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光声光谱
阅读:344时间:2018-06-23 10:21:12

光声光谱技术是一种研究物质吸收光谱的新技术,已经成为分子光谱学的一个重要分支。作为现代生物医学领域研究的一种有力的分析工具,光声光谱技术克服了组织散射特性对测量结果的影响,为生物组织样品的研究提供了一种灵敏度高、样品可不经预处理的无损有效检测方法。

背景及概念

  光声光谱技术(PAS)是基于光声(PA)效应的一种光谱技术。早在1880年,Bell就通过通讯实验发现了光声效应并做了报道,但因理论与技术的限制此后半个多世纪光声效应的应用未能得到发展,直到激光的问世光声效应的应用才得以迅速发展。光声光谱技术作为光谱学的一个重要分支,与传统光谱学不同的是该技术探测的不是光与组织相互作用后的光信号而是声信号,从而克服了传统光谱法在样品分析中存在的诸多困难。
  传统的光谱法中,光散射、反射是最大的干扰,因为样品吸收光能量的大小是通过测量透射光的强度并从入射光强度中减去透射光强度所得的差额来确定的,而光与组织相互作用过程必然伴随着一定的反射、散射和其他的光损失,这将导致入射光强度的降低。此外,传统光谱法探测的是光与组织相互作用后的透射光信号,因此样品就必须具有一定的透光性。与之相比,光声光谱技术所检测的是因组织吸收光能而产生的超声信号,这种超声信号的强弱直接反映了物质吸收光能量的大小。从而避免了因样品中光的反射、散射等引起的信号干扰;同时,还可针对弱吸收样品适当增大入射光的辐照功率来提高信噪比。因此,它被广泛应用于各种试样检测,如透明的或不透明的固体、液体、气体、粉末、胶体、晶体或非晶体等,从本质上解决了传统光谱法对弱吸收、强散射、不透明等样品检测的难题。

原理

  光声效应
  放在密闭容器里的试样,当用经过斩波器调制的强度以一定频率周期变化的光照射时,容器内能产生同与斩波器频率的声波。这一现象称为光声效应。
  光声效应描述的是光与物质之间的相互作用,即当一束调制或脉冲激光照射到组织样品上时,
  位于组织体内的吸收体在吸收光能后出现局部热膨胀,从而产生超声波将光能转换成声能,形成外传超声波,这种超声波容易被置于组织体周围的超声探测器所接收。在入射激光波长不断改变的过程中,探测器所接收到的光声信号的强弱也将会随着吸收体的吸收谱发生对应的改变,从而获得相应的光声信号谱,原理如图1所示。这种光能转换成声能的能力,不仅取决于光子特性,而且也体现了被测物质的热学性质(导热性、热扩散率、比热等)及光谱学性质,因此,能够通过对光转换成声的能力大小的探测来确定物质的热学性质和光谱学性质。
  光声光谱
  当物质吸收光受到激发后,返回初始态可通过辐射跃迁或无辐射跃迁。前一过程产生荧光或磷光,后一过程则产生热。因为吸收光强呈周期性变化,容器内压力涨落也呈周期性。当试样是气体或液体时,其本身就是压力介质。由于调制光的频率一般位于声频范围内,所以这种压力涨落就成为声波,从而能被声敏元件所感知。声敏元件所感知的声波信号经同步放大得到的电信号为光信号。若将光声信号作为入射光频率的函数记录下来,就可获得光声光谱图。

光声光谱检测

  用一束强度可调制的单色光照射到密封于光声池中的样品上,样品吸收光能,并以释放热能的方式退激,释放的热能使样品和周围介质按光的调制频率产生周期性加热,从而导致介质产生周期性压力波动,这种压力波动可用灵敏的微音器或压电陶瓷传声器检测,并通过放大得到光声信号,这就是光声效应。若入射单色光波长可变,则可测到随波长而变的光声信号图谱,这就是光声光谱。若入射光是聚焦而成的细束光并按样品的x-y轴扫描方式移动,则能记录到光声信号随样品位置的变化,这就是光声成像技术。

