[發明專利]用于對空芯光纖中的氣體進行實時、高分辨率分子分析的受激拉曼光譜儀

在審

• 申請號: 202080092692.0
• 申請日: 2020-12-09
• 公開（公告）號: CN114945816A
• 公開（公告）日: 2022-08-26
• 發明（設計）人: 拉姆·阿隆;易思烈·沃爾夫
• 申請（專利權）人: 歐普提克干有限公司
• 主分類號: G01N21/65
• 分類號: G01N21/65
• 代理公司: 上海眾象合一知識產權代理有限公司 31395
• 代理人: 王紀營

本發明公開了一種用于實時、高分辨率氣體分子分析的受激拉曼散射光譜儀，其基于由單個高功率短脈沖激光泵照射的兩個空芯光纖(420、450)。第一空芯光纖(420)預填充有高濃度目標氣體。所述第一空芯光纖(420)內的每種目標氣體與所述激光泵的相互作用生成對應于所述目標氣體的拉曼信號。所述拉曼信號與所述泵浦激光束的組合光束被引導至包含被測目標氣體的第二空芯光纖(450)中。每種目標氣體與所述組合光束的相互作用產生受激拉曼生長，即所述拉曼信號放大，這與對應目標氣體濃度成正比。接收器子系統(30)從所述第二空芯光纖(450)接收所述光束，將所述光束光譜分離為對應于每種目標氣體的波長，提取對應于每種目標氣體的受激拉曼生長值并計算每種目標氣體的濃度。

技術領域

本申請涉及用于在實驗室和工業環境中對氣體進行高分辨率、實時和現場分子分析的受激拉曼光譜儀。

背景技術

能源、石油和天然氣、化工、制藥和半導體等制造業創造了數萬億美元的收入。它們的特點是工藝復雜，資金和運營成本高，包括各種設備、原材料、能源、催化劑和相對較低的盈利能力。在一些方面，現代過程效率低下、缺乏靈活性、污染嚴重，而且遠遠沒有達到最佳。提高這些工業過程的效率可對污染物排放、能源和材料效率、利潤率和財務收益產生重大影響。不充分的過程監測技術，諸如基于色譜的傳感器或光譜儀器，無法滿足行業對高精度和實時過程控制相結合的要求。

需要改進和優化的工業過程的眾多示例之一是世界各地使用天然氣作為能源的發電廠。在當今的全球天然氣市場中，消費者從多個來源獲得天然氣，諸如天然氣田、頁巖氣生產、液化天然氣和沼氣。對氣體成分(輸入和輸出氣體)的實時監測改善了渦輪機控制，并可提高性能、保護環境和防止渦輪機損壞。燃氣渦輪機可使用非常廣泛的能源運行，但不可預測的氣體成分變化會損壞渦輪機。在石化過程中，進入反應器的氣體純度對最終產品的質量至關重要。少量污染物會對整個批次產生負面影響，因此實時監測可更好地控制進入的氣體并防止此類負面影響。

現代氣相色譜儀幾乎普遍用于測量天然氣成分及其熱值。Ward等人(在“使用氣相色譜法、近紅外光譜法和膜入口質譜法實時監測沼氣池(Real time monitoring of abiogas digester with gas chromatography,near-infrared spectroscopy,andmembrane-inlet mass spectrometry)”，Bioresource Technology 102，2011，第4098至4103頁)采用了四種方法來監測中試規模的厭氧消化過程。用于測量氣體的方法包括膜入口質譜法(MIMS)和微量氣相色譜法(μ-GC)。μ-GC方法幾乎不需要維護，而MIMS方法需要頻繁的清潔和背景測量。此外，μ-GC方法可非常準確地測量氫氣、甲烷、氮氣、氧氣和硫化氫，而MIMS準確測量頂空中的甲烷、二氧化碳和硫化氫、還原的有機硫化合物和對甲酚。然而，雖然準確，但這些方法非常緩慢。

為了克服上述氣相色譜儀測量速度相對較慢的問題，G.E.Fodor(1996)根據與位于弗吉尼亞州·貝爾沃的美國陸軍TARDEC移動技術中心的合同(合同號DAAK70-92-C-0059)開發了使用中波段傅里葉變換紅外光譜法(FTIR)作為快速且合理可靠的實驗室或現場方法來評估天然氣的成分和性質，并證明了使用FTIR作為在線天然氣分析儀的可行性。已開發了一種非常快速的實驗性FTIR協議，以用于從實時FTIR光譜同時測定氮氣中的甲烷、乙烷、丙烷和丁烷。此方法基于幾種已知氣體成分與其FTIR光譜之間的相關性。然而，行業中用于氣體檢測和分析的傳統FTIR儀器價格昂貴，需要一些經驗豐富的操作人員，不能直接在氣體管線上使用，響應速度不夠快，無法用于監測目的，并且靈敏度低。

自發拉曼光譜已在行業中使用了二十多年。大多數分析物(包括氣體)都具有獨特的“拉曼指紋”，它可用于專門且非常準確地檢測和測量分析物及其濃度。雖然拉曼指紋對于化學和生化分析是強大的工具，提供了化學鍵的特定振動特征，但基于自發拉曼光譜的分析儀仍然受到長采集時間和通常低靈敏度的阻礙，這需要使用強大的激光。事實上，這是實時測量與分辨率之間的權衡。其有效性在測試低濃度目標樣品時更加有限。