Том 35, номер 02, статья № 6

Аннотация:

Представлены разработки ИМКЭС СО РАН в области газоанализа, основанные на спектроскопии комбинационного рассеяния света (КР). Показаны возможности и преимущества разработанных КР-газоанализаторов на примере измерения состава топливных газов (природный газ, биогаз, синтез-газ), атмосферного и выдыхаемого воздуха. Обсуждаются особенности работы устройств такого типа и методы достижения высокой точности измерений.

Ключевые слова:

спектроскопия комбинационного рассеяния света, газоанализ, атмосферный воздух, метан, диоксид углерода, природный газ

Список литературы:

1. Булдаков М.А., Матросов И.И., Петров Д.В., Тихомиров А.А. СКР-газоанализатор для анализа природных и техногенных газовых сред // Оптика атмосф. и океана. 2012. Т. 25, № 2. С. 152–157; Buldakov M.A., Matrosov I.I., Petrov D.V., Tikhomirov A.A. Raman gas-analyzer for analyzing environmental and technogenic gas media // Atmos. Ocean. Opt. 2012. V. 25, N 4. P. 298–303.
2. Sieburg A., Knebl A., Jacob J.M., Frosch T. Characte­rization of fuel gases with fiber-enhanced Raman spectroscopy // Anal. Bioanal. Chem. 2019. V. 411, N 28. P. 7399–7408.
3. Hanf S., Keiner R., Yan D., Popp J., Frosch T. Fiber-enhanced raman multigas spectroscopy: A versatile tool for environmental gas sensing and breath analysis // Anal. Chem. 2014. V. 86, N 11. P. 5278–5285.
4. Li B., Luo S., Yu A., Gao J., Sun P., Wang X., Zuo D. Sensitive Raman gas analysis using a 500 mW external cavity diode laser at 410 nm // Laser Phys. Lett. 2017. V. 14, N 9. P. 095701.
5. Niklas C., Wackerbarth H., Ctistis G. A short review of cavity-enhanced Raman spectroscopy for gas analysis // Sensors. 2021. V. 21, N 5. P. 1–21.
6. Velez J.G., Muller A. Trace gas sensing using diode-pumped collinearly detected spontaneous Raman scattering enhanced by a multipass cell // Opt. Lett. 2020. V. 45, N 1. P. 133–136.
7. Brooks W.S.M., Partridge M., Davidson I.A.K., Warren C., Rushton G., Large J., Wharton M., Storey J., Wheeler N.V., Foster M.J. Development of a gas-phase Raman instrument using a hollow core anti-resonant tubular fibre // J. Raman Spectrosc. 2021. V. 52, N 10. P. 1772–1782.
8. Buric M.P., Chen K.P., Falk J., Woodruff S.D. Improved sensitivity gas detection by spontaneous Raman scattering // Appl. Opt. 2009. V. 48, N 22. P. 4424–4429.
9. Wen C., Huang X., Wang W., Shen C., Li H. Mul­tiple-pass-enhanced Raman spectroscopy for long-term monitoring of hydrogen isotopologues // J. Raman Spectrosc. 2019. V. 50, N 10. P. 1555–1560.
10. Knebl A., Domes R., Yan D., Popp J., Trumbore S., Frosch T. Fiber-enhanced Raman gas spectroscopy for ¹⁸O–¹³C-labeling experiments // Anal. Chem. 2019. V. 91, N 12. P. 7562–7569.
11. Eichmann S.C., Weschta M., Kiefer J., Seeger T., Leipertz A. Characterization of a fast gas analyzer based on Raman scattering for the analysis of synthesis gas // Rev. Sci. Instrum. 2010. V. 81, N 12. P. 125104.
12. Schlüter S., Krischke F., Popovska-Leipertz N., Seeger T., Breuer G., Jeleazcov C., Schüttler J., Leipertz A. Demonstration of a signal enhanced fast Raman sensor for multi-species gas analyses at a low pressure range for anesthesia monitoring // J. Raman Spectrosc. 2015. V. 46, N 8. P. 708–715.
13. Eichmann S.C., Kiefer J., Benz J., Kempf T., Leipertz A., Seeger T., Seeger T. Determination of gas com­position in a biogas plant using a Raman-based sensor system // Meas. Sci. Technol. 2014. V. 25, N 7. P. 075503.