仪器

  光声光谱的设备及其原理如图2所示。入射光为强度经过调制的单色光,光强度调制可用切光器。光声池是一封闭容器,内放样品和传声器。图中所示的是固体样品,样品周围充以不吸收光辐射的气体介质,如空气。若是液体或气体样品,则用样品充满光声池。传声器应很灵敏,对于气体样品,电容型驻极体传声器比较适宜,它配以电子检测系统可测10-6℃的温升或10-9焦/(厘米3·秒)的热量输入。对于液体和固体样品,最好采用与样品紧密接触的压电陶瓷检测器。 【注】因无法显示小标字,上文中“10-6℃”表示10的负6次方度;“10-9焦”表示10的负9次方焦尔;“厘米3”表示立方厘米。
  光声光谱检测的实验装置主要由四部分组成:激发光源、调制技术、光声池和声信号检测器。
  激发光源
  根据光源的种类一般可分为普通光源和激光光源两类。
  常用的普通光源有:钨丝灯、碳弧灯、高压氙灯、卤素灯和能斯特灯等,这一类光源的特点是波长可变范围宽、价格较便宜,但缺点是分辨率较低;
  常用激光光源包括:Ar离子激光器、He-Ne激光器、CO2激光器、半导体激光器和可调特染料激光器等,以及目前新发展的一种量子多级激光器,无论是哪种激光器它们都具备共同的优点:单色性好、脉冲峰值功率大、波谱范围宽等。在光声谱的实验中,无论普通光源还是激光光源作为激发光源,都必须满足实验对它们的共同要求:辐射光的脉冲频率一定要在声频(50~1200Hz)范围以内。
  调制技术
  一般情况下脉冲光源不需要特别调制即可直接使用,但在使用连续谱光源时,则需要对光束进行调制。光调制技术包括振幅调制和频率调制(或波长调制),其中振幅调制较为常用,其调制方法有机械斩波器、声-光调制和电-光调制。虽然振幅调制较为常用,但与之相比频率调制(或波长调制)能够消除由波长引起的如窗材料吸收等带来的背景干扰从而提高探测灵敏度,但该调制模式仅适用于窄线宽的吸收体。
  光声池
  光声池是光声光谱实验的核心部分,它的设计是否合理直接影响到探测信号的灵敏度大小。为了提高探测信号的灵敏度,光声池在设计上必须满足以下要求:
  光声池内声信号不受外界信号的干扰;
  最大限度地降低光声池内激光束与池壁、窗口及声信号探测器相互作用产生的干扰信号;
  探测器类型和灵敏度的选择要合理;
  最大化光声池内来自样品的声信号;
  按照待测样品的种类和实验的类型设置光声池。
  声信号检测器
  光声信号的准确检测是光声光谱实验的重要环节。用于样品声信号检测的仪器有很多种,如微音器、压电传感器、折射率传感器和温度传感器等,其中较为常用的是微音器和压电传感器。每种类型的信号检测器都有它的优缺点,例如:微音器虽然探测灵敏度较高但带宽有限,所以在光声谱实验中要根据具体样品的类型和所用激发光源的情况来选择较为合适的声信号检测器。

光声光谱应用

  由于光声光谱测量的是样品吸收光能的大小,因而反射光、散射光等对测量干扰很小,故光声光谱适于测量高散射样品、不透光样品、吸收光强与入射光强比值很小的弱吸收样品和低浓度样品等,而且样品无论是晶体、粉末、胶体等均可测量,这是普通光谱做不到的。光声效应与调制频率有关,改变调制频率可获得样品表面不同深度的信息,所以它是提供表面不同深度结构信息的无损探测方法。
  光声光谱学是光谱技术与量热技术结合的产物,是20世纪70年代初发展起来的检测物质和研究物质性能的新方法。光声技术在不断发展,已出现适用于气体分析的二氧化碳激光光源红外光声光谱仪,适用于固体和液体分析的氙灯紫外-可见光声光谱仪,以及傅里叶变换光声光谱仪。光热偏转光谱法、光声拉曼光谱法、光声显微镜、激光热透镜法及热波成像技术都在迅速发展。光声光谱技术在物理、化学、生物学、医学、地质学、材料科学、智能电网中变压器在线监测等方面得到广泛应用。

国内外研究现状

  1880年A.G.贝尔发现固体的光声效应,1881年他又和J.廷德尔和W.K.伦琴相继发现气体和液体的光声效应。他们将气体密封于池子里,用阳光间断照射池中样品,通过接到池上的一个听筒听到了某种声响。
  20世纪60年代以后,由于微信号检测技术的发展,高灵敏微音器和压电陶瓷传声器的出现,强光源(激光器、氙灯等)的问世,光声效应及其应用的研究又重新活跃起来。对大量固体和半导体的光声研究发现,光声光谱是一种很有前途的新技术。
  光声技术在不断发展,二氧化碳激光光源红外光声光谱仪适用于气体分析;氙灯紫外-可见光声光谱仪适用于固体和液体的分析;傅里叶变换光声光谱仪能对样品提供丰富的结构信息。光热偏转光谱法、光声喇曼光谱法、光声显微镜、激光热透镜法及热波成像技术都在迅速发展。

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