現(xiàn)狀分析

       相關(guān)學(xué)者很早就開始對毒氣檢測方法和檢測技術(shù)進(jìn)行了研究，20世紀(jì)30年代起，國外就開始進(jìn)行研究開發(fā)氣體傳感器的工作，當(dāng)時(shí)主要是用于廠礦和家庭的煤氣、液化石油氣、天然氣以及瓦斯等有害氣體的檢測、控制和報(bào)警，并取得突出的成就；進(jìn)入20世紀(jì)90年代以來，隨著科學(xué)技術(shù)以及社會(huì)的發(fā)展，涌現(xiàn)出了各種毒氣檢測的新技術(shù)和新方法。在毒氣檢測的發(fā)展歷程中，曾出現(xiàn)過三大類檢測方法：濕化學(xué)法、基于氣體傳感器的傳統(tǒng)檢測法(不使用分光鏡)和光學(xué)檢測法(借助分光鏡)。

國外的毒氣檢測技術(shù)具有多樣性的特點(diǎn)，其中基于光譜分析的檢測技術(shù)是當(dāng)前比較流行的一種檢測技術(shù)，該方法具有檢測范圍廣、精度高、響應(yīng)速度快等特點(diǎn)，可滿足定性、定量檢測等不同檢測需求，其檢測精度最高可達(dá)到ppb級(jí)。

差分吸收光譜技術(shù)(DOAS)的雛形于20世紀(jì)70年代由Noxon提出，而后Platt和Perner又將該技術(shù)推廣并應(yīng)用于對流層大氣的研究，由于其具有連續(xù)、實(shí)時(shí)監(jiān)測的優(yōu)點(diǎn)，DOAS技術(shù)從此便在國外迅速發(fā)展，在大氣污染監(jiān)測、火山氣體檢測和煙氣環(huán)境監(jiān)測等中應(yīng)用廣泛。它是指，當(dāng)光在大氣中傳輸時(shí)，根據(jù)痕量污染氣體成分在紫外和可見光波段的吸收光譜特征來反演其種類和濃度。目前，在氣體污染物在線實(shí)時(shí)檢測領(lǐng)域，美國AIM公司擁有發(fā)散紫外DOAS測量技術(shù)，包括開路式、探頭式和抽取式氣體檢測儀，基于發(fā)散紫外DOAS測量技術(shù)的產(chǎn)品有AIM-9050、AIM-9060和AIM-9070，AIM-9070如圖1所示；還有意大利ETG公司的UV Sentinel紫外大氣環(huán)境監(jiān)測儀，也采用了發(fā)散紫外DOAS測量技術(shù)，如圖2所示。

      20世紀(jì)90年代中期，David W. T. Griffith和Bo Galle利用用于外場測量的開放光程傅里葉變換紅外光譜(FTIR)系統(tǒng)檢測環(huán)境氣體，開始了使用FTIR系統(tǒng)檢測大氣環(huán)境的研究；而后，Rainer Haus和Klaus Schafer用FTIR研究大氣痕量氣體發(fā)射和吸收光譜。FTIR系統(tǒng)中，紅外光源發(fā)射的輻射光經(jīng)準(zhǔn)直后以平行光出射，歷經(jīng)幾百米光程后由望遠(yuǎn)系統(tǒng)接收，然后再經(jīng)干涉儀后匯聚到紅外探測器上進(jìn)行信號(hào)的獲取。干涉儀是FTIR系統(tǒng)中的關(guān)鍵器件，接收的光束分成兩束分別射向兩面反射鏡，一面反射鏡可以前后移動(dòng)，并使兩束光產(chǎn)生相位差，相位差由光譜的組分決定，同時(shí)，具有相位差的兩束光干涉產(chǎn)生信號(hào)幅值變化，由探測器探測到干涉圖后，經(jīng)快速傅里葉變換得到氣體組分的光譜數(shù)據(jù)。根據(jù)氣體對特定波長的入射光的吸收作用，由該波長處的吸收峰值可以得到氣體的濃度。

