插入探针的实时反应和过程监测

傅里叶变换红外光谱技术是一种可靠的实时原位监测反应或过程的技术，可以通过两种方式实现:原位通过插入探针或通过安装在滑流中的流过细胞。在前一种方法中，插入探针通过血管壁的一个端口被引入工艺材料中。光向下引导探头到达探头尖端的传感器，然后被引导回来进行分析。返回的光由固定在探针上的光谱仪进行分析，光谱仪提取所需的分析信息。这种方法如图1所示。在后一种方法中，从容器中提取的反应液体的连续流通过管道输送到分光计;在这里，它在液流池中被分析，随后被丢弃或返回到过程中。这种方法如图2所示。这两种方法都有各自的优点和缺点。

不管采用何种方法，在测量结束时提取的信息是多方面的和复杂的。利用标准化学计量学软件分析由不同组分组成的复杂混合物的光谱，进而计算出各组分的浓度。此外，高特异性的红外光谱允许检测，识别，有时，定量的陌生和通常意想不到的污染物。通过这种方法获得的信息可用于过程反应的实时监测和记录。在获得光谱测量所需的信心后，测量结果可以反馈到过程控制室，以实现自动拉杠杆、开启或关闭阀门等。

由于不需要将样品从反应器或加工线中提取出来，因此该过程舒适。分析样品如容器中的。在各种情况下，反应条件使得处理后的材料在高压，腐蚀性或这些条件的任何组合中的温度远离环境温度。通过滑流通过加工流体的流动破坏过程条件。为了避免在测量过程中降解产品，应将这些条件保持在滑流中。

相反，滑流提供了相当高的灵活性。例如，如果传感元件在过程中失效，取出探头并分析问题将变得非常困难，特别是在容器被加压的情况下。如果使用滑流，关闭管线上的阀门，将样品带至电池，断开电池与流体的连接，更换电池，打开阀门，并继续监测将相对容易。滑流还促进了相当广泛的流单元的选择。要么ATR流量细胞可以使用或者传输，并且实际上可以采用优化测量的信噪比（S / N）所需的任何灵敏度水平。感测元件的选择受插入探针的限制。对于所有实际用途，IR插入探针只能根据ATR光谱法使用感测元件。

插入探针

插入探针采用两种方法，以引导朝向传感器和背部的光。一种方法是使用光纤，另一个方法是使用光线的开放管。这两种方法都非常敏感，需要先进的光学设计来优化性能。此外，两种方式都导致光信号电平相当大降低，因此通常与液氮冷却探测器组合使用。液氮冷却探测器的脱瓦必须至少每天重新填充;因此，在过程环境中使用它们并不方便。

图1描绘了应用插入探针的特定示意图，用于工艺流的原位分析，特别是DURASENS DP-R系列钻石ATR无纤维探头．

图1。Durasens DP-R系列金刚石ATR无纤维探头用于现场实时流监测的示意图

在该探头中，光纤不用于引导传感器和光谱仪之间的光。探针通过柔性铰接光学臂连接到光谱仪，其中仅使用金属镜将光从光谱仪引导到探针末端的传感元件，并回到光谱仪以进行分析。为了消除来自收集的光谱的大气干扰，臂内的光路被封装在吹扫的环境中。该臂具有向上移动，向下和向前移动，并且探针可以以任何角度对准，以与血管或线上的端口配置一致。

这种在探针和光谱仪之间引导光线的方法不受光纤通常遇到的光谱范围限制的影响。可以访问整个光谱范围。光谱范围限制(如果有的话)是由光谱传感器引起的。这种方法还确保了在各种情况下更大的光学效率，从而允许使用室温探测器。

如上所述，ATR光谱传感器用于大多数IR探针。然而，透射光谱传感器的应用对于NIR探针非常常见。由于IR中需要更短的路径长度，传输传感器不与IR探针一起使用。例如，100μm的路径长度通常用于IR传输单元。如果在变速器IR探针中使用这种较短的路径长度，则包围探针元件的过程液体必须以某种方式从外侧渗透到该狭窄的空间中，而不会使流体被迫进入。传输流动细胞。

即使样本渗透自发地发生，渗透到两个窗口之间的液体也可能变得停滞，因此不会反映过程中的变化，从而使探针无效。如果两个窗口之间的空间以某种方式阻挡，则必须完全拆卸探头以进行清洁，然后重新组装下一个操作。诸如此类的敏感操作在工艺环境中不实用。因此，尽管传输传感器的吸引力，但ATR仍然是IR探针的唯一可行的策略。

