发布日期：2025-07-04 17:19:39 在现代工业的核心领域——石化精炼、清洁能源生产、环境精细监控乃至前沿新材料研发中，对流程气体或排放气体进行即时、同步、高可信度的多组分浓度分析，是保障生产过程安全平稳、提升工艺效能、实现达标排放的核心支撑点。
然而，现实挑战重重：复杂的混合气体中各组分间光谱特征的相互遮蔽（干扰）、环境条件（尤其是无处不在的水汽干扰）的显著影响、检测过程对操作便捷性与响应速度的苛刻要求、以及在严苛工业现场实现稳定可靠测量的难度，构成了横亘在工程师与分析人员面前的技术难题。面对拉曼气体分析仪与红外光谱仪这两大主流技术路线，如何精准抉择？
核心原理：特征吸收识别分子
红外光谱技术的根基在于：当特定波长的红外光穿过气体样本时，不同结构的分子会选择性地吸收与其自身振动-转动能级跃迁相匹配的特定频率能量。检测光束穿过气体后的能量衰减（特定波长光的吸收程度），即可对应解析出该气体的种类及其浓度水平（朗伯-比尔定律）。
优势体现：特定灵敏度与应用成熟度
技术成熟稳定：该技术发展历史悠久，理论基础深厚，工程应用广泛，具备高度的可靠性。
特定气体高灵敏度：对于在红外波段具有强吸收特征的气体（如CO、CO₂、CH₄、多种碳氢化合物），尤其在中红外区域，红外光谱技术能实现极低浓度（ppm甚至ppb级）的卓越检出能力。
成本选择多样：基于不同原理（NDIR非分光红外，FTIR傅里叶变换红外）的产品线丰富，能满足从经济型常规监测到高端精密分析的不同投入预算需求。
局限与挑战：干扰与复杂性不容忽视
水汽与CO₂强干扰源：大气及工业气体中普遍存在的大量水蒸气(H₂O)和二氧化碳(CO₂)，在宽泛的红外波段展现出极强的吸收特性，极易对目标气体的特征吸收峰形成遮盖效应，大幅降低测量精度，甚至导致误判。
样品处理要求（NDIR）：经济型NDIR仪器通常需要配备预处理单元（如冷凝除湿器、精密过滤器等），对气体样本进行干燥、净化处理后方可引入分析池，增加了系统复杂度与维护工作量。
多组分交叉干扰难题（FTIR）：虽然高端FTIR技术理论上能同时分析多种气体，但当混合气体组分复杂时，各组分吸收光谱的严重重叠会带来显著的光谱混淆干扰（交叉干扰），依赖复杂的化学计量学算法（如PLS）进行解谱，模型建立、维护及验证成本高昂，且精度易受背景波动影响。
核心原理：散射光谱揭示分子指纹
拉曼光谱技术基于截然不同的物理现象：当高强度的单色激光照射到气体分子时，绝大部分光子发生弹性碰撞（瑞利散射），但有极微小部分（约千万分之一）的光子会与分子发生非弹性碰撞，产生与入射光频率存在微小偏移（位移）的拉曼散射光。
这个频率位移量（拉曼位移，单位cm⁻¹）是分子自身振动模式的独特“指纹”，与激发光源频率无关，因此可直接对应分子的种类。检测拉曼散射光的强度即可推算对应气体的浓度。
优势亮点：多组分、抗干扰与便捷性
卓越的多组分同时检测能力：单次激光激发即可获得样品中几乎所有组分（同元素同核分子如N₂/O₂除外）的拉曼特征谱线。光谱重叠干扰远低于红外吸收光谱，尤其对于结构相近的同分异构体，拉曼光谱往往具有更佳的区分度，数据处理模型相对简化。
出色抗水汽干扰性能：(关键优势) 水分子(H₂O)的拉曼散射信号相对较弱，且其强干扰区（如O-H伸缩振动）主要集中在中红外吸收区。因此在拉曼光谱检测中，水汽对绝大多数目标气体（尤其是关注度高的碳氢化合物、CO₂、H₂S、O₂、H₂等）的干扰极其微弱，非常适合于高湿气体环境（如发酵尾气、烟气脱硫后监测、化工潮湿工艺气）的直接在线分析。
真正的非接触免前处理：激光可通过视窗直接照射在流通的工艺管道或开放空间的气体上（原位或旁路安装），无需对气体进行抽提、干燥、过滤等复杂预处理，实现真正的实时、在线、无损测量，响应速度极快（秒级），系统可靠性显著提升，维护量大幅降低。
局限与考量：灵敏度、安全与成本
相对灵敏度挑战（某些气体）：拉曼散射本身是极其微弱的光学现象。对于拉曼散射截面极小的气体分子（如某些同核双原子分子N₂、O₂、H₂，或某些对称性极高的分子CH₄），或在要求极低检测限（如ppb级痕量气体）的应用中，其灵敏度可能低于特定波段优化的红外技术。