同樣，還出現(xiàn)了可調(diào)諧激光二極管激光吸收光譜(TDLAS)技術(shù)、氣相色譜柱-離子遷移率譜(GC-IMS)氣體檢測技術(shù)和基于MDS(Metal Dielectric Semiconduct-or)傳感器的氣體檢測技術(shù)等等。TDLAS是最近發(fā)展起來的一種高靈敏、高分辨率的大氣痕量氣體吸收光譜檢測技術(shù)，國外基于TDLAS技術(shù)的氣體濃度檢測研究開展比較早，目前已實(shí)現(xiàn)對CH₄、H₂O、CO和CO₂等氣體的高靈敏度檢測；國外GC-IMS系統(tǒng)已經(jīng)被設(shè)計(jì)成便攜手持式裝置并投入使用，該裝置對許多化學(xué)組分都具有很好的敏感性以及相對較好的選擇性；基于MDS傳感器的氣體檢測技術(shù)也是目前國內(nèi)少有報(bào)道的一種檢測技術(shù)，該技術(shù)可實(shí)現(xiàn)對H₂S，NO₂，NH₃等多種氣體的檢測，精度可達(dá)到5～200ppb，但是由于檢測原理的限制，該技術(shù)的檢測范圍受到較大限制。

國外毒氣檢測方法的研究具有前沿性，技術(shù)和儀器也比較，但是一個(gè)突出的問題便是儀器價(jià)格昂貴，這影響了毒氣檢測儀器的推廣使用。

相對于國外的毒氣檢測研究，國內(nèi)研究起步較晚，各種檢測方法、技術(shù)和儀器相對較少，應(yīng)用于實(shí)際中的氣體檢測儀種類也不多，用途也相對集中，主要是針對已知?dú)怏w的檢測和控制。基于金屬氣敏傳感器的氣體識(shí)別技術(shù)相對成熟，主要是利用一個(gè)帶有金屬氣敏傳感器的檢測電路對被測氣體進(jìn)行檢測，通過氣體作用于金屬傳感器，導(dǎo)致傳感器電阻性質(zhì)發(fā)生變化，從而對被測氣體進(jìn)行定性和定量檢測。這一技術(shù)又可以分為：單一傳感器檢測技術(shù)和基于傳感器陣列的檢測技術(shù)兩種。

國內(nèi)只有少數(shù)單位對DOAS技術(shù)以及系統(tǒng)進(jìn)行了相關(guān)研究和開發(fā)，中科院安徽光機(jī)所主持開發(fā)了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的機(jī)動(dòng)車尾氣在線監(jiān)測系統(tǒng)——“可調(diào)諧紅外激光差分吸收汽車尾氣道邊監(jiān)測技術(shù)與系統(tǒng)研究"；天津大學(xué)精密儀器與光電子工程學(xué)院的吳楨等進(jìn)行了“DOAS系統(tǒng)設(shè)計(jì)及數(shù)據(jù)處理"研究；在實(shí)際測量中，由于系統(tǒng)噪聲疊加在吸收光譜上，會(huì)影響測量精度，針對此問題，中科院安徽光機(jī)所的李素文等對“基于小波變換的差分吸收光譜數(shù)據(jù)處理方法"進(jìn)行了研究，提出利用軟閾值小波變換去躁，并得出軟閾值小波去躁可以提高差分吸收光譜系統(tǒng)的測量精度和降低檢測限的結(jié)論；被測氣體周圍環(huán)境對DOAS系統(tǒng)的測量精度有一定的影響，針對此問題，上海理工大學(xué)鄭海明和蔡小舒對“二氧化氮可見光區(qū)內(nèi)壓力對吸收特性的影響"做了研究；東南大學(xué)潔凈煤發(fā)電及燃燒技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的邵理堂等對“溫度對NO₂差分吸收光譜特性影響的實(shí)驗(yàn)研究"做了相關(guān)研究和論述；東南大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院的湯光華等對“差分吸收光譜法在線測量煙氣濃度實(shí)驗(yàn)研究"進(jìn)行了相關(guān)論述；國內(nèi)采用FTIR以及TDLAS技術(shù)技術(shù)對氣體濃度進(jìn)行檢測也處于起步階段，僅有少數(shù)學(xué)者進(jìn)行相關(guān)方面的研究。