CN216847477U - 一种用于气体分析的拉曼装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种用于气体分析的拉曼装置，涉及气体检测装置技术领域，包括激光器、反应室、滤光片、光学透镜、单色仪以及光电检测器件，激光器用于产生激发光束；反应室设置在激发光束的光路上，激发光束贯穿反应室，反应室的侧壁上设置有光路出口，光路出口与激发光束平行；滤光片在反应室上的正投影将光路出口覆盖；光学透镜与滤光片同心设置；单色仪包括第一光入口和第一光出口，第一光入口设置于光学透镜的焦点处；光电检测器件的输入端与第一光出口连通，通过对拉曼散射光进行逐级过滤而得到目标气体所对应的拉曼散射光，然后对其进行定量分析，提高了最终检测结果的精准度和检测响应速率。

Description

一种用于气体分析的拉曼装置

技术领域

本实用新型涉及气体检测装置技术领域，具体而言，涉及一种用于气体分析的拉曼装置。

背景技术

近年来医学领域多项研究表明，人体呼出气体中氢气、甲烷与多种消化系统疾病有高度的相关性，因此呼出气体中氢气、甲烷的浓度可以作为消化系统疾病的诊断参考依据，通过这种方式进行诊断不仅可以加快诊断进程，缩短诊断时间，还可以实现大规模无创监测，减少病人痛苦。但是，目前肠道等消化系统疾病的诊断主要还是以各种化验及肠胃镜等检测手段为主，不但执行操作难度大，而且还给病患带来一定的痛苦，导致婴儿、儿童等病患在检测无法正常进行。因此，一种无创、快捷、简单的检测方式是消化系统疾病诊断迫切需要的技术。

目前常见的气体检测方法有红外光谱法、拉曼气体检测法和色谱法等，而采用拉曼对气体进行检测时无需接触气体，可在各种环境下进行气体的检测，但是由于散射光频率受影响、散射光的传递损失等因素造成检测误差较大。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种用于气体分析的拉曼装置，旨在解决拉曼装置在检测低浓度的气体时存在灵敏度低、响应速率慢、检测误差大的问题。

为了实现上述目的，本实用新型采取的技术方案如下：

本实用新型提供了一种用于气体分析的拉曼装置包括：激光器、反应室、滤光片、光学透镜、单色仪以及光电检测器件，所述激光器用于产生激发光束；所述反应室设置在所述激发光束的光路上，所述激发光束贯穿所述反应室，所述反应室的侧壁上设置有光路出口，所述光路出口与所述激发光束平行；所述滤光片在所述反应室上的正投影将所述光路出口覆盖；所述光学透镜与所述滤光片同心设置；所述单色仪包括第一光入口和第一光出口，所述第一光入口设置于所述光学透镜的焦点处；所述光电检测器件的输入端与所述第一光出口连通。

在本实用新型的一些实施例中，所述用于气体分析的拉曼装置还包括消光室，所述消光室与所述激光器对称设置于所述反应室的两侧，所述消光室设置有第二光入口，第二光入口设置在所述激发光束的光路上，所述第二光入口与所述反应室相连通。

在本实用新型的一些实施例中，所述消光室内设置有平面反光镜，所述平面反光镜设置于所述第二光入口处，所述平面反光镜所在平面与所述激发光束的延长线呈45°夹角，所述消光室远离所述平面反光镜的一端设有光电子检测器。

在本实用新型的一些实施例中，所述平面反光镜与所述光电子检测器之间设置有光扩散板。

在本实用新型的一些实施例中，所述光电检测器件包括单光子探测器和光电子计数器，所述单光子探测器为制冷型单光子探测器。

在本实用新型的一些实施例中，所述反应室内设置有恒温装置。

在本实用新型的一些实施例中，所述反应室分别设有进气口和出气口，所述出气口设有用于监测压力和流量的气体传感器。

在本实用新型的一些实施例中，所述用于气体分析的拉曼装置还包括气体采集模块，所述气体采集模块包括集气件，所述集气件与所述进气口之间设有气流通道，所述气流通道依次设有第一气动阀和第二气动阀，所述第一气动阀靠近所述集气件设置，所述集气件包括样品集气口和标气集气口。

在本实用新型的一些实施例中，所述气流通道内部设置有除水过滤装置，所述除水过滤装置位于所述第一气动阀和所述第二气动阀之间。

在本实用新型的一些实施例中，所述第一气动阀为三通阀，所述第二气动阀为六通阀。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