14. Kiefer J., Seeger T., Steuer S., Schorsch S., Weikl M.C., Leipertz A. Design and characterization of a Raman-scattering-based sensor system for temporally resolved gas analysis and its application in a gas turbine power plant // Meas. Sci. Technol. 2008. V. 19, N 8. P. 085408.
15. Wen C., Huang X., Shen C. Multiple-pass-enhanced multiple-point gas Raman analyzer for industrial process control applications // J. Raman Spectrosc. 2020. V. 51, N 10. P. 2046–2052.
16. Wang P., Chen W., Wan F., Wang J., Hu J. A review of cavity-enhanced Raman spectroscopy as a gas sensing method // Appl. Spectrosc. Rev. 2020. V. 55, N 5. P. 393–417.
17. Petrak B., Cooper J., Konthasinghe K., Peiris M., Djeu N., Hopkins A.J., Muller A. Isotopic gas analysis through Purcell cavity enhanced Raman scattering // Appl. Phys. Lett. 2016. V. 108, N 9. P. 091107.
18. Petrov D.V., Matrosov I.I., Sedinkin D.O. Collection optics for a Raman spectrometer based on the 90° geometry of scattered light collection // Appl. Opt. 2016. V. 55, N 29. P. 8293–8295.
19. Petrov D.V. Multipass optical system for a Raman gas spectrometer // Appl. Opt. 2016. V. 55, N 33. P. 9521–9525.
20. Petrov D.V., Matrosov I.I. Pressure dependence of the Raman signal intensity in high-pressure gases // J. Raman Spectrosc. 2017. V. 48, N 3. P. 474–478.
21. Petrov D.V., Matrosov I.I., Tikhomirov A.A. High-sensitivity spontaneous Raman spectrometer for gaseous Media // J. Appl. Spectrosc. 2015. V. 82, N 1. P. 120–124.
22. Petrov D.V., Matrosov I.I., Kostenko M.A. Possibilities of measuring the exhaled air composition using Raman spectroscopy // Quant. Electron. 2021. V. 51, N 5. P. 389–392.
23. Petrov D.V., Matrosov I.I., Tikhomirov A.A. Raman gas analyzer applicability to monitoring of gaseous air pollution // Proc. of SPIE. 2015. V. 9680. P. 96803C.
24. Hippler M. Cavity-enhanced Raman spectroscopy of natural gas with optical feedback cw-Diode lasers // Anal. Chem. 2015. V. 87, N 15. P. 7803–7809.
25. Khannanov M.N., Van'kov A.B., Novikov A.A., Semenov A.P., Gushchin P.A., Gubarev S.I., Kirpichev V.E., Morozova E.N., Kulik L.V., Kukushkin I.V. Analysis of natural gas using a portable hollow-core photonic crystal coupled Raman spectrometer // Appl. Spectrosc. 2020. V. 74, N 12. P. 1496–1504.
26. Buldakov M.A., Korolev B.V., Matrosov I.I., Petrov D.V., Tikhomirov A.A. Raman gas analyzer for determining the composition of natural gas // J. Appl. Spectrosc. 2013. V. 80, N 1. P. 124–128.
27. Buldakov M.A., Korolkov V.A., Matrosov I.I., Petrov D.V., Tikhomirov A.A., Korolev B.V. Analyzing natural gas by spontaneous Raman scattering spect­roscopy // J. Opt. Technol. 2013. V. 80, N 7. P. 426–430.
28. Petrov D.V., Matrosov I.I. Raman Gas Analyzer (RGA): Natural gas measurements // Appl. Spectrosc. 2016. V. 70, N 10. P. 1770–1776.
29. Petrov D.V., Matrosov I.I. Spectral range for analysis of natural gas by Raman spectroscopy // Proc. SPIE. 2016. V. 10035. P. 1003523.
30. Chibirev I., Mazzoleni C., van der Voort D.D., Borysow J., Fink M. Raman spectrometer for field determination of H₂O in natural gas pipelines // J. Nat. Gas Sci. Eng. 2018. V. 55. P. 426–430.
31. Knebl A., Domes C., Domes R., Wolf S., Popp J., Frosch T. Hydrogen and C₂–C₆ alkane sensing in complex fuel gas mixtures with fiber-enhanced Raman spectroscopy // Anal. Chem. 2021. V. 93, N 30. P. 10546–10552.
32. Petrov D.V., Matrosov I.I., Zaripov A.R., Tanichev A.S., Kostenko M.A., Nekhoroshev A.O. Evaluation of the metrological characteristics of Raman analyzer of natural gas // Meas. Tech. 2021. V. 64, N 3. P. 261–266.
