摘要：挥发性有机物属于重要的大气污染物质，对其精确监测对环境保护与人体健康意义重大。光谱传感器技术有着高灵敏度、快速响应与非接触式检测等优势，在挥发性有机物定量监测领域展现出极大应用潜力。通过深入分析挥发性有机物的光谱特性，进而建立基于光谱信号的定量分析模型并开发高精度监测算法。研究构建了完整的光谱传感器监测系统，涵盖光谱特征识别方法、定量分析模型优化以及系统集成技术。实验结果显示，所建立的光谱传感器监测系统能实现对多种典型挥发性有机物准确识别与定量分析，监测精度达到国际先进水平，为环境监测提供了全新技术手段。

　　关键词：光谱传感器；挥发性有机物；定量监测；光谱分析；环境监测

　　0引言

　　随着工业化进程不断加速向前推进，挥发性有机物的排放量持续增加，它已经成为影响大气环境质量主要因素之一。传统挥发性有机物检测方法存在局限，如检测周期长、成本高且操作复杂，难以满足实时在线监测的实际需求。光谱传感器技术是基于分子光谱学原理，通过分析目标物质特征光谱信号实现定性定量检测，具备响应速度快、检测精度高且可远程监测等显著优势。近年来随着光谱仪器技术不断发展完善，基于光谱传感器的挥发性有机物监测技术渐成研究热点。

　　1光谱传感器挥发性有机物监测原理

　　1.1挥发性有机物的光谱特性分析

　　挥发性有机物分子结构里的化学键会在特定波长范围产生特征性振动吸收，进而形成独特的光谱指纹信息。不同类型挥发性有机物如苯系物、醛酮类、酯类化合物在红外光谱区域呈现出差异化的吸收峰位置与强度分布特征，而这些特征峰的波数位置与分子内部官能团的振动频率密切相关[1]。图1展示了典型挥发性有机物的光谱吸收特性，其中C-H键伸缩振动峰处于3 100~2 800 cm-1区域，C=O键伸缩振动峰出现在1 750~1 650 cm-1范围内，芳香环骨架振动峰分布于1 600~1 400 cm-1区间，这些特征吸收峰的识别为后续定性定量检测奠定了光谱学基础。

　　1.2光谱传感器检测机理

　　光谱传感器依据分子吸收光谱学原理来达成对挥发性有机物的非接触式检测，它的核心是利用物质分子对特定波长电磁辐射的选择性吸收特性。当光源发出的连续光谱穿过含有挥发性有机物的气体样品时，目标分子会吸收与其振动能级跃迁相对应的特定波长光子，进而使得透射光强度在相应波长处出现衰减情况[2]。光谱传感器借助高精度光谱仪检测透射光强度的变化，以此获得样品的吸收光谱相关信息，检测系统运用傅里叶变换红外光谱技术，具备高光谱分辨率以及宽波长覆盖范围的优势，能够同时获取多个波长点的吸收信息内容。

　　1.3定量分析理论基础

　　挥发性有机物的定量分析是建立在Beer-Lambert定律的理论框架基础之上的，此定律描述了物质浓度与光吸收强度之间的线性关系。在均匀介质当中，透射光强度与入射光强度的比值呈现指数衰减的规律，衰减程度取决于吸收物质的浓度、光程长度以及摩尔吸收系数[3]。通过测量特征波长处的吸光度值，再结合已知的摩尔吸收系数与光程相关参数，就能够准确计算出目标物质的浓度，对于多组分混合气体，要采用多元线性回归分析方法来处理光谱数据，通过建立吸光度矩阵与浓度向量之间的数学关系，从而实现各组分浓度的独立求解。

　　2挥发性有机物定量监测方法研究

　　2.1光谱特征识别与分类方法

　　光谱特征识别算法采用主成分分析与支持向量机结合策略，通过提取挥发性有机物光谱数据关键特征参数实现准确分类。算法运用小波变换技术对原始光谱信号进行降噪处理，以此消除仪器噪声以及环境干扰对光谱质量的影响，特征提取过程中建立了如式（1）光谱相似度计算模型：

　　式中：S为光谱相似度系数；Ai为待测光谱在第i个波长点的吸光度值；Ri为参考光谱在第i个波长点的吸光度值；n为光谱数据点总数，个。该方法通过计算待测样品与标准谱库中各物质光谱的相似度，实现挥发性有机物种类的快速识别与精确分类[4]。

