光聲光譜技�(shù)是一種研究物�(zhì)吸收光譜的新技�(shù),已�(jīng)成為分子光譜�(xué)的一個重要分�。作為現(xiàn)代生物醫(yī)�(xué)�(lǐng)域研究的一種有力的分析工具,光聲光譜技�(shù)克服了組織散射特性對測量�(jié)果的影響,為生物組織樣品的研究提供了一種靈敏度�、樣品可不經(jīng)�(yù)處理的無損有效檢測方��
光聲光譜技�(shù)(PAS)是基于光聲(PA)效�(yīng)的一種光譜技�(shù)。早�1880�,Bell就通過通訊實驗�(fā)�(xiàn)了光聲效�(yīng)并做了報道,但因理論與技�(shù)的限制此后半個多世紀光聲效應(yīng)的應(yīng)用未能得到發(fā)�,直到激光的問世光聲效應(yīng)的應(yīng)用才得以迅速發(fā)展。光聲光譜技�(shù)作為光譜�(xué)的一個重要分�,與傳統(tǒng)光譜�(xué)不同的是該技�(shù)探測的不是光與組織相互作用后的光信號而是聲信�,從而克服了傳統(tǒng)光譜法在樣品分析中存在的諸多困難�
傳統(tǒng)的光譜法�,光散射、反射是的干�,因為樣品吸收光能量的大小是通過測量透射光的強度并從入射光強度中減去透射光強度所得的差額來確定的,而光與組織相互作用過程必然伴隨著一定的反射、散射和其他的光損失,這將�(dǎo)致入射光強度的降�。此�,傳�(tǒng)光譜法探測的是光與組織相互作用后的透射光信�,因此樣品就必須具有一定的透光�。與之相�,光聲光譜技�(shù)所檢測的是因組織吸收光能而產(chǎn)生的超聲信號,這種超聲信號的強弱直接反映了物質(zhì)吸收光能量的大小。從而避免了因樣品中光的反射、散射等引起的信號干�;同�,還可針對弱吸收樣品適當(dāng)增大入射光的輻照功率來提高信噪比。因�,它被廣泛應(yīng)用于各種試樣檢測,如透明的或不透明的固�、液�、氣體、粉�、膠�、晶體或非晶體等,從本質(zhì)上解決了傳統(tǒng)光譜法對弱吸收、強散射、不透明等樣品檢測的難題�
光聲效應(yīng)
放在密閉容器里的試樣,當(dāng)用經(jīng)過斬波器�(diào)制的強度以一定頻率周期變化的光照射時,容器內(nèi)能產(chǎn)生同與斬波器頻率的聲泀這一�(xiàn)象稱為光聲效�(yīng)�
光聲效應(yīng)描述的是光與物質(zhì)之間的相互作�,即�(dāng)一束調(diào)制或脈沖激光照射到組織樣品上時�
位于組織體內(nèi)的吸收體在吸收光能后出現(xiàn)局部熱膨脹,從而產(chǎn)生超聲波將光能轉(zhuǎn)換成聲能,形成外傳超聲波,這種超聲波容易被置于組織體周圍的超聲探測器所接收。在入射激光波長不斷改變的過程�,探測器所接收到的光聲信號的強弱也將會隨著吸收體的吸收譜發(fā)生對�(yīng)的改�,從而獲得相�(yīng)的光聲信號譜,原理如�1所�。這種光能�(zhuǎn)換成聲能的能�,不僅取決于光子特�,而且也體�(xiàn)了被測物�(zhì)的熱�(xué)性質(zhì)(導(dǎo)熱�、熱擴散�、比熱等)及光譜�(xué)性質(zhì),因�,能夠通過對光�(zhuǎn)換成聲的能力大小的探測來確定物質(zhì)的熱�(xué)性質(zhì)和光譜學(xué)性質(zhì)�
光聲光譜
