[摘要] 车内挥发性有机化合物（VOC）快速检测，对保障驾乘人员身体健康、推动汽车行业绿色发展具有重要意义。本文综述了当前主流的五种车内VOC快速检测技术，包括基于氢火焰离子化检测器（FID）、气相色谱—声表面波联用（GC-SAW）、选择性离子流管质谱（SIFT-MS）、便携式气相色谱—质谱联用（GC-MS）以及气相色谱—光离子化检测器（GC-PID）的设备原理、技术特点与应用性能；分析了各类技术在灵敏度、检测范围、便携性、成本等方面的优势与不足，展望了车内VOC快速检测技术向高效、精准、便携方向发展的趋势，为汽车行业VOC检测技术的选择与优化提供参考。
[关键词] 挥发性有机物；快速检测；便携设备
侯艺航
河北工业大学环境科学与工程硕士，
主要从事汽车健康性能及技术开发和法规政策研究，
完成了国内多家整车企业产品健康技术宣传、检测设备开发等工作。
引言
VOC是指挥发性有机化合物，是指在标准状态下具有较高饱和蒸汽压、低沸点、小分子量，且在常温下易于挥发的有机化合物。这种物质是大气主要污染物之一。VOC通常分为非甲烷碳氢化合物（NMHCs）、含氧有机化合物、卤代烃、含氮有机化合物、含硫有机化合物等几大类。VOC参与大气环境中臭氧和二次气溶胶的形成，对区域性大气臭氧污染、PM2.5污染具有重要的影响。大多数VOC有令人不适的特殊气味，且具有毒性、刺激性、致畸性，甚至可致癌，特别是苯、甲苯、甲醛等对人体健康伤害很大。VOC是导致城市灰霾和光化学烟雾的重要前体物，主要来源于煤化工、石油化工、燃料涂料制造、溶剂制造等。
汽车生产过程中采用的工艺会产生大量VOC，如喷漆工艺、塑化工艺等，并且汽车使用的人造革、纤维、织物、真皮等材料也会产生VOC，从而危害驾乘人员生命健康。因此，检测车内VOC是汽车行业不可或缺的重要环节。国家规定车内及车内非金属零部件VOC类物质检测方法为热脱附/毛细管气相色谱/质谱联用法和固相吸附/高效液相色谱法。这两种方法需要的检测仪器体积大且价格昂贵，只能在实验室中进行，且检测耗时较长。因此，汽车行业急需价格低廉、检测方便且检测速度快的检测方法。
为了解决这个问题，市场上出现了多种基于不同原理的VOC快速检测（以下简称“快检”）设备，主要有五种，即：基于氢火焰离子化（FID）传感器的VOC快检设备、基于气相色谱和声波检测联用技术的VOC快检设备、基于选择性离子流管质谱技术的VOC快检设备、基于气相色谱和质谱仪联用技术的VOC快检设备，以及基于气相色谱和光离子化检测器的VOC快检设备。本文将重点介绍这五种快检设备的构成及原理，分析其优缺点，为解决车内VOC快速检测提供理论帮助。
1 VOC快检设备
1.1 基于氢火焰离子化（FID）传感器的VOC快检设备
图1 GC-FID检测原理示意图
火焰离子化检测器又称氢焰检测器，是一种典型的破坏性质量型检测器。其工作原理以氢气和空气燃烧产生的火焰作为能源，当有机化合物进入火焰时在高温下发生化学电离，产生比基流高几个数量级的离子。这些离子在高压电场作用下形成离子流，经高阻放大器放大后转化为与有机物含量成正比的电信号，从而实现有机物的定量分析。FID检测器通常与气相色谱仪联用，利用气相色谱分离被测气体中的各组分，再依次通过FID进行检测，最终实现气体组分的定性定量分析[1]，如图1所示。
FID具有结构简洁、性能优越、稳定可靠、操作简便等优点，其核心特点在于对几乎所有VOC均展现出响应，且对碳原子数大于等于3的烃类化合物及其含杂原子同系物，均具有近乎相等的相对响应值，显著简化了化合物的定量分析。此外，FID还兼具高灵敏度、低基流、宽线性范围以及快速响应优点，并对气体流速、压力和温度变化不敏感。但FID也存在一些局限性，主要为：无法检测永久性气体（如氮气、氧气等）、水、一氧化碳、二氧化碳、氮氧化物和硫化氢等物质；同时，需要三种气体作为载气并配备相应的流速控制系统，且对设备防爆性能有严格要求[2]。
1.2 基于气相色谱和声波检测联用技术的VOC快检设备
声表面波器件是一种基于压电基片构建的装置，其核心组件为两个声-电转换器，即叉指换能器。叉指换能器的设计灵感源自两只手指交叉的形状，通过在压电基片表面形成特定的金属图案来实现，其主要功能在于完成声波与电信号之间的相互转换。
声表面波器件的运行机制涉及将电信号转换为声信号的过程，这一转换发生在器件基片的左侧换能器（即输入端）上，通过逆压电效应实现。转换后的声信号沿基片表层传播，直至抵达右侧的换能器（输出端），再次转换回电信号以供输出。声表面波器件的核心功能在于对压电基片上传播的声信号实施多样化处理，并依托声电换能器的特性来实现这一功能。
