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光聲光譜儀

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氣體、液體和固體(晶體、粉末或凝膠)樣品的光聲光譜分析

光聲光譜儀綜述光聲光譜是直接探測無輻射躍遷過程的唯一手段，70年代以來已發展成一個專門的研究領域，研究對象涉及物理、化學、生物、材料等學科，并且能給半導體工業和微電子工業的研究提供一種新的研究和檢測手段。光聲光譜直接測量光束與材料相互作用后所吸收的熱量，顯然，它是光譜技術與量熱技術的組合。同傳統的光譜技術相比較。光聲光譜技術具有下列特點：（1）直接測量光束與材料相互作用后所吸收的熱量；（2）對散射光不敏感；（3）樣品本身就是電磁輻射的檢測器。光聲光譜技術本身的特點使得它能勝任傳統光譜技術難于完成或不能完成的某些工作，如：（1）直接探測無輻射過程，更準確地得到量子效率的數據；（2）因為對散射光不敏感，可以獲得強散射物質(如粉末、非晶固體、凍膠和膠體等)的吸收光譜；激發態壽命；甚至完全不透明材料的吸收光譜；（3）因為不依賴于光子檢測技術，可以得到弱吸收材料的光譜信息；（4）可以進行各種非波譜學的研究，如測定材料的熱學和彈性性質；研究化學反應；測定多層結構和薄膜的厚度等；（5）因為對樣品無特殊要求，可以方便地應用于各個領域，如凝聚態物理、化學、生物學、醫學研究等；（6）不需光電器件，因而不必改變檢測系統就可以在很寬的波長范圍工作。僅僅要求：光源足夠強，窗口透過率高。從上所述可見，光聲光譜在其研究領域內有著獨特的優點。一、原理光聲光譜儀是根據光聲效應原理研制成功的。當物質吸收周期性調制的光能后，轉變為熱能。周期性熱流使周圍介質熱脹冷縮而產生聲信號，即為光聲信號。不同組分和結構的物質吸收不同波長的光能，因此當照射于物質的光波波長改變時，聲信號的變化反映了物質的不同組分或結構。由于光聲光譜技術所檢測的是樣品吸收的光能與物質相互作用后產生的聲能，在照射的光強比較弱的情況下，光聲效應滿足線性關系，即聲信號強度與光強成正比，因此光聲光譜技術對物質的結構和組分是非常敏感的。且對樣品的形狀無特殊要求，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的檢測與分析。另一方面，由于物質吸收周期性調制的光能后轉變為周期性變化的熱能，亦稱熱波，所產生的效應稱為光熱效應。熱波傳播速度很慢，且是高衰減波，所以只能傳播約一個熱波波長的距離。在熱波傳播的過程中，不同位置的熱源產生的聲信號具有不同的相位，因此光聲信號除振幅的變化之外，還有相位的變化。因此，通常光聲光譜儀有兩個通道輸出：振幅輸出和相位輸出。前者對所測物質的組分（即熱源強度）非常敏感，后者則對所測物質的結構（即熱源的位置）特別敏感。二、儀器結構和配置光聲光譜儀由單光路系統組成，系統大為簡化，并對輻射光源強度要求降低50％以上。從功能上可分為三部分： 1. 輻射源：包括氙燈系統，單色儀系統，斬光器系統和聚光鏡系統。 2. 光聲盒：包括樣品池，傳聲器和前置放大器。 3. 信號處理和記錄：包括鎖相放大器和微型計算機三、性能指標光聲光譜儀采用單光束結構，降低對光源高強度的要求，且光路簡化。信號輸出端與計算機連接，由計算機控制對光譜進行掃描、并同時采樣。測試樣品時可同時對光源光譜實行歸一化等處理并保存。因此，結構簡單、操作方便。主要性能指標： 1. 光譜范圍：可見光范圍300-750 nm 近紅外范圍700-1200nm 2. 光譜分辨率：2 nm。 3. 測量最大偏差：± 1.5％。 4. 波長讀數精度：＜l nm。 5. 調制頻率：5－200 Hz連續可調（通常選用15 Hz－30 Hz）。四、用途由于光聲光譜技術可對任意的樣品進行檢測分析，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行微量分析。因此廣泛用于物理、化學、材料科學、生物醫學、農業和環境科學等各領域的研究和分析。由于氣體、液體和固體試樣的光吸收波長范圍、以及放置樣品的光聲盒結構等的要求各不相同，因此適用于氣體、液體和固體的光聲光譜儀的結構也不盡相同。本儀器對各種物理樣品（如磁性材料、半導體及納米材料），化學樣品（如過渡金屬、稀土元素配合物）、和生物樣品（如血液、動植物組織）等等進行了光聲光譜分析和研究，取得了有重要價值的結果。

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