　　2.2定量分析模型建立与优化

　　定量分析模型是依据多元线性回归理论来构建的，借助优化算法参数的方式提高浓度预测精度，该模型运用偏最小二乘法去处理光谱数据与浓度之间的非线性关系，能有效解决多组分光谱重叠干扰的问题。质量浓度计算采用式（2）修正的Beer-Lambert方程：

　　2.3监测系统集成与性能提升

　　监测系统运用模块化设计的理念，把光谱检测单元、数据处理模块与控制系统进行有机集成，以此形成完整的挥发性有机物在线监测平台。系统集成了自动校准功能，通过定期引入标准气体开展零点校准与量程校准，从而确保长期监测数据的可靠性[5]。图2展示出监测系统的整体架构与数据流程，系统采用实时数据传输技术，监测结果能够通过网络接口实现远程访问与控制，在性能优化方面，系统引入自适应滤波算法与异常数据剔除机制，有效提升了复杂环境条件下的监测稳定性，监测精度相比传统方法提高了25%以上，响应时间缩短至秒级水平。

　　3实验验证与性能评估

　　3.1实验平台构建与标定

　　实验平台利用标准气体稀释系统来配制不同浓度梯度的挥发性有机物样品，以此确保实验数据具备准确性与可重复性。平台主要由气体配制单元、光谱检测模块、温湿度控制系统以及数据采集处理系统共同组成，各模块之间通过标准接口实现数据传输与控制指令交互，标定过程采用多点线性校准法，选择苯、甲苯、二甲苯等典型挥发性有机物当作标准物质，其质量浓度范围覆盖0.1~100 mg/m3。系统借助自动进样装置定时引入标准气体，建立吸光度与浓度之间的标准曲线，线性相关系数全都大于0.999。

　　3.2定量监测实验与结果分析

　　定量监测实验对工业环境里常见挥发性有机物开展系统性测试，以此验证监测系统的检测精度与稳定性。实验设计出单组分与多组分混合气体这两类测试场景，用来评估系统在不同复杂程度环境下的监测性能，表1对主要挥发性有机物的检测结果进行总结，涵盖检出限、线性范围、测量精度等关键技术指标。单组分检测实验当中，苯的检出限达到0.05 mg/m3，甲苯0.08 mg/m3，二甲苯0.12 mg/m3，均满足环境监测标准要求，多组分同时检测实验显示，系统能够有效识别并定量分析5种以上挥发性有机物的混合样品。

　　3.3系统性能评估

　　系统性能评估围绕检测精度、响应时间、长期稳定性与环境适应性等多个维度来开展综合测试，精度测试结果显示，系统对主要挥发性有机物测量误差都控制在±5%以内，可满足实际应用需求。响应时间测试表明，系统从样品引入到结果输出完整检测周期为30 s，相比传统气相色谱法缩短了90%以上，长期稳定性测试连续运行7 d，测量结果漂移小于2%，证明了系统的可靠性。与商用设备对比测试结果表明，该监测系统在检测精度与响应速度方面有明显优势，为挥发性有机物实时在线监测提供有效解决方案。

　　4结语

　　通过构建一套完整的光谱传感器挥发性有机物定量监测体系，成功实现了从理论分析到实际应用的技术突破。光谱特征识别算法的优化有效提升了系统对复杂环境下多组分挥发性有机物的识别能力，定量分析模型的建立切实保证了监测结果的准确性与可靠性。实验验证结果充分证实了该监测系统在实际应用中的有效性与稳定性，为挥发性有机物的环境监测提供了全新的解决方案。未来研究将进一步拓展监测物质的种类，提升系统的集成程度，推动光谱传感器技术在环境监测领域的广泛应用，为大气污染防控提供更为有力的技术支撑。

参考文献

　　[1]段家喜，程德文，王连兵，等.集成多光谱传感器的分体式OST-HMD系统设计[J].激光与光电子学进展，2025，62（9）：331-342.

　　[2]冯雪娜.大气环境监控与监测中挥发性有机物监测技术探讨[J].皮革制作与环保科技，2025，6（8）：81-83.

　　[3]王彦斌.基于光谱分析的快速检测技术进展及其在环境监测中的应用[J].中国品牌与防伪，2025，（4）：65-67.

　　[4]李焕.挥发性有机物检测技术在环境检测中的应用探究[J].皮革制作与环保科技，2025，6（1）：116-118.

　　[5]段永杰.挥发性有机物污染的环保治理新思路探讨[J].皮革制作与环保科技，2024，5（23）：114-116.