1。简介
光声学光谱（PAS） 是一种强大的分析技术，用于检测和测量由于光吸收而产生的声波的化学物质浓度。亚历山大·格雷厄姆·贝尔（Alexander Graham Bell）在1880年代首次观察到的光声效应一直是几十年来的科学好奇心。随着激光和敏感麦克风的出现，PA已成为现代气体传感，环境监测，生物医学分析和材料表征的重要工具。
在PAS中，调节光被样品吸收，从而导致局部加热。这种热膨胀会产生压力波，并可以使用麦克风或其他压力敏感的设备检测到。由于生成的信号与吸收的光量成正比，因此PAS允许对材料进行高敏性，非破坏性分析，通常检测限至每十亿（PPB）。
2. PAS的基本原则
2.1光声效应
光声效应是通过材料吸收了调制电磁辐射（通常是红外，可见或紫外线）后的声波产生。
2.2机制
- 调制光源：通常来自激光器的光是以特定频率调制（脉冲或切碎）的。
- 吸收：样品吸收光子，增加其内部能量。
- 非放松的放松：通过分子碰撞，吸收的能量转化为热量。
- 热膨胀：局部加热会导致样品或周围培养基的周期性热膨胀和收缩。
- 压力波产生：这些热振荡产生压力（声音）波。
- 检测：由麦克风或压电传感器检测到压力波，并转换为电信号。
2.3啤酒 - 拉姆伯特法律
PAS强度受Beer -Lambert Law的约束，将光吸收与材料的特性有关：
在哪里：
在PA中，更强的吸收会产生更强的声学信号，从而可以进行定量分析。
3。PAS系统的组件
3.1光源
- 激光器（例如，二极管，量子级联，co₂激光器）：首选其单色性，可调性和高强度。
- LED或宽带灯：用于低成本或多波长应用。
3.2调制系统
- 光学斩波器：定期中断光束的机械设备。
- 直接调制：改变激光电流或电压以调节强度。
3.3光声细胞
密封的腔室与样品相互作用。类型包括：
- 开孔：对于具有环境条件的气体。
- 共振细胞：通过声学共振增强信号。
- 非共振细胞：提供更广泛的频率响应。
3.4检测系统
- 麦克风：冷凝器或麦克风捕获压力变化。
- 石英调叉（QEPAS）：检测分钟声信号的超敏感传感器。
- 压电传感器：将机械压力转换为电压。
3.5信号处理单元
- 锁定放大器：以调制频率提取信号，以提高信号噪声比率。
- 模数转换器（ADC）：转换数字分析的信号。
4。pas的类型
4.1气相不
用于微量气体检测。能够检测PPB或PPT范围内的浓度。
4.2固相PA
用于分析固体或粉末，包括薄膜，半导体和色素。
4.3液相PA
由于声波阻尼，不太常见，但用于专门的生物医学或化学应用。
4.4石英增强PA（QEPAS）
一种高度敏感的变体，其中使用石英调谐叉检测到声信号，从而能够检测具有紧凑的传感器设计的痕量气体。
5。
| 优势 | 描述 |
|---|---|
| 高灵敏度 | 检测极低浓度的分析物。 |
| 无需光路对齐 | PA不依赖直接传输或反射测量。 |
| 紧凑便携 | PAS仪器可以小型化，尤其是使用QEPAS。 |
| 广泛的动态范围 | 能够检测痕量和大量数量。 |
| 无损 | 测试后样品保持完整。 |
| 多气检测 | 可调激光器可以分析多种化合物。 |
6. PAS的局限性
- 背景噪音：振动或环境声噪声会干扰信号。
- 复杂的校准：需要准确的定量测量标准。
- 热效应：温度和压力的变化会影响灵敏度。
- 选择性吸收：来自不同气体的重叠吸收特征会使分析复杂化。
7。光声学光谱的应用
7.1环境监测
- 空气污染监测：检测NOX， 二氧化硫, 一氧化碳, CH₄和挥发性有机化合物（挥发性有机化合物）。
- 温室气体：用于气候研究的CO₂，N₂O和CH₄的测量。
- 颗粒物：具有宽带光的PAS系统可以量化气溶胶吸收。
7.2工业安全和过程控制
7.3医学和生物医学应用
- 呼吸分析：通过挥发性生物标志物（例如，用于糖尿病的丙酮）非侵入性诊断。
- 组织表征：用于血管或癌症诊断的光声成像。
7.4国土安全
- 炸药检测：PAS系统可以检测爆炸物或麻醉品的痕量签名。
7.5食品和农业
- 变质检测：监测食品存储中的乙烯或氨。
- 土壤气体分析：从土壤呼吸中测量Co₂和甲烷通量。
7.6科学研究
- 材料科学：薄膜和纳米材料的光学特性。
- 天体物理学和大气化学：在极端环境中进行跟踪气体测量。
8。光声成像
PAS也是 光声成像（PAI），一种将光学对比与超声空间分辨率相结合的生物医学成像技术。
Pai原则
脉冲激光诱导组织中快速的热弹性膨胀，从而产生换能器捕获的超声波。这允许血管，氧合水平和肿瘤的高分辨率图像。
优点
- 深层组织成像：比纯光学方法更大。
- 功能成像：可视化氧饱和度和血红蛋白浓度。
- 无标签检测：利用黑色素和血红蛋白等天然发色团。
9. PAS的最新进展
9.1 Qepas（石英增强PA）
Qepas使用石英调谐叉作为超敏感的声学检测器，使得：
- 较低的检测极限（PPT范围）
- 紧凑的传感器头
- 降低背景噪声
9.2带中红外激光器的PA
中红外激光器（例如量子级联激光器（QCL））允许检测具有强大基本吸收带的气体。
9.3多路复用
使用宽带光源和光谱仪，多重PA可以同时检测复杂混合物中的多种化合物。
9.4 PAS与机器学习
先进的信号处理和机器学习算法提高了选择性，尤其是在嘈杂的环境或重叠吸收光谱中。
10。PAS传感器的设计注意事项
要开发或选择PAS传感器，请考虑：
- 目标分析物：气体，液相还是固相？
- 需要灵敏度：ppb，ppm或％水平？
- 环境条件：温度，湿度和压力稳定性。
- 尺寸和功率约束：用于便携式或现场部署。
- 交叉敏感性：避免干扰其他气体。
11。监管和校准标准
受管制行业中使用的PAS传感器（例如，排放监测，医疗保健）必须遵守以下标准：
- EPA和EN标准 用于气体排放
- ISO/IEC 用于校准程序
- nist 参考材料的可追溯性
通常使用经过认证的气体混合物来实现校准，并通过周期性检查进行验证。
12。未来的前景
在光子学，声学和材料科学的进步驱动的驱动下，PAS继续发展。关键趋势包括：
- 与物联网集成：用于实时监视的智能传感器。
- 可穿戴的PAS设备：用于个人健康和安全。
- 微型激光器：基于MEMS的超紧凑型仪器的光源。
- 人工智能：增强图案识别和气体指纹。
13。结论
光声光谱是一种成熟但持续推进的分析技术，为气体和材料分析提供了无与伦比的灵敏度和多功能性。随着环境安全到临床诊断的应用，PAS处于物理，化学和工程的交集。随着传感器技术变得越来越小，更聪明且更实惠，PAS在日常监测和研究中的作用将大大扩展。