本实用新型中，光路出口位置的设置以及滤光片的共同使用消除了瑞利散射光对拉曼散射光的影响；而光学透镜将分散的拉曼散射光聚焦至单色仪的第一光入口以满足最大拉曼散射光信号的输入，减少光损失从而减小结果误差；然后再经过单色仪的分光处理输出目标气体所对应波长的拉曼散射光，减少其他波段拉曼散射光的干扰；电学检测器件采集单色仪输出的信息并形成光谱强度分布图，计算机根据光谱强度分布图进行相应数据的处理得到目标气体的浓度。整个检测过程中，不仅减少了拉曼散射光在传播过程中的损失，还避免了其他波长光的干扰，从而提高其最终检测结果的精准度和检测响应速率。当将其应用于人体呼出气体中氢气、甲烷浓度的检测时，所得到的结果可以作为消化系统疾病诊断的参考依据，不仅可以加快诊断进程，缩短诊断时间，还能减轻患者的痛苦，实现消化系统疾病的无痛、无创检测。

本实用新型中通过消光室对激光器所产生的激发光束进行消除，避免激发光束照射至人体而危害人体健康。同时，消光室内光电子检测器对激发光束的光强进行实时检测，根据检测到的光强变化计算机对光电检测器件所输出的拉曼散射光的强度信息做出相应的修正，以补偿激发光束衰减所造成的检测误差，从而提高其检测结果的精准度。

本实用新型中，用于气体分析的拉曼装置还设置有气体采集模块，通过气体采集模块可以实现现场实时采集气体并测定其内所含目标气体的浓度；而通过第一气动阀对待检测样品气体和用于仪器校准的标气进行切换，通过第二气动阀对反应室进行充气和放气；在第一气动阀和第二气动阀之间设置除水过滤装置可以吸附气体中的气态水、固体颗粒物从而避免影响其检测结果。

本实用新型的其他特征和优点将在随后的说明书阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本实用新型实施例了解。本实用新型的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本实用新型的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1所示为用于气体分析的拉曼装置的结构示意图；

图2所示为光路传播路径的放大图；

图3所示为反应室的放大图；

图4所示为六通阀控制气体流动的路径示意图。

图中标记：100-用于气体分析的拉曼装置；101-计算机；110-反应室；111-进气口；112-出气口；113-光路出口；120-激光器；121-滤光片；122-光学透镜；123-单色仪；124-第一光入口；125-第一光出口；126-单光子探测器；127-光电子计数器；130-消光室；131-第二光入口；132-平面反光镜；133-光电子检测器；134-光扩散板；135-恒温装置；140-气体传感器；141-样品集气口；142-标气集气口；143-第一气动阀；144-第二气动阀；145-除水过滤装置；146-气泵。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本实用新型实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本实用新型的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围，而是仅仅表示本实用新型的选定实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本实用新型的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

如图1和图2所示，图1为用于气体分析的拉曼装置100的结构示意图，图2所示为光路传播路径的放大图。

本实用新型提供了一种用于气体分析的拉曼装置100包括：激光器120、反应室110、滤光片121、光学透镜122、单色仪123以及光电检测器件。激光器120用于产生激发光束，反应室110设置在激发光束的光路上，激发光束贯穿反应室110，反应室110的侧壁上设置有光路出口113，光路出口113与激发光束平行；当激光器120所发射的激发光束照射反应室110内的气体，气体分子产生拉曼偏频，光路出口113所处的位置可以有效的避免瑞利散射光的透过，然后对透过光路出口113的拉曼散射光进行定量分析。滤光片121在反应室110上的正投影将光路出口113覆盖，通过滤光片121将激发光束(如532nm)对应波长以下的散射光过滤掉，只允许部分拉曼散射光(538nm及以上)透射，以消除其他共存光线(如激发光束)的干扰。而光学透镜122与滤光片121同心设置，单色仪123包括第一光入口124和第一光出口125，光学透镜122将分散的拉曼散射光聚焦至单色仪123的第一光入口124以满足最大拉曼散射光信号的输入，减少光损失进而减小检测结果的误差。单色仪123在接收到最大拉曼散射光信号之后对其进行分光处理输出目标气体(如甲烷)所对应波长(629.72nm)的拉曼散射光，减少其他波段拉曼散射光的干扰。光电检测器件的输入端与第一光出口125连通，光电检测器件用于采集单色仪123输出的信息并形成光谱强度分布图，然后计算机101根据光谱强度分布图对样品进行定量分析从而得到目标气体的浓度。上述用于气体分析的拉曼装置100通过对拉曼散射光进行逐级过滤而得到目标气体所对应的拉曼散射光，然后对其进行定量分析，不但避免了其他波段拉曼散射光的干扰，而且只对目标气体做出相应的分析，从而提高其最终检测结果的精准度和检测响应速率。