声表面波气相色谱仪作为一种结合声表面波传感技术和气相色谱分离技术的有机气体分析装置，具有出色的性能。它能将有机混合物分解成单一组分，并通过声表面波传感器实现精准测量。该仪器以高灵敏度、色谱柱快速升温速率以及紧凑结构等特性著称，能够进行广泛（包括挥发性和半挥发性有机物）、迅速、高灵敏度的现场分析和检测[3]。声表面波气相色谱仪的检测流程包含两个主要阶段：一是采样阶段，待测气体被收集于样品预浓缩微捕集装置内；二是分析阶段，富集的气体由载气导入气相色谱柱，利用色谱柱的时间分离效应使不同组分气体按顺序流出（实现定性分析）。通过调节色谱柱出口与SAW检测器表面的温度差异，各组分气体依次在SAW检测器表面冷凝。 SAW检测器利用其对被测气体的吸附作用引起的声表面波传播特性变化，进而引起检测系统的振荡频率变动。通过对这一频率变化量的精确测量，实现对被测气体量的定量测定[4]。
1.3 基于选择性离子流管质谱技术的VOC快检设备
离子流质谱技术（SIFT-MS）属于直接质谱范畴，它运用精密调控的化学离子化过程，针对微量VOC及部分无机气体进行检测与定量。该技术无需色谱柱辅助，通过远程操控实现温和的化学电离，涵盖多种反应物离子，从而满足实时定量、同分异构体与同重物质区分、复杂VOC组分精确解析、样品便携分析等多元化应用需求。SIFT-MS作为当前广泛认可的痕量气体识别与定量技术，其检测极限可达万亿分之一级别[5]。
SIFT-MS凭借独特优势，成为常规分析与测试实验室的理想选择。它能够直接分析VOC，几乎无需样品预处理，具备灵活的样品传输能力，展现出高灵敏度与特异性。同时，还能够单次分析多种化合物，且分析结果高度可重复。
SIFT-MS工作原理的基础在于化学电离机制。首先，该技术在微波等离子体中生成反应物离子，并通过四极质量过滤器筛选出所需离子；其次，这些反应物离子被导入充满氦气的漂移管中，同时引入待测样品，二者在此发生反应，致样品分子电离；
第三，生成的样品离子由一台低分辨率的四极杆质谱仪进行检测。
SIFT-MS技术运用多样化反应物离子实施温和的化学电离过程，无需色谱柱辅助，便能通过远程操控达成实时定量检测、同分异构体与同重物质的精确区分，以及复杂VOC组分深度分析、样品便携式分析等。但该技术也有局限。具体表现为体积庞大，通常以车载形式存在，导致便携性不足。此外，高昂的设备成本也成为其推广应用的一大障碍。
1.4 基于气相色谱和质谱仪联用技术的VOC快检设备
当前，车内VOC检测传统手段主要有两种：一是利用吸附管采样后的热脱附结合气相色谱——质谱分析（GC-MS）；二是直接进样至气相色谱分析（GC）。但这两种方法并不完美。具体而言，吸附管采样/热脱附/GC-MS法的捕集效率受吸附材质及操作参数的影响，且对于多组分样本捕集效率各异；直接进样/GC法虽省去了预处理步骤，分析时效高，但仅限于烷烃类VOC总量的分析，对空气成分的全面评估存在局限性[6]。
相较于这些传统方法，便携式GC-MS展现了显著优势。其设计紧凑、体积小、重量轻，便于携带与使用，且操作简便，能够实现现场即时采样与分析，显著缩短了分析周期。更重要的是，该设备内置电池与气源，确保在无外接电源环境下也能独立运作，尤其在有毒有害物质现场检测中，能迅速提供定性定量分析结果，为灾情评估、确认及标准处理程序提供关键依据。
便携式GC-MS与实验室GC-MS 在基本原理上一致，样品经由预处理手段（例如富集、固相微萃取等）及自动流路切换机制后，进入低热容快速气相色谱柱完成分离。随后，分离后的样品在电离过程中被导入线形离子阱进行质量分析，这一过程能同步生成样品的指纹质谱图与气相色谱图，从而实现复杂样本的精确定性与定量分析。
尽管便携式GC-MS在现场实时分析各类样本方面已展现出显著成效，但要将其性能提升至实验室确证级别，仍面临诸多挑战。首要，由实验室级向便携式设备的转变往往伴随着分析性能的折损，这限制了现场分析方法所能识别的样本范围。例如便携式GC-MS因色谱柱长度有限、分辨率较低，在处理复杂的混合样本时难以达到完全分离的目标物质，故目前仅适用于现场高级别筛查。其次，现有文献大多聚焦于便携式GC-MS的分析结果，而对其与台式GC-MS在性能上的比较研究尚不足，这影响了对便携式GC-MS在特定现场应用中可靠性的全面评估。第三，便携式GC-MS在处理高沸点、强极性、热稳定性差的样品时存在困难[8]。第四，虽然便携式GC-MS在体积上优于台式GC-MS，但其高昂的价格仍难以满足汽车行业对VOC检测的经济性需求。
