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使用便携式科研级拉曼测量氢气

使用便携式科研级拉曼测量氢气

摘要

1. 前言

基于拉曼原理的气体测量技术具有分析速度快,装置简单,对水汽干扰不敏感,无需复杂分离预处理,可在线同时测量多种气体等优点,但过去拉曼在气体测量领域应用远远少于液态或固态样品测量,这是因为气体的拉曼散射截面相对较小,拉曼仪器的灵敏度不够造成的。现在随着光谱仪技术进步,仪器探测灵敏度在不断提高,拉曼气体检测的应用也随之大大增多,拉曼气体检测技术优势也越来越明显。

以氢气为例,氢气的结构与同位素测定在核物理研究,国防,石油录井探测和电力传输等领域都有重要意义,比如20K的低温氢常被用作慢化剂,用以冷却中子,仲氢的百分含量越高,则慢化中子的效果越好。氢气是电力行业变压器故障的7种特征气体成分之一。

目前,拉曼已成为唯一能在线无损测定氢气结构与同位素的技术手段。其他技术手段包括导热系数测量法、饱和蒸气压法、色谱法和吸收光谱法等。但这些方法缺陷明显,仲氢与正氢在低温情况下导热系数差异极小,检测困难。饱和蒸气压法对温度和压力测量元件精度要求苛刻,否则难以得到准确的结果。色谱法具有较高精度,但设备复杂,需要各种辅助气和载气,不易实现在线测量,且测量成本比较高。吸收光谱则面临混合组分的干扰,尤其是水汽的红外吸收干扰峰很多,增大了气体特征峰的分离鉴定复杂性,并且吸收光谱难以测定分子的结构。

海洋光学的便携式拉曼设备Accuman SR-510 Pro有卓越的光谱性能,轻巧便携的体积,同时配有强大的分析软件,在传统测氢方法不能胜任的领域里,Accuman SR-510 Pro给用户提供了一个很好的新工具。

2. 测试方法

下图1测试装置示意图,图2为设备与气体池实物照片。气体流通池为石英材质,进气口与高纯氢气瓶相连接,中间通过减压阀控制气流,出气管道通到窗外。拉曼探头既是激光出射端,又是拉曼信号接收端。将探头对准流通池侧壁,流通池放在暗黑环境里,以减少环境光的干扰。


图1 测量装置示意图

图2 ACCUMAN SR-510Pro

 3. 测试结果

原始测量图谱采用海洋专有PC软件Accuram扣除暗背景、荧光和基底信号后就可以得到结果。下图展示了氢气的测试结果,拉曼激发波长为785nm,功率350mw。

图3 氢气拉曼测量结果

氢原子有氕氘氚三种同位素,氢分子结构由双氢原子组成,这种结构有两种自旋异构体,称之为正氢和仲氢。正氢中两个核的自旋是平行的,仲氢中两个核的自旋则是反平行的。因此正氢的自旋量子数 J 相当于奇数值,仲氢的 J 则相当于偶数值。仲氢分子的磁矩为零,正氢分子的磁矩为质子磁矩的两倍。氢气通常是正氢和仲氢的平衡混合物。室温热平衡态下,氢气大约是75%正氢和25%仲氢的混合物。氢气中正氢和仲氢的组成遵从化学平衡定律,且受温度影响,通过使用催化剂和控制温度可以实现正氢和仲氢的相互转化。氢气分子受到激光激发后,双原子分子会产生转动跃迁,进而可以获得该种分子的转动拉曼光谱。上图中,354cm-1和814cm-1峰与标准仲氢拉曼峰位置一致, 587 cm-1和1035 cm-1峰则与标准的正氢拉曼峰位置一致。这些拉曼散射强度与体系内分子数在一定范围内成正比,所以可通过测定其强度或峰面积获得体系内分子质量比。上图中的测试结果显示354cm-1和587cm-1的峰高比例接近1:3,适合作为正氢和仲氢比例的判定谱线。

4.讨论与分析

测试实验中,用户使用Accuman SR-510 Pro设备,只要通过很简单的实验步骤,就可以得到明显的正氢和仲氢拉曼特征峰信号,非专业人士也可以很快上手。并且所需样品量极少,测量时间为80s,如果不使用平均次数或者增大样品采样量,则测量时间会更短。

用户还可以测试不同浓度的氢气,采用外标法对未知浓度的正氢和仲氢气体组分进行定量测量。

不仅如此,Accuman SR-510 Pro设备在高含水量的甲烷等烷烃类成分原位检测方面,也有很大的应用价值,这些的拉曼散射强度大于氢气,拉曼信号相对更高。鉴于这些组分测量在核物理研究,国防,石油录井探测和电力传输等领域的价值,海洋光学的Accuman SR-510 Pro设备将为这些领域用户提供新的选择!

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