一、背景介紹

在工業(yè)生產(chǎn)和環(huán)境檢測(cè)等諸多領(lǐng)域，工業(yè)氣體在線分析儀具有廣泛的需求。常用的電化學(xué)氣體分析儀雖然價(jià)格低廉，但是使用壽命較短，尤其是能夠分析的氣體種類有限，一般僅限于氧氣、甲烷、二氧化碳等幾種氣體。氣相色譜儀，雖然能夠分析多種氣體，但已知的化合物中僅有20%的樣品可以用氣相色譜滿意地分離，尤其是探測(cè)時(shí)間長(zhǎng)（單次測(cè)量0.5-2小時(shí)）因而不能滿足工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中實(shí)時(shí)在線檢測(cè)的需求。質(zhì)譜儀，能夠通過(guò)測(cè)量荷質(zhì)比精確、快速的分析各種氣體含量，但其由于成本高、需要熟練的技術(shù)人員、無(wú)法區(qū)分具有相同電荷質(zhì)量比的分子的同分異構(gòu)體、不能識(shí)別產(chǎn)生相同離子的碳?xì)浠衔?，?yīng)用范圍受到限制。激光拉曼氣體分析技術(shù)，能夠分析常見(jiàn)的各類氣體濃度，如氧氣、氮?dú)狻⒁谎趸?、二氧化碳、氫氣、硫化氫、二氧化硫、氨氣、氮氧化物（一氧化氮、二氧化氮等）和各種烴類氣體（如甲烷、乙烷）等。但由于其中光學(xué)元器件特別是探測(cè)器價(jià)格昂貴，技術(shù)壁壘高（目前大多停留在實(shí)驗(yàn)室階段），目前還沒(méi)有得到廣泛應(yīng)用。

經(jīng)過(guò)兩年的研發(fā)，氣體分析儀廠家譜析推出的激光拉曼光譜分析儀，能夠檢測(cè)氧氣、氮?dú)?、一氧化碳、二氧化碳、氫氣、甲烷、乙烷、乙烯、乙炔、丙烷、丙烯、丙炔、丁烷、氨氣、二氧化硫、一氧化氮、二氧化氮、硫化氫等除稀有氣體以外的常見(jiàn)氣體，對(duì)各個(gè)氣體檢測(cè)范圍0-100%，檢測(cè)極限100-10ppm（0.01%-0.001%）。對(duì)于每種氣體，檢測(cè)時(shí)間小于10s，能夠?qū)Χ鄠€(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)循環(huán)監(jiān)測(cè)。譜析的激光拉曼光譜分析儀相較于紅外氣體分析儀、氣相色譜儀、質(zhì)譜儀的性能對(duì)比如下表所示：

從表中可以看出，譜析的激光拉曼光譜分析儀相較于紅外氣體分析儀、氣相色譜儀、質(zhì)譜儀，具有能夠同時(shí)檢測(cè)多種氣體、動(dòng)態(tài)范圍大、檢測(cè)時(shí)間短、操作簡(jiǎn)單、無(wú)需每次校準(zhǔn)、便于維護(hù)、價(jià)格便宜等諸多突出優(yōu)勢(shì)。

二、檢測(cè)原理

1928年C.V.拉曼實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，光與物質(zhì)分子相互作用時(shí)一部分光子能量發(fā)生變化，這一現(xiàn)象稱為拉曼散射。如圖1所示，氧氣分子的兩個(gè)氧原子之間的相互作用類似于通過(guò)彈簧連接的兩個(gè)小球，兩者往復(fù)振動(dòng)。不同之處在于，氧氣分子的各個(gè)振動(dòng)能級(jí)是分立的，類似于樓梯的臺(tái)階，每級(jí)臺(tái)階間能量差為Δ。對(duì)于不同分子的不同振動(dòng)模式，Δ是不同的，因而測(cè)定出Δ便能推斷出是哪一種分子的哪個(gè)振動(dòng)模式。當(dāng)激光聚焦在空氣中時(shí)，激光光子與氧氣分子發(fā)生相互作用，一部分激光光子能量減少Δ，這部分能量Δ被氧氣分子吸收，振動(dòng)能量上了一個(gè)臺(tái)階。能量減少的這一小部分光子被稱為拉曼光，我們通過(guò)測(cè)量拉曼光譜中峰的橫坐標(biāo)Δ便可以確定這是氧氣分子的振動(dòng)，同時(shí)，峰值的縱坐標(biāo)即光強(qiáng)正比于氧氣的濃度。如同一個(gè)指紋對(duì)應(yīng)于一個(gè)人，一個(gè)拉曼特征峰對(duì)應(yīng)于一種分子。

圖1

三、核心技術(shù)

工業(yè)氣體在線分析儀結(jié)合自主研發(fā)的405nm激光拉曼激發(fā)模塊和超高靈敏度光譜儀，相較于傳統(tǒng)的拉曼光譜儀靈敏度提升一千倍以上。如圖2所示，拉曼光譜信號(hào)跟激發(fā)波長(zhǎng)四次方成反比，該儀器采用405nm作為激發(fā)波長(zhǎng)，相同功率下相較于傳統(tǒng)的785nm激發(fā)波長(zhǎng)信號(hào)提升14倍。如圖3所示，該儀器采用光電倍增管作為探測(cè)器，可以將拉曼光信號(hào)放大10^5-10^6倍，同時(shí)采用超高精度納米位移平臺(tái)，可以通過(guò)掃描特征峰的方式靈活測(cè)量各種氣體濃度。整機(jī)外形如圖4所示。

圖2

圖3

圖4

四、激光拉曼氣體分析儀技術(shù)參數(shù)

激光拉曼氣體分析儀可測(cè)氣體列表（僅列出部分常用氣體）

五、應(yīng)用范圍

本產(chǎn)品將廣泛應(yīng)用于化工、石油、天然氣等行業(yè)的工業(yè)氣體原料成分實(shí)時(shí)在線分析、危險(xiǎn)氣體泄漏的在線監(jiān)測(cè)、大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)、實(shí)驗(yàn)室氣體分析等場(chǎng)景，致力于激光光譜分析儀器的自主設(shè)計(jì)研發(fā)和國(guó)產(chǎn)化生產(chǎn)制造。

主要客戶包括：

1、針對(duì)工業(yè)氣體原料成分實(shí)時(shí)在線分析的化工廠；

2、針對(duì)危險(xiǎn)氣體泄漏的在線監(jiān)測(cè)的化工廠、煤礦廠；

3、國(guó)家及各省、地、市一級(jí)環(huán)保局、市場(chǎng)監(jiān)督管理局；

4、高校和研究所的分析實(shí)驗(yàn)室；

5、各種物質(zhì)分析、檢測(cè)解決方案供應(yīng)商。