第五节　激光光声光谱分析法

光声光谱分析（photoacoustic spectroscopy）是基于光声效应发展起来的一种吸收光谱技术。它不是测量光谱本身，而是检测物质在吸收辐射后产生的其他一些物理量的变化，所以属于吸收光谱中的特殊应用技术。物质吸收辐射后，通过无辐射跃迁返回基态时常会将激发能转变为热能，热能又可以激发出声波，通过接收热激发的声波来获取光谱信息，称为光声光谱技术。

一、光声效应和光声光谱

早在1881年，Bell等就发现了气体的光声效应，但由于当时使用的是普通光源，强度不够大，并且没有微音器等声敏元件来收集激发产生的微弱声波，未能进一步应用和发展。直至20世纪70年代，随着激光作为高强度光源的出现及可调谐激光器的发展，高灵敏度微音器作为检测器的出现，激光光声光谱分析得到了迅速的发展。

光声效应可以用图10-15的简单装置进行说明。光源为连续发光的石英碘灯。样品池采用普通试管，将被测样品密封在样品池内。当光源打开后，切光板以一定频率转动，光以切光板的频率对样品进行周期性的照射，样品周期性地吸收特定波长的光，吸收的波长由被测组分的性质决定。被测组分分子吸收光能后，从基态跃迁到激发态，激发态不稳定，很快以无辐射跃迁的方式回到基态。这个过程不是发光或转化为化学能的过程，而是转变为热能的过程。热能传导给周围的气体，气体被周期性加热，产生一个周期性的压力变化，这个变化被置于样品池上的微音器所监测，得到一个与切光板转动频率相同的声波，这一现象称为光声效应（optoacoustic effect）。

光声光谱是一种吸收光谱，若对入射光波长进行扫描，由于被测组分对光的吸收随波长不同而变化，因而产生不同的气体压力，通过微音器监测，经放大后得到光声信号。以光声信号对入射光波长（或频率）作图即为光声光谱图。

和其他光谱一样，光声光谱反映的是物质与光相互作用的特性，反映的是物质对光的吸收特性，波长范围很宽，可从紫外光区一直到红外光区。光声光谱是无辐射弛豫通道的直接研究手段，可作为吸收光谱和荧光光谱技术的补充。

和一般的吸收光谱不同，光声光谱是一个能谱。吸收光谱的检测系统采用的是光电管或光电倍增管，它们的响应正比于光子通量；光声光谱的检测器采用微音器，它的响应正比于被测组分所吸收的能量，即除了正比于光子的通量外，还正比于光子的能量（频率）。一般吸收光谱中，测定的是透射光与入射光的比值，当吸收的光强与入射光强的比例较大时，这种吸收光谱对测量较强的吸收是很方便的，但对弱吸收则可能造成相当大的误差；而光声光谱检测的是样品吸收的能量，即使在弱吸收的情况下，也能被微音器检测。所以，光声光谱是一种极灵敏的检测方法。

激光光声光谱分析法具有以下特点：采用可调谐激光器作为光声光谱分析的光源，其检测灵敏度比普通光声光谱法可提高几个数量级。光声光谱法对物质的形态没有特殊要求，既可测定粉末状或晶体固体样品，也可测定气体和液体样品，而且样品无须进行复杂的前处理。并且激光光声光谱仪构造简单、体积小、价格低，易于和其他仪器联用。因此，激光光声光谱法在弱吸收、高光散射、非透明和不均匀样品的检测中具有明显优势。光声光谱能够检测高度禁阻的光学跃迁和化合物中的微量成分，它在微量分析、弱光跃迁光谱学、光密样品探测等方面有重要应用价值。

二、光声光谱仪器

光声光谱仪主要由激光光源、斩波器、光声样品池（简称光声池）、声检测器、信号放大和记录系统组成，图10-16是单光束激光光声光谱仪的结构示意图。

1.光源

光声光谱要求光源的功率足够大。常用的光源有普通光源和激光光源两大类。普通光源随分析样品的种类而异，常用的有氙灯、卤素灯和硅碳棒灯。这类光源的特点是波长范围宽，但分辨率低，灵敏度和选择性较差。激光单色性好，脉冲峰值功率大，灵敏度高，分辨率高，是比较理想的光源。波长主要在近红外到中红外光谱区，常用的有：CO₂激光器、Ar+激光器、He-Ne激光器、半导体激光器及可调染料激光器等。灵敏度可达ppt水平。

