千万不要吸入 – 煤矿粉尘的FT-IR分析

FTIR分析可检测并定量分析煤矿粉尘中的有害二氧化硅。这种方法可实现粉尘的快速分析，从而长期改善矿工的工作环境。

煤矿粉尘 – 潜在健康风险

鉴于乌克兰战争造成的能源危机，燃煤发电有望重新扮演重要角色。这不仅会造成气候变化方面的问题，还可能加剧矿工的健康问题。

矿工在工作中暴露于不同的呼吸危害中。硅尘是主要呼吸危害因素之一。粉尘中含有可吸入的结晶二氧化硅，会引发癌症或硅肺病等肺部疾病。

硅肺病会导致严重的呼吸短促，以至于许多终末期患者不得不坐在窗边，让肺部至少能够吸入一点新鲜空气。实际上这种情况非常普遍，以至于它在德语中还被编成了谚语。

如果有人“Weg vom Fenster”（从窗口消失了），就意味着硅肺病迎来了可怕的结局。直到今天，“Weg vom Fenster”仍是死亡或将死的代名词，表示某个东西消失了或不再有意义。

煤尘的FTIR分析

即使在今天，美国每年仍有数百名矿工死于硅肺病，而且每天仍有超过100万名工人暴露在二氧化硅粉尘中。

因此，美国矿山安全和健康管理局（MSHA）要求对美国矿山空气中的二氧化硅职业暴露进行监测和量化[1-2]。

然而，当前的样品采集和制备过程冗长而繁琐，不利于对过量暴露作出快速反应。

因此，需要开发一种更快更简单的方法。它可以使用红外光谱法直接测量来自于滤膜基质的样品。二氧化硅的临界值为每立方米吸入空气100ug。这意味着仪器必须能够测定极低浓度的二氧化硅含量，并且该方法必须能够区分样品与容纳样品的PVC滤膜。

安全生产需要卓越的分析能力

布鲁克ALPHA II光谱仪非常适合这一目的。在一项使用ALPHA II进行的研究中，在PVC滤膜上分析了15个样品。二氧化硅含量为3-231 µg，碳尘含量为0.1-0.4 mg。碳尘样品的谱图以4 cm-1的光谱分辨率进行记录。

带透射模块的ALPHA II FT-IR光谱仪

图中所示为带有二氧化硅和碳尘的PVC滤膜的谱图。830 ~ 760 cm^-1波段的谱带属于二氧化硅和碳尘谱带。它们不与PVC滤膜的谱带重叠。但1036、543和473 cm^-1处的碳和二氧化硅谱带与PVC谱带重叠。

因此，使用偏最小二乘（PLS）模型对二氧化硅和碳含量进行初始化标定。利用布鲁克OPUS Quant 2软件包进行PLS分析。该软件包允许自动优化模型。经确定，1485-405 cm^-1波段的一阶导数加矢量归一化，对于处理特定数据集是最佳的方法。

纯PVC滤膜（红色）以及带有1.299 mg煤炭/70 mg二氧化硅（蓝色）和3.982 mg煤炭/230 mg二氧化硅（黑色）的PVC滤膜的谱图

下图所示为煤碳与二氧化硅的交叉验证结果。即使如此小的样本集也实现了精确的校准，煤炭的测定系数（R2）为95.61，二氧化硅的测定系数为97.13。这一有限的样本数据集表明，布鲁克ALPHA II-T仪器可对煤尘样品进行透射光谱分析。参考资料[3,4]中描述了利用更大数据集进行的详细分析。

二氧化硅的交叉验证预测值vs.实际值（左）；煤炭的交叉验证预测值vs.实际值（右）

中国的FTIR分析

中国也是全球煤炭开采市场的主要参与者之一。因此也在使用FT-IR光谱法测定其矿山中可吸入硅尘的含量。您可以关注布鲁克光谱视频号，观看二氧化硅分析视频，以获取更多信息。

结论

布鲁克ALPHA II-T FTIR光谱仪可以用于PVC滤膜上的煤尘中碳和二氧化硅的定量分析。由于该方法灵敏度高，他可以对低于规定的吸入限值的二氧化硅进行快速定量。

参考资料

[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)