拉曼光譜在粉塵檢測領域的應用

引言

工作場所空氣中含有大于10%游離二氧化硅的粉塵俗稱矽塵，長期接觸矽塵會導致矽肺，這是我國最為嚴重的職業病，職業性吸入結晶二氧化硅對人類具有致癌作用^[1-4]。目前我國工作場所空氣中粉塵游離二氧化硅含量測定方法有三種^[1]：焦磷酸法（重量法）、紅外分光光度法、X射線衍射法。焦磷酸質量法是現行使用的shou選方法，因使用設備簡單，易于操作而普遍采用，但該方法存在操作步驟繁瑣、耗時長和誤差不易控制等問題。紅外分光光度法通過測量其吸光度進行測量，只能應用于結晶型二氧化硅的含量，而且因儀器昂貴、操作要求高等原因，在基層很少應用。

拉曼光譜是分子振動的指紋譜，不同的物質分子具有不同的振動頻率，因此常作為物質識別的重要依據，具有無需樣品制備、靈敏度高、重復性好等優勢。便攜式拉曼光譜技術的商品化也大大降低了工作成本，使其在一線工作生產中作為粉塵定性、定量的快速檢測分析手段成為可能。本文通過拉曼光譜儀定量分析二氧化硅粉塵樣品，通過實驗證明其在粉塵領域應用的可行性。

分析

游離二氧化硅按晶體結構分為結晶型（crystalline）、隱晶型（crypto crystalline）和無定型（amorphous）三種，晶體結構不同，致纖維化能力各異，依次為結晶型＞隱晶型＞無定型，職業衛生領域所稱的“游離二氧化硅”是專指結晶二氧化硅。通常煤塵大小在5um以下時，這些煤塵的90％都將沉積于呼吸功能組織上，諸如氣管、肺泡等，導致肺泡等部位形成充血反應，最終形成塵肺病。塵肺病較為嚴重時，會逐步惡化成為肺心病，極易導致死亡。因此，礦井煤塵已經對煤礦工人的健康構成巨大的威脅，是煤礦工人的主要職業病之一，也是危害中國工人健康最嚴重的職業病之一，累計確診病例總量居全國各行業首位，塵肺病年死亡人數遠高于同期生產事故人數^[4]。

粉塵中游離二氧化硅的含量與塵肺癌的發生發展有著密切的關系，所以全面掌握并做好游離二氧化硅的含量監測，對于有效預防控制職業病的發生尤為重要。本文通過拉曼光譜儀定量分析二氧化硅粉塵樣品，為粉塵檢測提供新的檢測技術與思路。

實驗

實驗設備：“Finder One”微區激光拉曼光譜儀（北京卓立漢光儀器有限公司）；激光光源為532nm，激光功率為10mw；采用點掃描方式，光柵為600g/mm，分辨率2cm^-1；采用100倍顯微物鏡采集信號，積分時間為5s，累計次數3次。儀器如圖1所示：

圖1  Finder One微區激光拉曼光譜儀

樣品：根據不同質量比配置的二氧化硅粉末、剛玉混合組分共5份，A1-A5二樣化硅粉末含量依次為20%，40%，60%，80%，99%，剛玉樣品1份作為對照樣品。

結果分析

二氧化硅粉末樣品拉曼特征峰位于129 cm^-1，209 cm^-1，265 cm^-1，393 cm^-1，456 cm^-1等。600-800cm^-1有2個強度較弱的窄帶，屬Si-O-Si對稱伸縮振動，100-600cm^-1屬Si-O彎曲振動^{[5, 6]}。

A5樣品99%以上為二氧化硅，其拉曼光譜圖如圖2所示

圖2  A5樣品的拉曼光譜圖如圖

剛玉樣品的拉曼光譜如圖3所示

圖3  剛玉樣品的拉曼光譜圖如圖

經試驗驗證發現，可以通過二氧化硅特征峰（465cm^-1），與剛玉樣品拉曼特征峰（415cm^-1）采取峰面積比法進行定量分析二氧化硅樣品的含量，A1-A5樣品的拉曼光譜如圖4所示：

圖4  A5樣品-空白樣品的拉曼光譜對比圖

采用峰面積比法處理數據，其擬合曲線如圖4所示。

圖5  峰面積比法擬合曲線

從圖中可以發現，隨著二氧化硅含量的增加，峰面積比呈線性增加，因此，通過建立標準曲線，可以準確、高效的獲得粉塵中二氧化硅含量。

結論

在各類施工場所中，粉塵中游離二氧化硅的含量如果超標，則可能給接觸人員帶來不利的影響。拉曼光譜技術可以定量分析二氧化硅含量，便攜式拉曼光譜技術的商品化也大大降低了工作成本，使其在一線工作生產中作為粉塵定性、定量的快速檢測分析手段成為可能，通過拉曼光譜技術實時、現場監控粉塵中游離二氧化硅含量的測定也就有了重要意義。

參考文獻

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