2.调制技术

光声光谱使用的是周期性的辐射源，即脉冲光源或调制的连续光源。脉冲光源不需要特别调制即可用作光源，但连续光源只有进行调制才能观察到光声信号。光的调制技术有振幅调制和频率调制两种，前者较为常用。振幅调制可通过机械斩波器、电调制、声-光调制和电-光调制等技术来完成。其中机械斩波器调制是一种便宜而有效的方法。

3.光声池

光声池是光声光谱仪的核心部件。它的设计好坏对光声信号的影响最大。一般来说，光声池的容积不易过大，制作材料的热传导系数要小，内壁要抛光，以减少声信号的损耗。不同类型的样品应采用不同的光声池。图10-17为气体、液体和固体样品的光声池结构示意图。

4.声检测器

用来检测样品组分吸收光所产生的声信号，是将光声信号转换为电信号的装置。有微音器、压电元件、折射率传感器和温度传感器等，其中气体样品常用微音器，液体和固体介质以压电元件较为常用。

（1）微音器：

光声光谱中所用的微音器主要有电容型和驻极体型两种。电容型微音器是由一个很薄的金属膜或镀（或喷）了一层很薄金属的电介质塑料薄膜和一个坚硬的导电厚板组成。当压力波冲击微音器的薄膜，把膜推进导电板，使两个面之间的电容增加，电容微音器就输出电信号。周期性变化的压力作用于薄膜上就会引起微音器电容的周期性变化。电容变化引起电压信号，电压信号随加在电容器上的直流极化电压变化而变化。微音器输出信号的大小依赖于微音器的电容、压力变化所引起的电容变化及极化电压的大小。电容微音器一般有约15kHz的平坦频率响应特性，失真度低，通常对机械振动不敏感，对压力脉冲有良好的响应。

与电容微音器不同，固定在基片上的驻极体微音器是由被极化了的一种介电常数大的固体材料组成，驻极体的一侧有导电性，一侧是绝缘的。当声波冲击驻极体导电一侧时，引起驻极体极化特性的改变，从而在驻极体导电的正面和微音器基片之间产生小的电压。驻极体微音器不需要加偏压，因此，结构简单，体积较小，便于制成小型微音器。

（2）压电元件：

压电性是材料的物理尺度与外界电场变化相关联的现象。某些材料在沿一定方向上受到外力作用而变形时，其表面会产生电荷。当外力去掉后，它又恢复到不带电的状态，这种现象称为压电效应。具有这种性质的材料称为压电材料或压电元件，如水晶、某些亚磷酸盐和酒石酸盐等。用压电元件可以传感在固体或液体吸收中产生的声波，这类元件对凝聚态样品有很好的声阻匹配。人造压电晶体锆钛酸铅系陶瓷（PZT）是一种优良的压电原件，它作为光声光谱的检测器不仅灵敏度高、稳定性好，而且频率响应范围宽。

5.信号放大和记录系统

信号放大和记录系统包括前置放大器、同步放大器和记录仪等。由声检测器输出的信号非常微弱，必须经过前置放大器放大后，再输入同步放大器。同步放大器有两个信号输入，一个是由声检测器出来并经前置放大器放大的测量信号，另一个是由斩波器引出的与测量信号同步的参比信号。参比信号由一个光敏二极管或参比光声池将光信号转变为电信号输入同步放大器。最后由记录仪记录不同波长下的光声信号强度，即得光声光谱图。

常用的激光光声光谱仪有长程光声腔光声光谱仪、激光器腔内光声池光声光谱仪和皮秒光栅光谱仪。

三、光声信号强度的影响因素

以固体样品为例，样品吸收入射光的能量跃迁至激发态，再从激发态通过无辐射跃迁回到基态的过程中，把能量转化为热能，热能再通过样品周围的气体转化为声信号的能量，在这些转换过程中能量会有损失。吸收的光能通过无辐射跃迁转换为热能的有效转换系数为β，热能转换为声能的有效转换因子为α。根据光的吸收定律，在理想状态下，光声信号强度与光源能量、被测物质的吸光系数、浓度、吸收层厚度、能量有效转换因子α和β呈正比。

除此之外，光声信号强度和样品池填充气体的恒容热容、热传导系数等物理因素也有关系。气体的恒容热容增大，光声信号强度明显减小，因为填充气体热容大，样品吸收相同的能量只能产生较小的温度和压力的变化，产生的光声信号也不强。研究表明，在样品池或检测器中采用不同于空气的其他填充气体并无特别的优点和高的灵敏度。填充气体的热传导系数增大，固气界面热的有效传递增加而有利于光声信号的增强。但热传导系数太大又会增加在样品池壁对能量的吸收损耗。

