光聲光譜技術(shù)是一種研究物質(zhì)吸收光譜的新技術(shù)，已經(jīng)成為分子光譜學(xué)的一個重要分支。作為現(xiàn)代生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域研究的一種有力的分析工具，光聲光譜技術(shù)克服了組織散射特性對測量結(jié)果的影響，為生物組織樣品的研究提供了一種靈敏度高、樣品可不經(jīng)預(yù)處理的無損有效檢測方法。
背景及概念
光聲光譜技術(shù)（PAS）是基于光聲（PA）效應(yīng)的一種光譜技術(shù)。早在1880年，Bell就通過通訊實驗發(fā)現(xiàn)了光聲效應(yīng)并做了報道，但因理論與技術(shù)的限制此后半個多世紀(jì)光聲效應(yīng)的應(yīng)用未能得到發(fā)展，直到激光的問世光聲效應(yīng)的應(yīng)用才得以迅速發(fā)展。光聲光譜技術(shù)作為光譜學(xué)的一個重要分支，與傳統(tǒng)光譜學(xué)不同的是該技術(shù)探測的不是光與組織相互作用后的光信號而是聲信號，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)的光譜法中，光散射、反射是最大的干擾，因為樣品吸收光能量的大小是通過測量透射光的強(qiáng)度并從入射光強(qiáng)度中減去透射光強(qiáng)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，這將導(dǎo)致入射光強(qiáng)度的降低。此外，傳統(tǒng)光譜法探測的是光與組織相互作用后的透射光信號，因此樣品就必須具有一定的透光性。與之相比，光聲光譜技術(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(qiáng)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擾；同時，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。因此，它被廣泛應(yīng)用于各種試樣檢測，如透明的或不透明的固體、液體、氣體、粉末、膠體、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(qiáng)散射、不透明等樣品檢測的難題。
原理
光聲效應(yīng)
放在密閉容器里的試樣，當(dāng)用經(jīng)過斬波器調(diào)制的強(qiáng)度以一定頻率周期變化的光照射時，容器內(nèi)能產(chǎn)生與斬波器頻率相同的聲波。這一現(xiàn)象稱為光聲效應(yīng)。
光聲效應(yīng)描述的是光與物質(zhì)之間的相互作用，即 當(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中，探測器所接收到的光聲信號的強(qiáng)弱也將會隨著吸收體的吸收譜發(fā)生對應(yīng)的改變，從而獲得相應(yīng)的光聲信號譜，原理如圖1所示。這種光能轉(zhuǎn)換成聲能的能 力，不僅取決于光子特性，而且也體現(xiàn)了被測物質(zhì)的熱學(xué)性質(zhì)（導(dǎo)熱性、熱擴(kuò)散率、比熱等）及光譜學(xué)性質(zhì)，因此，能夠通過對光轉(zhuǎn)換成聲的能力大小的探測來確定物質(zhì)的熱學(xué)性質(zhì)和光譜學(xué)性質(zhì)。
光聲光譜
當(dāng)物質(zhì)吸收光受到激發(fā)后，返回初始態(tài)可通過輻射躍遷或無輻射躍遷。前一過程產(chǎn)生熒光或磷光，后一過程則產(chǎn)生熱。因為吸收光強(qiáng)呈周期性變化，容器內(nèi)壓力漲落也呈周期性。當(dāng)試樣是氣體或液體時，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數(shù)記錄下來，就可獲得光聲光譜圖。
光聲光譜檢測
用一束強(qiáng)度可調(diào)制的單色光照射到密封于光聲池中的樣品上，樣品吸收光能，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)生周期性加熱，從而導(dǎo)致介質(zhì)產(chǎn)生周期性壓力波動，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，這就是光聲效應(yīng)。若入射單色光波長可變，則可測到隨波長而變的光聲信號圖譜，這就是光聲光譜。若入射光是聚焦而成的細(xì)束光并按樣品的 x- y軸掃描方式移動，則能記錄到光聲信號隨樣品位置的變化，這就是光聲成像技術(shù)。
儀器
光聲光譜的設(shè)備及其原理如圖2所示。入射光為強(qiáng)度經(jīng)過調(diào)制的單色光，光強(qiáng)度調(diào)制可用切光器。光聲池是一封閉容器，內(nèi)放樣品和傳聲器。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質(zhì)，如空氣。若是液體或氣體樣品，則用樣品充滿光聲池。傳聲器應(yīng)很靈敏，對于氣體樣品，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℃的溫升或10-9焦/（厘米3·秒）的熱量輸入。對于液體和固體樣品，最好采用與樣品緊密接觸的壓電陶瓷檢測器。 【注】因無法顯示小標(biāo)字，上文中“10-6℃”表示 10的負(fù)6次方度；“10-9焦”表示 10的負(fù)9次方焦?fàn)枺弧袄迕?”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：激發(fā)光源、調(diào)制技術(shù)、光聲池和聲信號檢測器。