本实施例中，上述反应室110采用铝材料加工，外表面采用氧化处理，内表面采用氧化处理然后镀有黑色聚四氟乙烯材料，以此来尽可能减小反应室110对激光的反射作用，同时使用惰性材料以避免其与被测气体发生反应，影响拉曼散射。

目前肠道等消化系统疾病的诊断主要以各种化验及肠胃镜等检测手段为主，不仅执行操作难度大，还给患者带来一定的痛苦。近年来医学领域多项研究表明人体呼出气体中氢气因、甲烷与多种消化系统疾病有高度的相关性。因此应用本实用新型提出的用于气体分析的拉曼装置100可以精准、快速的检测呼出气体中氢气、甲烷的浓度，以此作为消化系统疾病诊断的参考依据，不但可以加快诊断进程，缩短诊断时间，而且还能达到大规模无创监测，从而减少病人痛苦，提高患者治疗的依从性。

详细地，本实用新型实施例中的光电检测器件包括单光子探测器126和光电子计数器127，单光子探测器126为制冷型单光子探测器126。单光子探测器126抗干扰能力较强，但是单光子探测器126的暗噪声与温度有关，温度越高噪声越多，为了控制其噪声数量和稳定度，仪器对单光子探测器126进行了制冷-10℃的控制，以便其处于最佳工作状态。例如，SPCM-01系列单光子探测器126每秒的暗噪声200以内，且灵敏度高能够检测出单个光子信号，可以极大的提高仪器的灵敏度。

在检测过程中，拉曼散射的效率与气体的温度有着直接关系，不同的温度情况下，其拉曼散射的效率是不同的。因此，本实施例中反应室110内设置有恒温装置135，恒温装置135与计算机101相连并通过PID算法进行温度的控制，使反应室110处于恒温状态(默认50℃)，进而使反应室110内部的气体可以有一个稳定的拉曼效率，提高其检测结果的精准度。

进一步地，反应室110分别设有进气口111和出气口112，出气口112设有用于监测压力和流量的气体传感器140，在拉曼装置的出口处设置气泵146，气泵146与出气口112相连通，通过气泵146控制反应室110内气体的充入和排出。计算机101通过气体传感器140可以实时得到反应室110内气流的气压和流速，当反应室110内的气体达到一定稳定的状态再开启激光器120进行拉曼测试，不仅可以保证反应室110内气体充足进而减少浓度检测的误差，还能缩短激光器120工作的时间，延长其使用寿命。

如图3所示为反应室110的放大图。为了避免激发光束透过仪器而对人体造成伤害，本实用新型提出的用于气体分析的拉曼装置100还包括消光室130，消光室130与激光器120对称设置于反应室110的两侧，消光室130设置有第二光入口131，第二光入口131设置在激发光束的光路上，第二光入口131与反应室110相连通。本实施例中，消光室130采用铝材料加工，外表面采用氧化处理，内表面镀有一层哑光黑材料，最大程度的吸收激光器120发射的激发光束。

激发光束的强度直接影响拉曼散射光的强度，为了减小激发光束能量变化而造成检测结果的误差，本实施例中消光室130内设置有平面反光镜132，平面反光镜132设置于第二光入口131处，平面反光镜132所在平面与激发光束的延长线呈45°夹角，消光室130远离平面反光镜132的一端设有光电子检测器133。使用低灵敏度的PIN管或者APD检测器实时监测激发光束能量的变化，并将该变化结果通过电路反馈给计算机101，计算机101通过相应的算法对光电检测器件输出光谱强度分布图做出相应的修正，以补偿光电检测器件监测的拉曼散射光强度，从而提高检测结果的精准度。进一步地，平面反光镜132与光电子检测器133之间设置有光扩散板134，激发光束经过光扩散板134散射后再扩散到消光室130中，激发光束所辐射的面积变大，被消光室130尽可能多的、均匀地吸收消除。

为了能够实时在线检测气体的浓度，本实用新型提出的用于气体分析的拉曼装置100还设置有气体采集模块，气体采集模块包括集气件，集气件与进气口111之间设有气流通道，气流通道依次设有第一气动阀143和第二气动阀144，第一气动阀143靠近集气件设置，集气件包括样品集气口141和标气集气口142。其中，样品集气口141用于采集人体呼出气体，其采用聚四氟乙烯材料制成，可避免其与待测气体发生反应；而标气集气口142用于仪器校准时的零气或者标气的输入，也采用聚四氟乙烯材料制成。