1.5 基于气相色谱和光离子化检测器的VOC快检设备
光离子化检测仪（PID）是一种灵敏度极高且应用范围广泛的设备，能够有效监测VOC及有毒气体，浓度范围覆盖极低至亿分之一，极高至百分之一。
光离子化技术作为检测工具，其发展历程已逾数十年。1974年前后， PID研发取得了关键性突破，标志着其进入实际应用阶段。近年来，PID性能持续优化，为气相色谱在化学、生物学、医学、环保等领域提供了新的高效检测途径。但PID对潜在泄漏事故预警、自动监控及应急处理技术的研究仍显不足。因此，迫切需要开发一种小型化、低功耗、高灵敏度且便于携带的气体检测装置，以实现实时连续监测。
相较于传统检测方法，PID展现出便携式、高精度、快速响应及连续测试等优势。它能够即时为检测人员提供反馈信息，确保他们未暴露于危险化学物质之中，有效保障其安全。目前，PID已广泛应用于各类有机化学品检测中，特别在事故泄漏检测、区域确认及人员防护等方面发挥着不可或缺的作用。
PID的核心结构包括真空紫外灯与电离室。其运作机理在于：待测气体吸收紫外灯释放的、能量高于气体分子电离阈值的光子后，被电离成正负离子。在外加电场作用下，这些离子发生偏移形成微弱的电流。由于气体浓度与光离子化电流之间存在线性关联，因此，通过监测电流值即可推算出气体浓度，进而判断其是否超标。
将PID检测器与气相色谱GC相结合，利用毛细色谱柱有效分离苯、甲苯、乙苯、邻二甲苯及间/对二甲苯等化合物，通过PID检测器精确测定各分离组分的浓度。在样品气体穿越气相色谱的色谱柱时，小分子成分会迅速逸出，而大分子成分则相对缓慢，这一过程使得VOC能够按照特定顺序被分离，之后PID检测器依据此顺序逐一测量浓度，从而实现对目标气体的定性与定量分析[9]。
图2 GC-PID基本工作原理图
近年来，GC-PID技术的研发与应用日益广泛，其在痕量化学物质分析与检测方面展现出卓越性能。该技术不仅能够分析出体积分数低至10〜9级别的痕量气体，而且在灵敏度上相较于传统的氢火焰离子化检测法高出约两个数量级，其工作原理如图2所示。因此，GC-PID技术已引起全球环境保护、劳动卫生、医疗健康、石油化工等领域分析专家的高度关注。
在汽车行业，GC-PID对于VOC的检测尤为便捷，且相较于其他VOC快检技术成本更为低廉。但GC-PID也存在局限性，即不同VOC的电离能存在差异，这要求在实际应用中需精心选择匹配的PID检测器，以避免出现响应减弱乃至无响应的情况。
2 结论
本文通过对当前车内VOC快速检测技术的深入调研与分析，总结了五种基于不同原理的VOC快检设备及其在汽车行业的应用潜力。随着消费者对健康出行需求的日益提升，以及国家对车内空气质量监管的不断加强，对车内VOC进行了快速准确的检测在汽车行业愈发重要。
文中介绍的五种VOC快检设备各具特色：基于FID传感器的VOC快检设备，以其结构简单、性能优异、稳定可靠等优点成为应用广泛的气相色谱检测器之一，但存在不能检测某些特定物质及防爆要求严格等局限性；基于气相色谱和声波检测联用技术的VOC快检设备，实现了痕量气体广谱、快速、高灵敏度的现场分析，具有体积小、色谱柱升温速度快等特点；SIFT-MS以其高灵敏度、高特异性及直接分析挥发物等优势，在复杂VOC组分分析中具有独特价值，但设备体积较大、价格昂贵，限制了其广泛推广；便携式GC-MS虽然解决了传统分析方法的不足，具有空间结构紧凑、便于携带等优点，但其价格较高，且分析性能相比实验室设备有所降低；基于GC-PID的VOC快检设备，以其灵敏度高、检出限低、检测范围广及便携性好等优点，在汽车行业VOC检测中展现出广泛应用的可能性。
综上所述，车内挥发性化合物快检技术正朝着更加高效、准确、便携的方向发展。未来，随着技术的不断进步和成本的进一步降低，车内VOC快检技术将在保障消费者健康出行、推动汽车行业绿色发展等方面发挥更加重要的作用。同时，也需要持续加强技术研发与创新，不断优化检测设备的性能与成本，以满足汽车行业日益增长的VOC检测需求。
建议消费者在选购车辆时，优先考虑配备车内VOC实时监测、可视化空气质量显示或自动净化功能的车型；在试乘试驾环节，可借助便携式检测设备对车内关键挥发性有机物进行初步筛查，尤其关注车辆密闭一段时间后的空气质量数据。
参考文献
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