33. Petrov D.V. Raman spectrum of methane in the range 20–40 °C // J. Appl. Spectrosc. 2017. V. 84, N 3. P. 420–424.
34. Petrov D.V. Pressure dependence of peak positions, half widths, and peak intensities of methane Raman bands (ν₂, 2ν₄, ν₁, ν₃, and 2ν₂) // J. Raman Spectrosc. 2017. V. 48, N 11. P. 1426–1430.
35. Petrov D.V. Raman spectrum of methane in nitrogen, carbon dioxide, hydrogen, ethane, and propane environments // Spectrochim. Acta Part A: Mol. Biomol. Spectrosc. 2018. V. 191. P. 573–578.
36. Petrov D.V., Matrosov I.I., Zaripov A.R., Maznoy A.S. Effects of pressure and composition on Raman spectra of CO–H₂–CO₂–CH₄ mixtures // Spectrochim. Acta Part A: Mol. Biomol. Spectrosc. 2019. V. 215. P. 363–370.
37. Petrov D. Depolarization ratios of methane Raman bands as a function of pressure // Molecules. 2020. V. 25, N 8. P. 1951.
38. Petrov D.V. Raman spectrum of ethane in methane environment // J. Raman Spectrosc. 2018. V. 49, N 4. P. 771–774.
39. Petrov D.V., Matrosov I.I., Sedinkin D.O., Zaripov A.R. Raman spectra of nitrogen, carbon dioxide, and hydrogen in a methane environment // Opt. Spectrosc. 2018. V. 124, N 1. P. 8–12.
40. Petrov D.V. Raman spectrum of gaseous propane in methane // J. Appl. Spectrosc. 2018. V. 85, N 3. P. 369–373.
41. Petrov D.V., Matrosov I.I., Zaripov A.R. Raman spectra of n-butane, isobutane, n-pentane, and isopentane in a methane environment // Opt. Spectrosc. 2018. V. 125, N 1. P. 5–9.
42. Dąbrowski K.M., Kuczyński S., Barbacki J., Włodek T., Smulski R., Nagy S. Downhole measurements and determination of natural gas composition using Raman spectroscopy // J. Nat. Gas Sci. Eng. 2019. V. 65. P. 25–31.
43. Tanichev A.S., Petrov D.V. Simulation of n₂ Raman band of methane as a function of pressure // J. Raman Spectrosc. 2021. P. 1–10.
44. Таничев А.С., Петров Д.В., Матросов И.И., Шарыбкина К.К. Влияние гелия на спектр комбинационного рассеяния метана в диапазоне 2500–3300 см^-1 // Оптика атмосф. и океана. 2021. Т. 34, № 5. С. 329–333. DOI: 10.15372/AOO20210503; Tanichev A.S., Petrov D.V., Matrosov I.I., Sharybkina K.K. Effect of helium on the Raman spectrum of methane in the range 2500–3300 cm⁻¹ // Atmos. Ocean. Opt. 2021. V. 34, N 5. P. 395–399.
45. Pieroni D., Hartmann J.-M., Chaussard F., Michaut X., Gabard T., Saint-Loup R., Berger H., Champion J.-P. Experimental and theoretical study of line mixing in methane spectra. III. The Q branch of the Raman n₁ band // J. Chem. Phys. 2000. V. 112, N 3. P. 1335–1343.
46. Petrov D.V., Matrosov I.I., Zaripov A.R., Maznoy A.S. Application of Raman spectroscopy for determination of syngas composition // Appl. Spectrosc. 2020. V. 74, N 8. P. 948–953.
47. Petrov D.V. Features of measuring low CO concentrations in N₂-containing mixtures at different temperatures using spontaneous raman spectroscopy // Appl. Spectrosc. 2021. V. 75, N 1. P. 81–86.
48. Buldakov M.A., Cherepanov V.N., Korolev B.V., Matrosov I.I. Role of intramolecular interactions in Raman spectra of N₂ and O₂ molecules // J. Mol. Spectrosc. 2003. V. 217, N 1. P. 1–8.
49. Velez J.S.G., Muller A. Spontaneous Raman scattering at trace gas concentrations with a pressurized external multipass cavity // Meas. Sci. Technol. 2021. V. 32, N 4. P. 045501.
50. Petrov D.V., Matrosov I.I., Zaripov A.R. Determination of atmospheric carbon dioxide concentration using Raman spectroscopy // J. Mol. Spectrosc. 2018. V. 348. P. 137–141.
51. Kostenko M.A., Petrov D.V., Popova M.A., Tanichev A.S. Detection of methane in the air using a laser Raman spectrometer // Proc. SPIE. 2021. V. 12086. P. 1208621.