FTIR分析可檢測并定量分析煤礦粉塵中的有害二氧化硅。這種方法可實(shí)現(xiàn)粉塵的快速分析，從而長期改善礦工的工作環(huán)境。

煤礦粉塵 – 潛在健康風(fēng)險(xiǎn)

鑒于烏克蘭戰(zhàn)爭造成的能源危機(jī)，燃煤發(fā)電有望重新扮演重要角色。這不僅會造成氣候變化方面的問題，還可能加劇礦工的健康問題。

礦工在工作中暴露于不同的呼吸危害中。硅塵是主要呼吸危害因素之一。粉塵中含有可吸入的結(jié)晶二氧化硅，會引發(fā)癌癥或硅肺病等肺部疾病。

硅肺病會導(dǎo)致嚴(yán)重的呼吸短促，以至于許多終末期患者不得不坐在窗邊，讓肺部至少能夠吸入一點(diǎn)新鮮空氣。實(shí)際上這種情況非常普遍，以至于它在德語中還被編成了諺語。

如果有人“Weg vom Fenster”（從窗口消失了），就意味著硅肺病迎來了可怕的結(jié)局。直到今天，“Weg vom Fenster”仍是死亡或?qū)⑺赖拇~，表示某個東西消失了或不再有意義。

煤塵的FTIR分析

即使在今天，美國每年仍有數(shù)百名礦工死于硅肺病，而且每天仍有超過100萬名工人暴露在二氧化硅粉塵中。

因此，美國礦山安全和健康管理局（MSHA）要求對美國礦山空氣中的二氧化硅職業(yè)暴露進(jìn)行監(jiān)測和量化[1-2]。

然而，當(dāng)前的樣品采集和制備過程冗長而繁瑣，不利于對過量暴露作出快速反應(yīng)。

因此，需要開發(fā)一種更快更簡單的方法。它可以使用紅外光譜法直接測量來自于濾膜基質(zhì)的樣品。二氧化硅的臨界值為每立方米吸入空氣100ug。這意味著儀器必須能夠測定極低濃度的二氧化硅含量，并且該方法必須能夠區(qū)分樣品與容納樣品的PVC濾膜。

安全生產(chǎn)需要卓越的分析能力

布魯克ALPHA II光譜儀非常適合這一目的。在一項(xiàng)使用ALPHA II進(jìn)行的研究中，在PVC濾膜上分析了15個樣品。二氧化硅含量為3-231 μg，碳塵含量為0.1-0.4 mg。碳塵樣品的譜圖以4 cm-1的光譜分辨率進(jìn)行記錄。

帶透射模塊的ALPHA II FT-IR光譜儀

圖中所示為帶有二氧化硅和碳塵的PVC濾膜的譜圖。830 ~ 760 cm^-1波段的譜帶屬于二氧化硅和碳塵譜帶。它們不與PVC濾膜的譜帶重疊。但1036、543和473 cm^-1處的碳和二氧化硅譜帶與PVC譜帶重疊。

因此，使用偏最小二乘（PLS）模型對二氧化硅和碳含量進(jìn)行初始化標(biāo)定。利用布魯克OPUS Quant 2軟件包進(jìn)行PLS分析。該軟件包允許自動優(yōu)化模型。經(jīng)確定，1485-405 cm^-1波段的一階導(dǎo)數(shù)加矢量歸一化，對于處理特定數(shù)據(jù)集是最佳的方法。

純PVC濾膜（紅色）以及帶有1.299 mg煤炭/70 mg二氧化硅（藍(lán)色）和3.982 mg煤炭/230 mg二氧化硅（黑色）的PVC濾膜的譜圖

下圖所示為煤碳與二氧化硅的交叉驗(yàn)證結(jié)果。即使如此小的樣本集也實(shí)現(xiàn)了精確的校準(zhǔn)，煤炭的測定系數(shù)（R2）為95.61，二氧化硅的測定系數(shù)為97.13。這一有限的樣本數(shù)據(jù)集表明，布魯克ALPHA II-T儀器可對煤塵樣品進(jìn)行透射光譜分析。參考資料[3,4]中描述了利用更大數(shù)據(jù)集進(jìn)行的詳細(xì)分析。

二氧化硅的交叉驗(yàn)證預(yù)測值vs.實(shí)際值（左）；煤炭的交叉驗(yàn)證預(yù)測值vs.實(shí)際值（右）

中國的FTIR分析

中國也是全球煤炭開采市場的主要參與者之一。因此也在使用FT-IR光譜法測定其礦山中可吸入硅塵的含量。您可以關(guān)注布魯克光譜視頻號，觀看二氧化硅分析視頻，以獲取更多信息。

結(jié)論

布魯克ALPHA II-T FTIR光譜儀可以用于PVC濾膜上的煤塵中碳和二氧化硅的定量分析。由于該方法靈敏度高，他可以對低于規(guī)定的吸入限值的二氧化硅進(jìn)行快速定量。

參考資料

[1] E. Cauda, A. Miller, P. Drake Journal of Occupational and Environmental Hygiene, 16 ( 2016) D39-D45

[2] A. Miller, P. Drake, N Murphy, J. Noll, J. Volkwein, J. Environ. Monit., 14 (2012), 48-55

[3] A. Weakley, A. Miller, P.R. Griffiths, S.J. Bayman. Anal. Bioanal. Chem. (2014) 406, 4715-4724

[4] A.L. Miller, A.T. Weakley, P.R. Griffiths, E.G. Cauda, S. Bayman, Applied Spectroscopy (2016)