�(dāng)物質(zhì)吸收光受到激�(fā)�,返回初始態(tài)可通過輻射躍遷或無輻射躍遷。前一過程�(chǎn)生熒光或磷光,后一過程則產(chǎn)生熱。因為吸收光強呈周期性變�,容器內(nèi)壓力漲落也呈周期�。當(dāng)試樣是氣體或液體�,其本身就是壓力介質(zhì)。由于調(diào)制光的頻率一般位于聲頻范圍內(nèi),所以這種壓力漲落就成為聲波,從而能被聲敏元件所感知。聲敏元件所感知的聲波信號經(jīng)同步放大得到的電信號為光信號。若將光聲信號作為入射光頻率的函�(shù)記錄下來,就可獲得光聲光譜圖�
用一束強度可�(diào)制的單色光照射到密封于光聲池中的樣品�,樣品吸收光�,并以釋放熱能的方式退激,釋放的熱能使樣品和周圍介質(zhì)按光的調(diào)制頻率產(chǎn)生周期性加�,從而導(dǎo)致介�(zhì)�(chǎn)生周期性壓力波�,這種壓力波動可用靈敏的微音器或壓電陶瓷傳聲器檢測,并通過放大得到光聲信號,這就是光聲效�(yīng)。若入射單色光波長可�,則可測到隨波長而變的光聲信號圖�,這就是光聲光�。若入射光是聚焦而成的細束光并按樣品的x-y軸掃描方式移�,則能記錄到光聲信號隨樣品位置的變化,這就是光聲成像技�(shù)�
光聲光譜的設(shè)備及其原理如�2所示。入射光為強度經(jīng)過調(diào)制的單色�,光強度�(diào)制可用切光器。光聲池是一封閉容器,內(nèi)放樣品和傳聲�。圖中所示的是固體樣品,樣品周圍充以不吸收光輻射的氣體介�(zhì),如空氣。若是液體或氣體樣品,則用樣品充滿光聲池。傳聲器�(yīng)很靈�,對于氣體樣�,電容型駐極體傳聲器比較適宜,它配以電子檢測系統(tǒng)可測10-6℃的溫升�10-9�/(厘�3·秒)的熱量輸�。對于液體和固體樣品,采用與樣品緊密接觸的壓電陶瓷檢測器?! 咀ⅰ恳驘o法顯示小標字,上文中�10-6℃”表�10的負6次方�;�10-9焦”表�10的負9次方焦爾;“厘�3”表示立方厘米�
光聲光譜檢測的實驗裝置主要由四部分組成:激�(fā)光源、調(diào)制技�(shù)、光聲池和聲信號檢測器�
激�(fā)光源
根據(jù)光源的種類一般可分為普通光源和激光光源兩��
常用的普通光源有:鎢絲燈、碳弧燈、高壓氙燈、鹵�?zé)艉湍芩固�(zé)�?,這一類光源的特點是波長可變范圍寬、價格較便宜,但缺點是分辨率較低�
常用激光光源包括:Ar離子激光器、He-Ne激光器、CO2激光器、半�(dǎo)體激光器和可�(diào)特染料激光器�,以及目前新�(fā)展的一種量子多級激光器,無論是哪種激光器它們都具備共同的優(yōu)點:單色性好、脈沖峰值功率大、波譜范圍寬�。在光聲譜的實驗�,無論普通光源還是激光光源作為激�(fā)光源,都必須滿足實驗對它們的共同要求:輻射光的脈沖頻率一定要在聲頻(50~1200Hz)范圍以�(nèi)�
�(diào)制技�(shù)
一般情況下脈沖光源不需要特別調(diào)制即可直接使�,但在使用連續(xù)譜光源時,則需要對光束進行�(diào)制。光�(diào)制技�(shù)包括振幅�(diào)制和頻率�(diào)制(或波長調(diào)制),其中振幅調(diào)制較為常�,其�(diào)制方法有機械斬波�、聲-光�(diào)制和電-光調(diào)�。雖然振幅調(diào)制較為常用,但與之相比頻率調(diào)制(或波長調(diào)制)能夠消除由波長引起的如窗材料吸收等帶來的背景干擾從而提高探測靈敏度,但該調(diào)制模式僅適用于窄線寬的吸收體�
