Editorial Feature

使用拉曼光谱进行深海勘测和探测

数百米的水下可能看起来不像拉曼光谱仪的自然栖息地,但最近的工作表明,这种方法的卓越分析能力可以在那里使用。1  

光芒照耀在水下洞穴

图片来源:dividedog/Shutterstock.com

通过使用钛压力容器作为外壳,该团队能够在水下记录一千米深的拉曼光谱。他们的结果为拉曼光谱在深海勘测和探测中的新兴趋势做出了贡献。

什么是拉曼光谱?

拉曼光谱已经是用于原位和离线分析的化学鉴定和定量的主力技术。它对分子中化学键振荡频率的敏感性使拉曼光谱非常适合定量和定性分析。

单个化学键振荡的频率取决于原子的质量和它们之间键的强度,受局部化学环境的影响。因此,键频率提供了可用于识别的分子的独特指纹。

拉曼实验中记录的信号来自散射过程。用光源(通常是激光)照射样品以获得高光强度。一些入射光子将被样品非弹性散射,导致相对于入射光子的能量差异,称为拉曼位移。它的大小与分析物中特定振动模式的能量成正比。

拉曼光谱广泛应用于多个行业,用于分析生物分子、材料和化学品。2 它的多功能性和检索定量和定性信息的能力使其成为一种非常流行的技术。光谱仪和光源性能的改进意味着拉曼采样时间可以足够短以进行在线过程分析。

深海研究

现代拉曼仪器的坚固性意味着它们已经到过火星和海洋最深处这样充满异国情调的地方。3,4  在这里,它已被用于探索甲烷和溶解的硫化物浓度等现象,以及对太不稳定而无法带到地表进行采样的天然气水合物的原位分析。4

这些仪器面临的挑战是需要设计出能够承受高压等环境条件的探头,同时还面临着激光聚焦和从仪器本体远距离有效收集信号的光学挑战。

Liu . (2021) 描述了对该技术的一些关键改进,包括创建一种更紧凑的船只,可以部署在完全远程操作的车辆上。该研究发表在该杂志上 传感器 7 月 27 日th 2021.

通过仔细优化设置的光学特性,该团队能够实现 0.7 nmolL 的检测限-1.尽管与基于实验室的拉曼设置的灵敏度相比,这是一个较低的值,但它的值对于进行测量的具有挑战性的环境条件来说非常出色。

深海拉曼的设计改进

实现良好检测限的关键设计特征之一是使用单胶囊结构,而不是深海拉曼仪器中更常见的多胶囊设计。

多胶囊设计用于尝试平衡仪器的易用性与承受高压操作条件所需的固有体积。然而,这种策略需要额外的光纤耦合和腔室之间的激光束准直,这会带来更多的损失。

单个腔室可以使用反射镜进行光束控制,其传输效率明显优于光纤。有了这个,该团队能够将仪器内的光损耗降低到 9%。

拉曼光谱的一个难点是光激发波长的选择。拉曼效应随着激发波长的增加而降低到 4 次方,因此需要较短的波长来实现更高的信号水平。然而,由于许多分子在较短波长下激发时会发出荧光,因此转向紫外激发通常会导致足够大的荧光背景;结果,任何拉曼信号都被遮蔽了。 

该团队发现,对于在海水中运行,532 nm 代表了最佳折衷方案。海水在更长的波长下会带来其自身的传输挑战,并且诸如热液和冷渗流材料之类的样品不会显示出明显的荧光。 

水下管道

图片来源:Vismar UK/Shutterstock.com

行业的未来

更轻、更灵敏的水下拉曼光谱设计为该行业开辟了许多令人兴奋的应用。遥控车辆已经用于海洋科学研究和管道维护的许多方面,因为将载人飞船送入这些条件是不可行的。5

检测多种化学物质的能力将使深海拉曼成为一种有吸引力的应用选择,例如检查天然气管道泄漏或调查深海采矿感兴趣的区域。

通过创建更小、更易于管理的工具,一些限制已经被克服。为石油和天然气行业释放该技术全部潜力的关键未来发展将是进一步提高其灵敏度并降低仪器成本。

参考资料和进一步阅读

Liu, Q., Guo, J., Ye, W., Cheng, K., Qi, F., Zheng, R., Sun, Z., & Zhang, X. (2021)操作水下拉曼系统进行深海冷渗和热液喷口原位检测。 传感器, 21(15), 5090。 //doi.org/10.3390/s21155090

Rostron, P.、Gaber, S. 和 Gaber, D.,(2016 年)拉曼光谱,评论。 国际工程技术研究杂志 (IJETR), 6(1), pp.50 - 64。 可在: //www.erpublication.org/published_paper/IJETR042430.pdf.

Kirkwood, W. J., Walz, P. M., Peltzer, E. T., & Brewer, P. G. (2012) 深海拉曼光谱学进展综述。 应用光谱学, 66(3), 237–249。可在: //doi.org/10.1366/11-06539

Mars.nasa.gov. (2021) 使用拉曼和发光扫描有机物和化学品 (SHERLOC) 的宜居环境. [在线] 可在: //mars.nasa.gov/mars2020/spacecraft/instruments/sherloc/ 

Macreadie, P. I., . (2018) 海洋之眼:使用工业遥控车辆 (ROV) 解开海洋的奥秘。 总体环境科学, 634, 1077–1091。 //doi.org/10.1016/j.scitotenv.2018.04.049

Kirkwood, William J. (2016) 深海激光拉曼 – 原位化学分析和应用的过去、现在和未来发展。提交的论文 亚洲离岸技术会议, 吉隆坡,马来西亚。可在: //doi.org/10.4043/26505-MS

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丽贝卡·英格尔,博士

撰稿人

丽贝卡·英格尔,博士

Rebecca Ingle 博士是超快光谱学领域的研究员,她擅长使用 X 射线和光谱学来精确跟踪光触发化学反应过程中发生的情况。

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    英格尔,丽贝卡。 2021。 使用拉曼光谱进行深海勘测和探测. AZoOptics, viewed 03 September 2021, //www.selec-iat.com/Article.aspx?ArticleID=1989.

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