不过，近年来得益于高功率稳定激光器、超低噪声探测器（如深制冷CCD/EMCCD）、高效光学收集系统及先进算法的持续突破，拉曼技术的检测下限正在快速提升。
激光安全防护要求：仪器使用的激光器功率较高，必须严格遵守人眼安全规范（Class 1 或 Class 3B等），在安装、调试、维护时需严格遵循操作规程，配备必要的安全联锁和警示标识。
初期投入成本：高核心元器件（激光器、高性能光谱仪、探测器）使得设备初始购置价格通常高于普通NDIR仪表，与高端FTIR接近或略高。但需综合考量其在降低预处理成本、减少维护量、提升运行效率和可靠性方面的长期价值。
精准度绝非单一参数，需在具体应用场景下综合评估多个关键维度：
1. 抗环境干扰能力（尤指水汽）：
拉曼：显著优势。 如前所述，其对水蒸气干扰的天然“免疫力”是其最突出的核心优势之一，特别适合高湿度、存在大量水蒸气背景的复杂工业气体环境。
红外：存在明显短板。 水汽和CO₂是红外技术的“天敌”，其强吸收带覆盖范围广，极易掩蔽目标气体信号。即使采用预处理除湿，也面临水汽残留、目标气体损失或组分改变的风险，且增加了系统故障点。FTIR虽有数学校正手段，但模型稳健性在高湿、组分多变场景下面临挑战。
2. 多组分同时检测的简便性与可靠性：
拉曼：天然优势。 “一张光谱图看清多数组分”。单次激发采集即可获得样品中大部分气体的特征谱峰，光谱重叠干扰相对较小且易于解耦，数据处理模型相对简单可靠，特别适合组分复杂、组分可能变化的未知或半未知混合气体分析。
红外：NDIR：本质上是单组分（或有限几个组分，需多通道）检测技术，扩展多组分能力需叠加硬件，系统复杂度和成本飙升。FTIR：具备理论上的多组分能力，但在实际复杂混合气体分析中，严重的光谱重叠使得解谱高度依赖复杂的多元校正模型（如PLS, PCR）。模型建立需大量代表性标样，维护困难，且模型在气体背景或组分发生变动时，预测精度可能显著下降，维护成本高。
3. 对特定目标组分的检测灵敏度（下限）：
红外：可能具备优势（特定情况）。 对于在红外波段有强吸收特征的气体（如CO、CO₂、甲烷），尤其是采用窄带滤波NDIR或高分辨率FTIR进行优化检测时，通常能实现更低的检测下限（可达ppm甚至ppb级）。这是红外在环境痕量气体监测、安全报警等场景的传统优势。
拉曼：持续进步，场景依赖性强。 整体上，拉曼对多数气体的绝对检出限通常不如优化后的红外技术低。但其优势在于：在同一设备、同一次测量中，对所有可测气体提供均衡的灵敏度（无需为不同气体配置不同模块）。对于拉曼信号强的气体（如苯系物、环状化合物、硫化物H₂S/SO₂等），其灵敏度媲美甚至优于红外。随着硬件和算法进步，其检出限正在不断突破。
4. 校准复杂性与长期稳定性：
两者均需校准：定期校准是所有定量分析仪器的必备要求。
拉曼背景干扰相对较小：拉曼光谱的谱峰通常尖锐且特征性强，仪器本底（如光学元件）产生的拉曼背景信号相对固定且可有效扣除（如使用空白背景校正）。环境光干扰可通过时间分辨或空间滤波抑制。这有助于提高校准模型的长期稳定性和抗环境波动能力。
红外背景影响显著：红外光谱吸收峰较宽，仪器内部的光学元件（尤其在FTIR中）、视窗污染、残留水汽变化、甚至环境温度波动都会显著改变背景吸收基线，对校准稳定性和长期精度带来挑战，需要更频繁的背景扫描和基线校正。
5. 典型应用场景适应性：
拉曼气体分析仪更适用的场景：
气体组分非常复杂，需要同时监测多种（>5种甚至数十种）成分。
气体环境湿度极高（如湿法脱硫后烟气、生物发酵尾气、潮湿化学反应过程气）。
需要真正的非接触、原位或旁路在线监测，避免采样失真或追求超快响应。
工艺气体组分可能发生变化或存在未知杂质。
希望最大限度减少预处理系统，降低维护量和故障率。
关注特定拉曼强信号气体（如H₂, O₂, H₂S, SO₂, 苯、甲苯、环己烷等）。
红外光谱仪（IR）更适用的场景：
待测气体组分相对固定且简单（<5种），重点关注的红外吸收特征气体明确。
气体环境非常干燥或能确保高效稳定的预处理除湿。
对特定气体（如CO, CO₂, CH₄）的超低检测限（ppb级）有极致要求。
预算受限，且满足于经济型NDIR方案（针对少数特定气体）。
已有成熟的FTIR系统和稳定的化学计量学模型支持。
结论：精准决策，匹配场景是关键