光聲�
光聲池是光聲光譜實驗的核心部�,它的設(shè)計是否合理直接影響到探測信號的靈敏度大小。為了提高探測信號的靈敏�,光聲池在設(shè)計上必須滿足以下要求�
光聲池內(nèi)聲信號不受外界信號的干擾�
限度地降低光聲池�(nèi)激光束與池�、窗口及聲信號探測器相互作用�(chǎn)生的干擾信號�
探測器類型和靈敏度的選擇要合��
化光聲池�(nèi)來自樣品的聲信號�
按照待測樣品的種類和實驗的類型設(shè)置光聲池�
聲信號檢測器
光聲信號的準確檢測是光聲光譜實驗的重要環(huán)節(jié)。用于樣品聲信號檢測的儀器有很多種,如微音器、壓電傳感器、折射率傳感器和溫度傳感器等,其中較為常用的是微音器和壓電傳感器。每種類型的信號檢測器都有它的優(yōu)缺點,例如:微音器雖然探測靈敏度較高但帶寬有�,所以在光聲譜實驗中要根�(jù)具體樣品的類型和所用激�(fā)光源的情況來選擇較為合適的聲信號檢測��
由于光聲光譜測量的是樣品吸收光能的大小,因而反射光、散射光等對測量干擾很小,故光聲光譜適于測量高散射樣�、不透光樣品、吸收光強與入射光強比值很小的弱吸收樣品和低濃度樣品等,而且樣品無論是晶�、粉�、膠體等均可測量,這是普通光譜做不到�。光聲效�(yīng)與調(diào)制頻率有�(guān),改變調(diào)制頻率可獲得樣品表面不同深度的信�,所以它是提供表面不同深度結(jié)�(gòu)信息的無損探測方��
光聲光譜�(xué)是光譜技�(shù)與量熱技�(shù)�(jié)合的�(chǎn)物,�20世紀70年代初發(fā)展起來的檢測物質(zhì)和研究物�(zhì)性能的新方法。光聲技�(shù)在不斷發(fā)�,已出現(xiàn)適用于氣體分析的二氧化碳激光光源紅外光聲光譜儀,適用于固體和液體分析的氙燈紫外-可見光聲光譜儀,以及傅里葉變換光聲光譜儀。光熱偏�(zhuǎn)光譜�、光聲拉曼光譜法、光聲顯微鏡、激光熱透鏡法及熱波成像技�(shù)都在迅速發(fā)�。光聲光譜技�(shù)在物�、化�(xué)、生物學(xué)、醫(yī)�(xué)、地�(zhì)�(xué)、材料科�(xué)、智能電�(wǎng)中變壓器在線�(jiān)測等方面得到廣泛�(yīng)��
1880年A.G.貝爾�(fā)�(xiàn)固體的光聲效�(yīng)�1881年他又和J.廷德爾和W.K.倫琴相繼�(fā)�(xiàn)氣體和液體的光聲效應(yīng)。他們將氣體密封于池子里,用陽光間斷照射池中樣品,通過接到池上的一個聽筒聽到了某種聲響�
20世紀60年代以后,由于微信號檢測技�(shù)的發(fā)�,高靈敏微音器和壓電陶瓷傳聲器的出�(xiàn),強光源(激光器、氙燈等)的問世,光聲效�(yīng)及其�(yīng)用的研究又重新活躍起�。對大量固體和半�(dǎo)體的光聲研究�(fā)�(xiàn),光聲光譜是一種很有前途的新技�(shù)�
光聲技�(shù)在不斷發(fā)�,二氧化碳激光光源紅外光聲光譜儀適用于氣體分�;氙燈紫外-可見光聲光譜儀適用于固體和液體的分�;傅里葉變換光聲光譜儀能對樣品提供豐富的結(jié)�(gòu)信息。光熱偏�(zhuǎn)光譜�、光聲喇曼光譜法、光聲顯微鏡、激光熱透鏡法及熱波成像技�(shù)都在迅速發(fā)展�
維庫電子�,電子知識,一查百��
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