1。簡介
光聲學光譜（PAS） 是一種強大的分析技術，用於檢測和測量由於光吸收而產生的聲波的化學物質濃度。亞歷山大·格雷厄姆·貝爾（Alexander Graham Bell）在1880年代首次觀察到的光聲效應一直是幾十年來的科學好奇心。隨著激光和敏感麥克風的出現，PA已成為現代氣體傳感，環境監測，生物醫學分析和材料表徵的重要工具。
在PAS中，調節光被樣品吸收，從而導致局部加熱。這種熱膨脹會產生壓力波，並可以使用麥克風或其他壓力敏感的設備檢測到。由於生成的信號與吸收的光量成正比，因此PAS允許對材料進行高敏性，非破壞性分析，通常檢測限至每十億（PPB）。
2. PAS的基本原則
2.1光聲效應
光聲效應是通過材料吸收了調製電磁輻射（通常是紅外，可見或紫外線）後的聲波產生。
2.2機制
- 調製光源：通常來自激光器的光是以特定頻率調製（脈衝或切碎）的。
- 吸收：樣品吸收光子，增加其內部能量。
- 非放鬆的放鬆：通過分子碰撞，吸收的能量轉化為熱量。
- 熱膨脹：局部加熱會導致樣品或周圍培養基的周期性熱膨脹和收縮。
- 壓力波產生：這些熱振盪產生壓力（聲音）波。
- 偵測：由麥克風或壓電傳感器檢測到壓力波，並轉換為電信號。
2.3啤酒 - 拉姆伯特法律
PAS強度受Beer -Lambert Law的約束，將光吸收與材料的特性有關：
在哪裡：
在PA中，更強的吸收會產生更強的聲學信號，從而可以進行定量分析。
3。 PAS系統的組件
3.1光源
- 激光器（例如，二極管，量子級聯，co₂激光器）：首選其單色性，可調性和高強度。
- LED或寬帶燈：用於低成本或多波長應用。
3.2調製系統
- 光學斬波器：定期中斷光束的機械設備。
- 直接調製：改變激光電流或電壓以調節強度。
3.3光聲細胞
密封的腔室與樣品相互作用。類型包括：
- 開孔：對於具有環境條件的氣體。
- 共振細胞：通過聲學共振增強信號。
- 非共振細胞：提供更廣泛的頻率響應。
3.4檢測系統
- 麥克風：冷凝器或麥克風捕獲壓力變化。
- 石英調叉（QEPAS）：檢測分鐘聲信號的超敏感傳感器。
- 壓電感測器：將機械壓力轉換為電壓。
3.5信號處理單元
- 鎖定放大器：以調製頻率提取信號，以提高信號噪聲比率。
- 模數轉換器（ADC）：轉換數字分析的信號。
4。 pas的類型
4.1氣相不
用於微量氣體檢測。能夠檢測PPB或PPT範圍內的濃度。
4.2固相PA
用於分析固體或粉末，包括薄膜，半導體和色素。
4.3液相PA
由於聲波阻尼，不太常見，但用於專門的生物醫學或化學應用。
4.4石英增強PA（QEPAS）
一種高度敏感的變體，其中使用石英調諧叉檢測到聲信號，從而能夠檢測具有緊湊的傳感器設計的痕量氣體。
5。
| 優勢 | 描述 |
|---|---|
| 高靈敏度 | 檢測極低濃度的分析物。 |
| 無需光路對齊 | PA不依賴直接傳輸或反射測量。 |
| 緊湊便攜 | PAS儀器可以小型化，尤其是使用QEPAS。 |
| 廣泛的動態範圍 | 能夠檢測痕量和大量數量。 |
| 無損 | 測試後樣品保持完整。 |
| 多氣檢測 | 可調激光器可以分析多種化合物。 |
6. PAS的局限性
- 背景噪音：振動或環境聲噪聲會干擾信號。
- 複雜的校準：需要準確的定量測量標準。
- 熱效應：溫度和壓力的變化會影響靈敏度。