如图4所示为六通阀控制气体流动的路径示意图。详细地，本实施例中第一气动阀143为三通阀，第二气动阀144为六通阀。三通阀的启动可以实现对样品集气口141和标气集气口142所在气路的切换，而六通阀每一时刻只有1—2、3—4、5—6导通或者2—3、4—5、6—1导通，当1—2、3—4、5—6导通时气体流动路径导通，而当2—3、4—5、6—1导通时气体流动路径切断。六通阀与气泵146的配合可以对反应室110实现高精度的气体充入或排放管理，使得气体在稳定状态下进行测试，从而提高检测结果的精准度。

在检测过程中，若反应室110内的气体中含有气态水会影响其拉曼散射的效率，而气体中颗粒物在激光器120的照射下会发生瑞利散射进而干扰检测结果。因此，本实施例在第一气动阀143和第二气动阀144之间设置除水过滤装置145，将气体中的气态水、固体颗粒物过滤排除，从而避免其对检测结果的影响。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种用于气体分析的拉曼装置，其特征在于，包括：

激光器(120)，所述激光器(120)用于产生激发光束；

反应室(110)，所述反应室(110)设置在所述激发光束的光路上，所述激发光束贯穿所述反应室(110)，所述反应室(110)的侧壁上设置有光路出口(113)，所述光路出口(113)与所述激发光束平行；

滤光片(121)，所述滤光片(121)在所述反应室(110)上的正投影将所述光路出口(113)覆盖；

光学透镜(122)，所述光学透镜(122)与所述滤光片(121)同心设置；

单色仪(123)，所述单色仪(123)包括第一光入口(124)和第一光出口(125)，所述第一光入口(124)设置于所述光学透镜(122)的焦点处；以及

光电检测器件，所述光电检测器件的输入端与所述第一光出口(125)连通。

2.根据权利要求1所述的用于气体分析的拉曼装置，其特征在于：所述用于气体分析的拉曼装置(100)还包括消光室(130)，所述消光室(130)与所述激光器(120)对称设置于所述反应室(110)的两侧，所述消光室(130)设置有第二光入口(131)，第二光入口(131)设置在所述激发光束的光路上，所述第二光入口(131)与所述反应室(110)相连通。

3.根据权利要求2所述的用于气体分析的拉曼装置，其特征在于：所述消光室(130)内设置有平面反光镜(132)，所述平面反光镜(132)设置于所述第二光入口(131)处，所述平面反光镜(132)所在平面与所述激发光束的延长线呈45°夹角，所述消光室(130)远离所述平面反光镜(132)的一端设有光电子检测器(133)。

4.根据权利要求3所述的用于气体分析的拉曼装置，其特征在于：所述平面反光镜(132)与所述光电子检测器(133)之间设置有光扩散板(134)。

5.根据权利要求1所述的用于气体分析的拉曼装置，其特征在于：所述光电检测器件包括单光子探测器(126)和光电子计数器(127)，所述单光子探测器(126)为制冷型单光子探测器。

6.根据权利要求1所述的用于气体分析的拉曼装置，其特征在于：所述反应室(110)内设置有恒温装置(135)。

7.根据权利要求1所述的用于气体分析的拉曼装置，其特征在于：所述反应室(110)分别设有进气口(111)和出气口(112)，所述出气口(112)设有用于监测压力和流量的气体传感器(140)。

8.根据权利要求7所述的用于气体分析的拉曼装置，其特征在于：所述用于气体分析的拉曼装置(100)还包括气体采集模块，所述气体采集模块包括集气件，所述集气件与所述进气口(111)之间设有气流通道，所述气流通道依次设有第一气动阀(143)和第二气动阀(144)，所述第一气动阀(143)靠近所述集气件设置，所述集气件包括样品集气口(141)和标气集气口(142)。

9.根据权利要求8所述的用于气体分析的拉曼装置，其特征在于：所述气流通道内部设置有除水过滤装置(145)，所述除水过滤装置(145)位于所述第一气动阀(143)和所述第二气动阀(144)之间。

10.根据权利要求8所述的用于气体分析的拉曼装置，其特征在于：所述第一气动阀(143)为三通阀，所述第二气动阀(144)为六通阀。

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