合肥研究院利用“差分光声光谱仪”实现同时测量气溶胶和NO2浓度

光声光谱技术是基于光声效应的一种光谱技术，是一种研究物质吸收光谱的新技术，已经成为分子光谱学的一个重要分支。从1880年贝尔发现固体光声效应以来，至今已有一百多年的历史。半导体激光器工艺发展成熟，基于光声光谱分析技术检测气体成为研究热业。具有高检测灵敏度，快时间响应，可连续实时监测，小体积，可实现多组分气体等优点。应用于石化分析、空气污染检测、煤矿瓦斯浓度监测、变压器油中溶解气体分析、医学呼出气体诊断等领域。

日前，中国科学院合肥物质科学研究院研究人员建立了基于443nm激光的差分光声光谱仪，通过优化光声腔，实现了气溶胶吸收和NO2的高灵敏、大流量在线采样测量。研制的差分光声光谱仪与商业的NOx分析仪进行了大气NO2的比对测量研究。验证了研制差分光声光谱仪的可靠性。

该研究结果对进一步发展基于光声光谱的气溶胶吸收、NO2在线分析仪器具有重要的应用价值，可应用于大气环境观测领域。

光声光谱学是光谱技术与量热技术结合的产物，是20世纪70年代初发展起来的检测物质和研究物质性能的新方法。光声技术在不断发展，已出现适用于气体分析的二氧化碳激光光源红外光声光谱仪 ，适用于固体和液体分析的氙灯紫外-可见光声光谱仪 ，以及傅里叶变换光声光谱仪。光热偏转光谱法、光声拉曼光谱法、光声显微镜、激光热透镜法及热波成像技术都在迅速发展。光声光谱技术在物理、化学、生物学、医学、地质学、材料科学、智能电网中变压器在线监测等方面得到广泛应用。

传统的光谱法中，光散射、反射是最 大的干扰，因为样品吸收光能量的大小是通过测量透射光的强度并从入射光强度中减去透射光强度所得的差额来确定的，而光与组织相互作用过程必然伴随着一定的反射、散射和其他的光损失，这将导致入射光强度的降低。此外，传统光谱法探测的是光与组织相互作用后的透射光信号，因此样品就必须具有一定的透光性。与之相比，光声光谱技术所检测的是因组织吸收光能而产生的超声信号，这种超声信号的强弱直接反映了物质吸收光能量的大小。从而避免了因样品中光的反射、散射等引起的信号干扰;同时，还可针对弱吸收样品适当增大入射光的辐照功率来提高信噪比。因此，它被广泛应用于各种试样检测，如透明的或不透明的固体、液体、气体、粉末、胶体、晶体或非晶体等，从本质上解决了传统光谱法对弱吸收、强散射、不透明等样品检测的难题。

光声光谱检测

用一束强度可调制的单色光照射到密封于光声池中的样品上，样品吸收光能，并以释放热能的方式退激，释放的热能使样品和周围介质按光的调制频率产生周期性加热,从而导致介质产生周期性压力波动,这种压力波动可用灵敏的微音器或压电陶瓷传声器检测，并通过放大得到光声信号，这就是光声效应。若入射单色光波长可变，则可测到随波长而变的光声信号图谱，这就是光声光谱。若入射光是聚焦而成的细束光并按样品的x-y轴扫描方式移动,则能记录到光声信号随样品位置的变化，这就是光声成像技术。

光声光谱检测的实验装置主要由四部分组成：激发光源、调制技术、光声池和声信号检测器。

激发光源

根据光源的种类一般可分为普通光源和激光光源两类。常用的普通光源有：钨丝灯、碳弧灯、高压氙灯、卤素灯和能斯特灯等，这一类光源的特点是波长可变范围宽、价格较便宜，但缺点是分辨率较低;

常用激光光源包括：Ar离子激光器、He-Ne激光器、CO2 激光器、半导体激光器和可调特染料激光器等，以及新发展的一种量子多级激光器，无论是哪种激光器它们都具备共同的优点：单色性好、脉冲峰值功率大、波谱范围宽等。在光声谱的实验中，无论普通光源还是激光光源作为激发光源，都必须满足实验对它们的共同要求：辐射光的脉冲频率一定要在声频(50~1200Hz)范围以内。

调制技术

一般情况下脉冲光源不需要特别调制即可直接使用，但在使用连续谱光源时，则需要对光束进行调制。光调制技术包括振幅调制和频率调制(或波长调制)，其中振幅调制较为常用，其调制方法有机械斩波器、声-光调制和电-光调制。虽然振幅调制较为常用，但与之相比频率调制(或波长调制)能够消除由波长引起的如窗材料吸收等带来的背景干扰从而提高探测灵敏度，但该调制模式仅适用于窄线宽的吸收体。

光声池

光声池是光声光谱实验的核心部分，它的设计是否合理直接影响到探测信号的灵敏度大小。为了提高探测信号的灵敏度，光声池在设计上必须满足以下要求：光声池内声信号不受外界信号的干扰;最 大限度地降低光声池内激光束与池壁、窗口及声信号探测器相互作用产生的干扰信号;探测器类型和灵敏度的选择要合理;最 大化光声池内来自样品的声信号;按照待测样品的种类和实验的类型设置光声池。

声信号检测器

光声信号的准确检测是光声光谱实验的重要环节。用于样品声信号检测的仪器有很多种，如微音器、压电传感器、折射率传感器和温度传感器等，其中较为常用的是微音器和压电传感器。每种类型的信号检测器都有它的优缺点，例如：微音器虽然探测灵敏度较高但带宽有限，所以在光声谱实验中要根据具体样品的类型和所用激发光源的情况来选择较为合适的声信号检测器。

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