激發(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類。
常用的普通光源有：鎢絲燈、碳弧燈、高壓燈、鹵素?zé)艉湍芩固責(zé)舻龋@一類光源的特點(diǎn)是波長可變范圍寬、價格較便宜，但缺點(diǎn)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、CO激光器、半導(dǎo)體激光器和可調(diào)特染料激光器等，以及目前新發(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(diǎn)：單色性好、脈沖峰值功率大、波譜范圍寬等。在光聲譜的實驗中，無論普通光源還是激光光源作為激發(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）范圍以內(nèi)。
調(diào)制技術(shù)
一般情況下脈沖光源不需要特別調(diào)制即可直接使用，但在使用連續(xù)譜光源時，則需要對光束進(jìn)行調(diào)制。光調(diào)制技術(shù)包括振幅調(diào)制和頻率調(diào)制（或波長調(diào)制），其中振幅調(diào)制較為常用，其調(diào)制方法有機(jī)械斬波器、聲－光調(diào)制和電－光調(diào)制。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。
光聲池
光聲池是光聲光譜實驗的核心部分，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度，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；
最大限度地降低光聲池內(nèi)激光束與池壁、窗口及聲信號探測器相互作用產(chǎn)生的干擾信號；
探測器類型和靈敏度的選擇要合理；
最大化光聲池內(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(zhǔn)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(diǎn)，例如：微音器雖然探測靈敏度較高但帶寬有限，所以在光聲譜實驗中要根據(jù)具體樣品的類型和所用激發(fā)光源的情況來選擇較為合適的聲信號檢測器。
光聲光譜應(yīng)用
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品、不透光樣品、吸收光強(qiáng)與入射光強(qiáng)比值很小的弱吸收樣品和低濃度樣品等，而且樣品無論是晶體、粉末、膠體等均可測量，這是普通光譜做不到的。光聲效應(yīng)與調(diào)制頻率有關(guān)，改變調(diào)制頻率可獲得樣品表面不同深度的信息，所以它是提供表面不同深度結(jié)構(gòu)信息的無損探測方法。
光聲光譜學(xué)是光譜技術(shù)與量熱技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物，是20世紀(jì)70年代初發(fā)展起來的檢測物質(zhì)和研究物質(zhì)性能的新方法。光聲技術(shù)在不斷發(fā)展，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。光熱偏轉(zhuǎn)光譜法、光聲拉曼光譜法、光聲顯微鏡、激光熱透鏡法及熱波成像技術(shù)都在迅速發(fā)展。光聲光譜技術(shù)在物理、化學(xué)、生物學(xué)、醫(yī)學(xué)、地質(zhì)學(xué)、材料科學(xué)、智能電網(wǎng)中變壓器在線監(jiān)測等方面得到廣泛應(yīng)用。
國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
1880年A.G.貝爾發(fā)現(xiàn)固體的光聲效應(yīng)，1881年他又和J.廷德爾和W.C.威廉·倫琴相繼發(fā)現(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(jì)60年代以后，由于微信號檢測技術(shù)的發(fā)展，高靈敏微音器和壓電陶瓷傳聲器的出現(xiàn)，強(qiáng)光源（激光器、氙燈等）的問世，光聲效應(yīng)及其應(yīng)用的研究又重新活躍起來。對大量固體和半導(dǎo)體的光聲研究發(fā)現(xiàn)，光聲光譜是一種很有前途的新技術(shù)。
光聲技術(shù)在不斷發(fā)展，二氧化碳激光光源紅外光聲光譜儀適用于氣體分析；氙燈紫外-可見光聲光譜儀適用于固體和液體的分析；傅里葉變換光聲光譜儀能對樣品提供豐富的結(jié)構(gòu)信息。光熱偏轉(zhuǎn)光譜法、光聲喇曼光譜法、光聲顯微鏡、激光熱透鏡法 ? 及熱波成像技術(shù)都在迅速發(fā)展。
參考資料 >