样品颗粒大小对光声信号强度也有影响。一般情况下，随着样品粒度减小，光声信号振幅增大。可能由于粒度减小，光的有效吸收路径增加了；或因为气固界面增大，热的有效转换因子变大了。因此，对于粉末状固体样品，粒度大小是光声光谱用于定量分析的一个重要因素。

光声信号强度与光源调制频率的关系表现在随着调制频率的增加，样品从每个脉冲所吸收的有效能量减少了，样品的光声信号强度也随之减弱。一般认为，固体样品光源的调制频率不大于200Hz，这样可以获得足够的光声信号强度和最佳信噪比。对于气体样品，光源的调制频率通常介于102～103Hz之间。

四、激光光声光谱分析法的应用

激光光声光谱法不仅可用于物质的定性、定量和结构分析，而且还可用于物质变化过程中各组分的瞬时分析及振动跃迁弛豫速率、无辐射跃迁等瞬时过程。由于光声光谱检测的是样品吸收的能量，因此可以弥补普通吸收光谱法和荧光光谱法的不足。随着新光源、声传感技术及检测微弱信号的电子技术的不断进步，以及光声光谱学理论的逐步完善，光声光谱技术得到了迅速发展。目前，该技术已广泛应用于物理、化学、生物、医学、环境保护等领域。

1.在气体样品分析中的应用

对于气体和大气污染物的分析，激光光声光谱法具有很高的灵敏度，常用的激光器为CO₂或CO激光器。如测定空气中的SO₂、NO、NO₂、NH₃和甲醛等，检测限比常规方法低1～3个数量级。因此，它特别适用于大气污染物的分析和监测，以及气体混合物的自动分析和工业过程的控制。例如，利用1825～1925cm-1的连续可调谐的自旋反转激光器作光源的光声探测技术可测得高空中极低浓度的NO。激光光声探测技术还可以作为检测器与气相色谱联用，仪器构造简单，价格便宜。

2.在液体样品分析中的应用

激光光声光谱法可用于溶液中痕量组分的分析。如测定水样中的，检测限为5×10-8mol/L，比常规分光光度法低60倍。测定萃取在氯仿中的镉-二硫腙配合物，比常规的火焰原子吸收法和分光光度法的检测限降低2个数量级。激光光声光谱法还可用来分析混浊液。对超痕量悬浮物BaSO₄的测定结果表明，光声法受悬浮颗粒物颗粒大小的影响比浊度法小，而检测限可降低2个数量级，线性范围增大了3个数量级。

3.在固体样品分析中的应用

激光光声光谱法用于固体样品的分析有两大优点，一是样品不需要特殊的制备；二是可以解决普通光谱法不能解决的问题。

有些无机物在通常的溶剂中溶解度很低，难以获得紫外-可见吸收光谱。用光声光谱则可方便获得这类物质的吸收信息。由于光声光谱法受散射光的影响不大，所以很适合粉末样品吸收光谱的测定。

对于一些与溶剂有化学反应的化合物，如金属有机化合物，也不能获得通常溶剂中的吸收光谱，这时采用光声光谱对其进行研究则非常有利。特别是在无机化合物中有许多对水和空气极不稳定的所谓水敏或气敏化合物，也不能获得相应的光谱数据。而在光声光谱中，样品是密封在样品池中，并且可以充惰性气体保护。如过氧铬酸钾在室温下遇水即分解为铬酸钾，因而无法获得其水溶液的吸收光谱，但其晶体的光声光谱则可获得。

光声光谱还可用于薄层色谱中被分离物质的鉴定。薄层色谱对许多混合物具有很好的分离效果，但是在鉴定被分离的物质时，若采用通常的化学方法往往得不到好的测定结果，若采用普通光谱技术，则由于硅胶吸附剂的不透明和强烈散射性质，也不易测定，而光声光谱则能非常简单地对其进行非破坏性鉴定。这种鉴定方法可以在薄层板上直接进行，并具有快速、准确、灵敏度高等优点。

4.在生物样品分析中的应用

一般光谱法很难对生物样品进行直接测定。光声光谱法可对生物样品直接进行分析，获得有关生物组织的光学信息。例如，对于全血样品，由于其中的蛋白质、脂肪、红细胞等强散光性物质的影响，很难用普通的吸收光谱法进行测定，往往需要采取萃取的方法把血液中的血红蛋白分离后才能进行测定。而采用光声光谱法可不经分离直接测定。

光声光谱法还可对人体组织进行研究，探讨这些组织的生长发育过程、病理变化和药物作用等，为某些疾病的早期诊断提供了新的手段。光声光谱还可用于生物体新陈代谢的研究，提供反映新陈代谢过程中每一瞬间变化情况的“活性”光谱。