[发明专利]一种拉曼光谱增强装置及气体分析系统

说明书

本发明公开了一种拉曼光谱增强装置及气体分析系统，拉曼光谱增强装置包括光源系统、增强腔、样品池及表面增强结构；增强腔为近共心腔，样品池位于增强腔中心位置，表面增强结构设置在样品池中心；光源系统提供的光束由入射孔进入，在增强腔内来回多次反射，在样品池中心处形成两个聚焦点，两个聚焦点分别汇聚在表面增强结构的两个侧面，增强拉曼散射光。气体分析系统包括拉曼光谱增强装置、散射光收集系统和分析系统；样品池中心处的拉曼散射光经散射光收集系统汇聚耦合后，由分析系统进行气体拉曼信号分析。本发明能够提升拉曼散射信号强度，进而提高拉曼光谱气体检测的灵敏度。

技术领域

本发明涉及拉曼光谱的技术领域，具体涉及一种拉曼光谱增强装置及气体分析系统。

背景技术

在石油炼化、工业生产、煤炭开采、钢铁冶炼等众多生产过程中，对多组分混合气体进行监测具有十分重要的意义。目前，在多组分气体检测技术中，气相色谱和傅里叶变换得到了快速发展。气相色谱仪在分析精度及分析周期上具有明显优势，但受分析原理的限制，气相色谱需要载气和色谱柱、复杂的气路系统以及变温变流速控制技术，且测量过程耗时长(响应时间通常需要数分钟到数十分钟)。傅里叶变换红外光谱仪能够对很多无机气体和有机气体进行分析，速度也较气相色谱仪快很多，但混合气体的红外光谱重叠严重，需要借助复杂的信号处理技术分析谱峰，并且对无红外吸收的N₂、O₂、H₂等双原子分子气体无能为力。

拉曼光谱是一种基于单色光非弹性散射的测量技术，单色光与分子相互作用，光子频率发生改变，拉曼频移的位置决定了待测物质的特性，而散射光的强度与物质的浓度成正比。将拉曼光谱技术应用于多组分气体检测领域具有更多优势，比如相比气相色谱仪，不需要分离气体、不需要载气、可实时分析；相比质谱仪，结构简单、可分析同质量的物质、生产成本更低；相比于红外光谱，可对没有红外吸收的气体进行测量，无需更换检测器件便可同时对有机物和无机物进行分析。

相比于固体、液体等样品，气体分子密度低、散射截面小，导致拉曼散射信号十分微弱，检测灵敏度很低，使得拉曼光谱技术在气体检测领域的应用具有很大局限性。所以，提高拉曼光谱技术的气体检测灵敏度对打破以上局限至关重要。拉曼系统中常用的增强技术主要有共振拉曼光谱技术、表面增强拉曼技术、腔增强拉曼光谱技术。拉曼气体检测中应用较多的是腔增强技术，但这类腔增强技术的增强能力有限(～10²)，拉曼系统气体检测的灵敏度仍有待提升。相比于腔增强技术，表面增强技术的增强因子达到了10¹⁴，在提升拉曼光谱气体检测灵敏度的方面具有巨大潜力。但并未在拉曼光谱分析系统中应用。因此，需要一种拉曼光增强装置弥补现有拉曼光谱系统的不足。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种拉曼光谱增强装置及气体分析系统，能够提升拉曼散射信号强度，进而提高拉曼光谱气体检测的灵敏度。

本发明采用的技术方案如下：

一种拉曼光谱增强装置，包括光源系统、增强腔、样品池及表面增强结构；

所述增强腔为近共心腔，所述样品池位于增强腔中心位置，表面增强结构设置在样品池中心；所述光源系统提供的光束由入射孔进入，在增强腔内来回多次反射，在样品池中心处形成两个聚焦点，两个聚焦点分别汇聚在表面增强结构的两个侧面，增强拉曼散射光。

进一步地，所述光源系统包括激光器、聚焦镜及平面反射镜；

所述激光器经过聚焦透镜，再由平面反射镜反射进入增强腔内，并在增强腔中心处聚焦。

进一步地，所述增强腔包括腔体和两个凹面反射镜；

两个凹面反射镜相对设置在所述腔体的两个侧壁上，且两个凹面反射镜共轴；其中一个反射镜上方设置入射孔。

进一步地，所述样品池包括样品池腔体和四个窗口片；