红外光谱仪（IR）与拉曼气体分析仪是工业气体多组分检测领域的两大支柱技术，各有鲜明的技术特色和优势领域。不存在绝对最优的“万能”技术，精准选择的核心在于与应用场景需求的高度匹配：
概括核心差异：红外（IR）在特定气体的超低浓度检测（尤其干燥环境）上积淀深厚；拉曼则在多组分同步检测能力、卓越的抗水汽干扰特性、以及真正的非接触免前处理操作模式上展现出革命性的优势，特别适应现代工业对高效率、高可靠性和复杂环境适应性的严苛要求。
选择建议：
1. 详析气体组分与浓度：明确必须检测的所有气体种类及其预期的浓度范围（特别是最低检测限要求）。组分复杂多变？拉曼占优。仅需测几种特定低浓度气体且环境可控？红外可能是高效方案。
2. 评估环境条件（尤重湿度）：工艺气体湿度是否是常态或关键挑战？高湿环境是拉曼技术最能凸显其抗干扰优势的主战场，可显著简化系统、提升可靠性。
3. 明确操作与维护需求：是否要求原位/旁路安装实现真实无损测量？能否接受复杂的预处理系统及其带来的维护成本和潜在故障点？追求免维护或低维护？拉曼的非接触特性是其巨大价值所在。
4. 权衡预算与长期价值：综合考虑设备的初始购置成本、安装调试费用、长期的维护保养成本（耗材、人力、停工损失）以及因提升检测效率、保障生产安全、优化工艺控制带来的潜在收益。
5. 强调拉曼的核心适用场景：当您的应用面临多组分、高湿度、要求非接触免维护在线监测的挑战时，拉曼气体分析仪凭借其独特的工作原理和技术特点，往往是提供高精准度、高可靠性、高性价比整体解决方案的更优选择。
鉴知技术简介：
北京鉴知技术有限公司是一家以光谱检测技术为核心的专业公司。基于高灵敏度拉曼光谱技术及智能定量算法，开发了在线气体分析仪和在线拉曼分析仪，已在精细化工，生物制药，钢铁冶金等行业的工艺在线监测中大量使用，为用户显著提升工艺效率和产能。
常见问题：
1. 问：拉曼气体分析仪能测氧气(O₂)、氮气(N₂)和氢气(H₂)吗？红外可以吗？
答：能测。这是拉曼的核心优势之一！拉曼对O₂、N₂（尤其是H₂，其拉曼信号很强）检测效果良好。而红外（IR）技术对同核双原子分子O₂、N₂、H₂几乎没有吸收信号，常规红外光谱仪无法直接检测它们。
2. 问：都说拉曼灵敏度不如红外，那它适合做痕量气体（ppb级）分析吗？
答：需具体分析。传统认知有一定道理，尤其在检测某些红外强吸收气体（如CO）的ppb级浓度时，优化红外可能更优。但拉曼技术正飞速进步：高功率激光器、超灵敏探测器和先进算法已大幅提升其下限。对于拉曼强信号气体（如H₂S、苯系物），其灵敏度已非常出色。是否适用取决于具体气体种类和要求的检出限。
3. 问：拉曼分析仪用的激光安全吗？工业现场如何防护？
答：安全是首要前提！工业级仪器严格遵循国际激光安全标准（如IEC 60825）。常见防护措施：设备配备安全联锁（开盖即停光）、清晰警示标识、激光路径完全封闭或确保工作区域安全隔离（如采用防护外壳、专用管道视窗）。操作维护需培训并遵守规程。
4. 问：拉曼气体分析仪需要多久校准一次？校准复杂吗？
答：校准周期取决于应用需求和稳定性。通常初始安装需多点校准。日常可使用标气进行单点或跨度检查验证漂移。高级仪器具备自动校准/验证功能。相比受背景影响较大的红外FTIR（常需频繁背景扫描），拉曼背景相对稳定，长期校准稳定性通常更好。
5. 问：在存在大量水蒸气的化工尾气监测中，哪种技术更可靠？
答：拉曼技术通常是最可靠的选择！ 其核心优势就在于对水汽干扰的天然不敏感性。它可以直接、准确地分析高湿气体中的多种组分（如CO₂、H₂S、SO₂、NH₃及各类VOCs），无需复杂除湿预处理，避免了除湿过程带来的样品失真、组分损失、响应延迟和维护负担。红外（尤其NDIR）在此类场景中会因水汽强干扰而严重失准。
本文总结：
工业气体多组分精准检测是保障安全生产、提质增效的核心环节。面对复杂的组分干扰与环境挑战（尤其是高湿度），红外光谱仪（IR）与拉曼气体分析仪展现出不同的技术特性。红外在特定气体（如CO, CH₄）超低浓度干燥环境检测中优势显著；而拉曼凭借其强大的多组分同步检测能力、卓越的抗水汽干扰性能、非接触免前处理带来的高可靠性与低维护成本，在复杂、潮湿、多变的现代工业气体分析场景中展现出日益凸显的竞争优势。
