一、背景介绍

在工业生产和环境检测等诸多领域，工业气体在线分析仪具有广泛的需求。常用的电化学气体分析仪虽然价格低廉，但是使用寿命较短，尤其是能够分析的气体种类有限，一般仅限于氧气、甲烷、二氧化碳等几种气体。气相色谱仪，虽然能够分析多种气体，但已知的化合物中仅有20%的样品可以用气相色谱满意地分离，尤其是探测时间长（单次测量0.5-2小时）因而不能满足工业生产过程中实时在线检测的需求。质谱仪，能够通过测量荷质比精确、快速的分析各种气体含量，但其由于成本高、需要熟练的技术人员、无法区分具有相同电荷质量比的分子的同分异构体、不能识别产生相同离子的碳氢化合物，应用范围受到限制。激光拉曼气体分析技术，能够分析常见的各类气体浓度，如氧气、氮气、一氧化碳、二氧化碳、氢气、硫化氢、二氧化硫、氨气、氮氧化物（一氧化氮、二氧化氮等）和各种烃类气体（如甲烷、乙烷）等。但由于其中光学元器件特别是探测器价格昂贵，技术壁垒高（目前大多停留在实验室阶段），目前还没有得到广泛应用。

经过两年的研发，气体分析仪厂家谱析推出的激光拉曼光谱分析仪，能够检测氧气、氮气、一氧化碳、二氧化碳、氢气、甲烷、乙烷、乙烯、乙炔、丙烷、丙烯、丙炔、丁烷、氨气、二氧化硫、一氧化氮、二氧化氮、硫化氢等除稀有气体以外的常见气体，对各个气体检测范围0-100%，检测极限100-10ppm（0.01%-0.001%）。对于每种气体，检测时间小于10s，能够对多个监测点循环监测。谱析的激光拉曼光谱分析仪相较于红外气体分析仪、气相色谱仪、质谱仪的性能对比如下表所示：

从表中可以看出，谱析的激光拉曼光谱分析仪相较于红外气体分析仪、气相色谱仪、质谱仪，具有能够同时检测多种气体、动态范围大、检测时间短、操作简单、无需每次校准、便于维护、价格便宜等诸多突出优势。

二、检测原理

1928年C.V.拉曼实验发现，光与物质分子相互作用时一部分光子能量发生变化，这一现象称为拉曼散射。如图1所示，氧气分子的两个氧原子之间的相互作用类似于通过弹簧连接的两个小球，两者往复振动。不同之处在于，氧气分子的各个振动能级是分立的，类似于楼梯的台阶，每级台阶间能量差为Δ。对于不同分子的不同振动模式，Δ是不同的，因而测定出Δ便能推断出是哪一种分子的哪个振动模式。当激光聚焦在空气中时，激光光子与氧气分子发生相互作用，一部分激光光子能量减少Δ，这部分能量Δ被氧气分子吸收，振动能量上了一个台阶。能量减少的这一小部分光子被称为拉曼光，我们通过测量拉曼光谱中峰的横坐标Δ便可以确定这是氧气分子的振动，同时，峰值的纵坐标即光强正比于氧气的浓度。如同一个指纹对应于一个人，一个拉曼特征峰对应于一种分子。

图1

三、核心技术

工业气体在线分析仪结合自主研发的405nm激光拉曼激发模块和超高灵敏度光谱仪，相较于传统的拉曼光谱仪灵敏度提升一千倍以上。如图2所示，拉曼光谱信号跟激发波长四次方成反比，该仪器采用405nm作为激发波长，相同功率下相较于传统的785nm激发波长信号提升14倍。如图3所示，该仪器采用光电倍增管作为探测器，可以将拉曼光信号放大10^5-10^6倍，同时采用超高精度纳米位移平台，可以通过扫描特征峰的方式灵活测量各种气体浓度。整机外形如图4所示。

图2

图3

图4

四、激光拉曼气体分析仪技术参数

激光拉曼气体分析仪可测气体列表（仅列出部分常用气体）

五、应用范围

本产品将广泛应用于化工、石油、天然气等行业的工业气体原料成分实时在线分析、危险气体泄漏的在线监测、大气环境监测、实验室气体分析等场景，致力于激光光谱分析仪器的自主设计研发和国产化生产制造。

主要客户包括：

1、针对工业气体原料成分实时在线分析的化工厂；

2、针对危险气体泄漏的在线监测的化工厂、煤矿厂；

3、国家及各省、地、市一级环保局、市场监督管理局；

4、高校和研究所的分析实验室；

5、各种物质分析、检测解决方案供应商。