- 選擇性吸收：來自不同氣體的重疊吸收特徵會使分析複雜化。
7。光聲學光譜的應用
7.1環境監測
- 空氣污染監測：檢測NOX， 二氧化硫, 一氧化碳, CH₄和揮發性有機化合物（揮發性有機化合物）。
- 溫室氣體：用於氣候研究的CO₂，N₂O和CH₄的測量。
- 顆粒物：具有寬帶光的PAS系統可以量化氣溶膠吸收。
7.2工業安全和過程控制
7.3醫學和生物醫學應用
- 呼吸分析：通過揮發性生物標誌物（例如，用於糖尿病的丙酮）非侵入性診斷。
- 組織表徵：用於血管或癌症診斷的光聲成像。
7.4國土安全
- 炸藥檢測：PAS系統可以檢測爆炸物或麻醉品的痕量簽名。
7.5食品和農業
- 變質檢測：監測食品存儲中的乙烯或氨。
- 土壤氣體分析：從土壤呼吸中測量Co₂和甲烷通量。
7.6科學研究
- 材料科學：薄膜和納米材料的光學特性。
- 天體物理學和大氣化學：在極端環境中進行跟踪氣體測量。
8。光聲成像
PAS也是 光聲成像（PAI），一種將光學對比與超聲空間分辨率相結合的生物醫學成像技術。
Pai原則
脈衝激光誘導組織中快速的熱彈性膨脹，從而產生換能器捕獲的超聲波。這允許血管，氧合水平和腫瘤的高分辨率圖像。
優點
- 深層組織成像：比純光學方法更大。
- 功能成像：可視化氧飽和度和血紅蛋白濃度。
- 無標籤檢測：利用黑色素和血紅蛋白等天然髮色團。
9. PAS的最新進展
9.1 Qepas（石英增強PA）
Qepas使用石英調諧叉作為超敏感的聲學檢測器，使得：
- 較低的檢測極限（PPT範圍）
- 緊湊的傳感器頭
- 降低背景噪聲
9.2帶中紅外激光器的PA
中紅外激光器（例如量子級聯激光器（QCL））允許檢測具有強大基本吸收帶的氣體。
9.3多路復用
使用寬帶光源和光譜儀，多重PA可以同時檢測複雜混合物中的多種化合物。
9.4 PAS與機器學習
先進的信號處理和機器學習算法提高了選擇性，尤其是在嘈雜的環境或重疊吸收光譜中。
10。 PAS傳感器的設計注意事項
要開發或選擇PAS傳感器，請考慮：
- 目標分析物：氣體，液相還是固相？
- 需要靈敏度：ppb，ppm或％水平？
- 環境條件：溫度，濕度和壓力穩定性。
- 尺寸和功率約束：用於便攜式或現場部署。
- 交叉敏感性：避免干擾其他氣體。
11。監管和校準標準
受管制行業中使用的PAS傳感器（例如，排放監測，醫療保健）必須遵守以下標準：
- EPA和EN標準 用於氣體排放
- ISO/IEC 用於校準程序
- nist 參考材料的可追溯性
通常使用經過認證的氣體混合物來實現校準，並通過週期性檢查進行驗證。
12。未來的前景
在光子學，聲學和材料科學的進步驅動的驅動下，PAS繼續發展。關鍵趨勢包括：
- 與物聯網集成：用於實時監視的智能傳感器。
- 可穿戴的PAS設備：用於個人健康和安全。
- 微型激光器：基於MEMS的超緊湊型儀器的光源。
- 人工智慧：增強圖案識別和氣體指紋。
13。結論
光聲光譜是一種成熟但持續推進的分析技術，為氣體和材料分析提供了無與倫比的靈敏度和多功能性。隨著環境安全到臨床診斷的應用，PAS處於物理，化學和工程的交集。隨著傳感器技術變得越來越小，更聰明且更實惠，PAS在日常監測和研究中的作用將大大擴展。
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