在大多数插入ATR探针中，使用提供一个或两个反射的ATR元素。这些传感器提供了对应用程序足够的灵敏度，其中仅监视过程流中的主要组件。在一些探测中，使用多个反射ATR元素。¹这些探针在敏感度方面提供了相当大的推动。在大多数情况下，钻石用作ATR材料。金刚石晶格吸收部分隐藏在1800和2600cm之间的光谱范围的一部分^-1并且，具体地利用多反射探针，晶格吸收可能阻碍受影响的光谱区域中具有吸收带的某些化合物的测量。

尽管与使用一个或两个反射探针相比，应用多反射ATR探针可能会大大提高灵敏度，但即使是多反射探针也无法提供路径长度为200µm的传输单元所提供的巨大灵敏度。

滑翔伞

滑流使得工艺流体应从血管带到光谱仪内的电池以进行分析。图2是这种方法的示意图。液体的流动由流体管线旁边的箭头表示。样品流可以通过流动单元转移，并在泵的帮助下返回。在某些情况下，可以使用处理流体的现有流动或压力，从而消除了对泵的需要。通过使用用于插入探针的相同类型的访问端口，可以轻松设置Slipstream。简单来说，不需要额外的安装来设置Slipstream。

图2。Durasens快速流动单元的使用示意图，该单元通过一个类似于Durasens探测器的滑流馈源连接到滑流上，用于实时监测流体

滑流的重要好处是，它们能够使用各种不同类型的流动单元，从单反射ATR单元到路径长度为20米的气体单元。这使得细胞路径的选择几乎没有限制。

传输单元的路径长度几乎可以根据需要进行调整;然而，在非常短的通道长度(通常小于25µm，通常取决于样品的粘度)，液体在细胞内流动是困难的，微小颗粒在流中的积累可能导致堵塞，阻碍流动。流过电池的流体可能会变得不均匀，或者对流体的阻力可能会在输入线上造成非常高的反压。幸运的是，ATR流池可以用于较短的路径长度，因为它们可以采用单反射或多反射。在这种情况下使用ATR细胞的明显优势是这些细胞不会限制液体通过细胞的流动。细胞中ATR元件上方的空间不受限制，可以尽可能的大，使流动条件更好。

应该注意的是，图2所示的监测方法并不局限于液体。也可用于气体分析。在气体流的情况下，用气体电池代替流动电池。一般来说，气体的密度几乎是液体的一千倍，因此气体电池的路径长度通常是液体的一千倍。在各种情况下，路径长度为10厘米的单通道电池就足够了;然而，在其他情况下，可能需要几十米量级的路径长度。在这种情况下，单元格是多个传递单元格。在镜子的帮助下，光束路径通过电池折叠10到100次;因此，这样的电池，尽管它们的路径很长，可以很容易地安装在光谱仪的相同位置，如图2中的液体电池。

有时，在滑流中的透射液体电池的应用导致最新的挑战是获取的信息。如图2所示，液体从容器或工艺管线收集并通过滑流传孔转移到流动池中。在电池中使用约100μm的较短路径长度的情况下，可能存在对液体流动的显着抵抗力。在这种情况下，通过滑流的流动速率降低，导致端口和电池之间的样品的行进时间增加。例如，如果液体以5mm /秒的速度在1米长的滑流中流动，则端口和流动单元之间的行进时间为200秒（或超过3分钟）。

在这种情况下，测量所需的灵敏度水平是这样的ATR插入探头只是不能使用，滑流馈电传输单元是唯一可能的选择，有时，旁通环是建立在细胞周围，以加速液体通过滑流的流动，通过缩短滑流输入线的长度，其中样品的流量是有限的。虽然这解决了最初的困难，但它可能会产生一个意外的结果，即所有的流随后都可能通过旁路循环。最初，很难调节旁路回路和细胞之间的流量分裂，但随着反应的进行，样品粘度的变化可能会使情况变得更加复杂。

当快速流动细胞(Durasens, Pleasantville, NY)被证明是一种更有效的解决方案，因为它是通过这样一种方式开发的，它可以在任何路径长度的细胞中快速不受限制地流动。该电池充分利用了快速流动的样品产生的虹吸效应，以帮助流体通过窗口之间的空间。

结论

本文分析了使用插入探针进行红外光谱法过程和反应监测的优势和不足。显然，这两种方法各有利弊。在使用光谱反应或过程监测时，应仔细审查过程施加的所有要求，并探索所有可用的选项。虽然插入探针目前被用于各种应用，滑流²可以证明在特定应用中非常有利。

参考资料

1.M. Milosevic, D. Sting，和A. Rein，用于ATR光谱的金刚石复合传感器，《光谱学》10(4)，第44页，(1995)

2.Paul Wilks，过程监测:在线、在线或滑动流，光谱学21(3)，第2页，(2006)

这些信息已经从Durasens提供的材料中获取、审查和改编。欧洲杯足球竞彩

有关此来源的更多信息，请访问Durasens。