物質(zhì)檢測(cè)的新方法：光聲光譜法

光聲光譜是直接探測(cè)無(wú)輻射躍遷過(guò)程的唯一手段，70年代以來(lái)已發(fā)展成一個(gè)專(zhuān)門(mén)的研究領(lǐng)域，研究對(duì)象涉及物理、化學(xué)、生物、材料等學(xué)科，并且能給半導(dǎo)體工業(yè)和微電子工業(yè)的研究提供一種新的研究和檢測(cè)手段。光聲光譜直接測(cè)量光束與材料相互作用后所吸收的熱量，顯然，它是光譜技術(shù)與量熱技術(shù)的組合。同傳統(tǒng)的光譜技術(shù)相比較。光聲光譜技術(shù)具有下列特點(diǎn)：
（1）        直接測(cè)量光束與材料相互作用后所吸收的熱量；
（2）        對(duì)散射光不敏感；
（3）        樣品本身就是電磁輻射的檢測(cè)器。
光聲光譜技術(shù)本身的特點(diǎn)使得它能勝任傳統(tǒng)光譜技術(shù)難于完成或不能完成的某些工作，如：
（1）        直接探測(cè)無(wú)輻射過(guò)程，更準(zhǔn)確地得到量子效率的數(shù)據(jù)；
（2）        因?yàn)閷?duì)散射光不敏感，可以獲得強(qiáng)散射物質(zhì)(如粉末、非晶固體、凍膠和膠體等)的吸收光譜；激發(fā)態(tài)壽命；甚至完全不透明材料的吸收光譜；
（3）        因?yàn)椴灰蕾?lài)于光子檢測(cè)技術(shù)，可以得到弱吸收材料的光譜信息；
（4）        可以進(jìn)行各種非波譜學(xué)的研究，如測(cè)定材料的熱學(xué)和彈性性質(zhì)；研究化學(xué)反應(yīng)；測(cè)定多層結(jié)構(gòu)和薄膜的厚度等；
（5）        因?yàn)閷?duì)樣品無(wú)特殊要求，可以方便地應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，如凝聚態(tài)物理、化學(xué)、生物學(xué)、醫(yī)學(xué)研究等；
（6）        不需光電器件，因而不必改變檢測(cè)系統(tǒng)就可以在很寬的波長(zhǎng)范圍工作。僅僅要求：光源足夠強(qiáng)，窗口透過(guò)率高。
從上所述可見(jiàn)，光聲光譜在其研究領(lǐng)域內(nèi)有著獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。
一、原理
光聲光譜儀是根據(jù)光聲效應(yīng)原理研制成功的。當(dāng)物質(zhì)吸收周期性調(diào)制的光能后，轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮堋Ｖ芷谛詿崃魇怪車(chē)橘|(zhì)熱脹冷縮而產(chǎn)生聲信號(hào)，即為光聲信號(hào)。不同組分和結(jié)構(gòu)的物質(zhì)吸收不同波長(zhǎng)的光能，因此當(dāng)照射于物質(zhì)的光波波長(zhǎng)改變時(shí)，聲信號(hào)的變化反映了物質(zhì)的不同組分或結(jié)構(gòu)。由于光聲光譜技術(shù)所檢測(cè)的是樣品吸收的光能與物質(zhì)相互作用后產(chǎn)生的聲能，在照射的光強(qiáng)比較弱的情況下，光聲效應(yīng)滿(mǎn)足線(xiàn)性關(guān)系，即聲信號(hào)強(qiáng)度與光強(qiáng)成正比，因此光聲光譜技術(shù)對(duì)物質(zhì)的結(jié)構(gòu)和組分是非常敏感的。且對(duì)樣品的形狀無(wú)特殊要求，可以用于氣體、固體和液體的微量分析。由于光聲光譜對(duì)散射光和反射光不敏感，特別適用于顆粒、粉末、污跡和混濁液體等物質(zhì)的檢測(cè)與分析。
另一方面，由于物質(zhì)吸收周期性調(diào)制的光能后轉(zhuǎn)變?yōu)橹芷谛宰兓臒崮?，亦稱(chēng)熱波，所產(chǎn)生的效應(yīng)稱(chēng)為光熱效應(yīng)。熱波傳播速度很慢，且是高衰減波，所以只能傳播約一個(gè)熱波波長(zhǎng)的距離。在熱波傳播的過(guò)程中，不同位置的熱源產(chǎn)生的聲信號(hào)具有不同的相位，因此光聲信號(hào)除振幅的變化之外，還有相位的變化。因此，通常光聲光譜儀有兩個(gè)通道輸出：振幅輸出和相位輸出。前者對(duì)所測(cè)物質(zhì)的組分（即熱源強(qiáng)度）非常敏感，后者則對(duì)所測(cè)物質(zhì)的結(jié)構(gòu)（即熱源的位置）特別敏感。
二、儀器結(jié)構(gòu)和配置
光聲光譜儀由單光路系統(tǒng)組成，系統(tǒng)大為簡(jiǎn)化，并對(duì)輻射光源強(qiáng)度要求降低50％以上。從功能上可分為三部分：
1.        輻射源：包括氙燈系統(tǒng)，單色儀系統(tǒng)，斬光器系統(tǒng)和聚光鏡系統(tǒng)。
2.        光聲盒：包括樣品池，傳聲器和前置放大器。
3.        信號(hào)處理和記錄：包括鎖相放大器和微型計(jì)算機(jī)
三、性能指標(biāo)
光聲光譜儀采用單光束結(jié)構(gòu)，降低對(duì)光源高強(qiáng)度的要求，且光路簡(jiǎn)化。信號(hào)輸出端與計(jì)算機(jī)連接，由計(jì)算機(jī)控制對(duì)光譜進(jìn)行掃描、并同時(shí)采樣。測(cè)試樣品時(shí)可同時(shí)對(duì)光源光譜實(shí)行歸一化等處理并保存。因此，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便。
主要性能指標(biāo)：
1.        光譜范圍：可見(jiàn)光范圍 300-750 nm
近紅外范圍 700-1200nm
2.        光譜分辨率：2 nm。
3.        測(cè)量最大偏差：± 1.5％。
4.        波長(zhǎng)讀數(shù)精度：＜ l nm。
5.        調(diào)制頻率：5－200 Hz連續(xù)可調(diào)（通常選用15 Hz－30 Hz）。
四、用途
由于光聲光譜技術(shù)可對(duì)任意的樣品進(jìn)行檢測(cè)分析，包括氣體、液體和固體(晶體、粉末或凝膠)樣品，并且只需要極少量樣品就可以進(jìn)行微量分析。因此廣泛用于物理、化學(xué)、材料科學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、農(nóng)業(yè)和環(huán)境科學(xué)等各領(lǐng)域的研究和分析。由于氣體、液體和固體試樣的光吸收波長(zhǎng)范圍、以及放置樣品的光聲盒結(jié)構(gòu)等的要求各不相同，因此適用于氣體、液體和固體的光聲光譜儀的結(jié)構(gòu)也不盡相同。
本儀器對(duì)各種物理樣品（如磁性材料、半導(dǎo)體及納米材料），化學(xué)樣品（如過(guò)渡金屬、稀土元素配合物）、和生物樣品（如血液、動(dòng)植物組織）等等進(jìn)行了光聲光譜分析和研究，取得了有重要價(jià)值的結(jié)果。