--光声光谱在环境领域的应用

光声光谱技术在环境监测中的最新应用进展林佳逸 （北京林业大学, 北京 ）摘要：光声光谱技术是一种研究物质吸收光谱的新技术，已成为分子光谱学的一个重要分支。光声光谱技术区别于传统光谱法，具有灵敏度高、无损检测，干扰小的特点，可作为环境科学研究领域尤其是环境监测的一种重要分析工具。本文通过介绍光声光谱技术、光声光谱仪的构造，重点展示了光声光谱技术在大气、植物活体及土壤研究上的最新应用进展。关键词：光声光谱技术；环境监测；环境科学；光声效应 Application of Photoacoustic Spectroscopy Technology in the Field of Environmental ScienceLin JiayiBeijing Forestry University, Beijing, Abstract: Photoacoustic spectroscopy technology (PAST) is used to research material absorption spectra, which has played an important role in the molecular spectroscopy. Resulting from its sensitive, non-distructive detecting method in complex living material and measurement without the influence of the biologic tissues scatter characteristics, photoacoustic spectroscopy has become an indispensable analytic tool for environmental monitoring. This paper introduces photoacoustic spectrum technology and structure of the photoacoustic spectrometer, mainly shows the photoacoustic spectroscopy study on the new progress and application of atmosphere, plant living and soil. Keywords: Photoacoustic spectroscopy; environmental detection; environmental science; photoacoustic effect 1 引言环境监测作为环境科学领域一个重要研究方向，目的是为了环境管理、污染处理、环境规划与评估等提供及时、准确、可靠、全面的信息。由于污染物在不同时间和不同地点的浓度也不尽相同，就要求监测手段具有综合性、连续性和追踪性。近年来，环境监测体系从分析速度慢，操作复杂，不进行在线快速监测向精确，简单快速，操作方便发展。随着仪器分析技术的发展，越来越多的光谱技术在环境监测中得到应用，其中光声光谱技术作为一种重要的分析工具。光声光谱技术是一种光与物质的相互作用，是物质吸收光能后转换成声能的物理过程。这种光能转换成声能的能力，是由光子特性（）和物理热学性质（导热性，热扩散率，比热等）及其被测物质的光谱学性质所决定1。它用于研究物质吸收光谱，目前在化工、物理、材料科学、生物、医学、环境科学等领域得到广泛的应用。1880年，Bell2通过通讯实验发现了光声效应，但由于当时科学与技术的局限，半个多世纪光声效应的应用并未能得到发展，直到激光的发现与发展，20世纪70年代，Robin和Roscencwaig才开始研究光声光谱技术并开始应用于样品的测量。传统光谱法分析样品对于某些物理状态的试样，如非均质（悬浮物、凝胶、生物组织），固体或者半固体（粉状物、涂敷材料、隔层），水敏化或空气敏化的物质，以及无损分析中存在由于光散射、反射问题而造成的弱吸收、强散射、不透明等检测中的难题3，要求试样对象有高的反射率和超清洁的表面，需要复杂的高真空装置，并且不容许存在杂散光，样品需要量较大。而物质都具有自己的特征吸收谱线，当连续光谱的光源以不同波长的光束相继照射组织样品时，样品内不同的物质产生对应的与自身特征吸收谱线相对的光波波长产生的光声信号，通过采集样品的光声信号变化曲线得到光声光谱图。用一定频率调制的光源(或脉冲光源)照射物质，物质分子吸收一定光能后出现局部热膨胀，由受激态通过非辐射过程跃迁到低能态时，产生同频的超声波将光能转化成声能，这一现象称为光声效应。当超声波被超声探测器接受后，在入射激光波长不断改变的过程中，接受的光声信号的强弱也将随着吸收体的吸收谱发生对应的改变，从而获得相应的光声信号谱.光声光谱技术能够通过检测组织吸收光能而产生的超声信号，克服组织散射性对测量结果的影响。同时，针对弱吸收样品，可适当的提高入射光的辐射功率提高物质的信噪比。光声光谱技术在环境监测上的应用相较于其他监测方法具有如下优势：普适性强，对气体、液体和固体样品都适用4。可以不受被测样品的形状及形态的限制，保证各种样品自然状态，可不经预处理，直接进行测量1。样品用量少，只用毫克数量级的样品酒可以获得各种形态化合物的电子吸收光谱信息和振动光谱信息5。检测灵敏度高，检测波谱范围宽，范围可从10nm到几毫米。不受组织对光强散射的影响，并且光声信号的幅度与相位可直接测定，操作方便。穿透深度深，可以进行活体和剖面深度的断层分析，是唯一可用来检测样品剖面吸收光谱的方法6。2光声光谱仪的构造光声光谱仪的实验装置（如图1所示）包括光源、斩波器、光声池、微音器、前置放大器、锁相放大器及计算机等部分。主要分为五个部分：激发光源、调制技术、光声池、声信号检测器、锁相放大器。图1 实验装置图Fig.1 Schematic diagram of the experimental setup2.1 激发光源因为在测量中对波长进行扫描，所以光源要用可调谐光源。一般根据光源的种类分为：普通光源：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；激光光源：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7。在众多的激光器中，以CO2波导激光器最为常用，可提供200条以上的谱线供选择，利用压力展宽效应在较宽的范围内实现连续调谐。2.2 调制技术使用连续谱光源时，需要对光源进行调制，使光源发出的连续光以特定频率脉冲的形式是在到光声波，光调制技术包括振幅调制和频率调制（或波长调制），其调制方法有斩波器、声光调制器和电-光调制器，频率调制（或波长调制）8。相比振幅调制，能够由波长引起如窗材料吸收所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，振幅调制更为常用7。2.3 光声池光声池是光声光谱仪器的核心部件，在检测过程中，从光源激发到获得光声信号，一系列过程都在光声池中发生过，其中经历了光能-热能-声波能这样的能量转换。光能池的质量与获得的检测信号密切相关，光声池通常分为共振型与非共振型两类，对于共振型光声腔，谐振频率由腔体的尺寸决定，当光的调制频率低于声频共振频率时，光声池工作于非共振状态，光声池内信号相同。对于在光学和声学上都没有谐振的光声池称为非谐振式光声池，固体光声测量一般采用非共振式光声池。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9。2.4 声信号检测器光声信号的准确检测室光声光谱装置的重要步骤，用于样品声信号检测的仪器有：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。微音器一般采用声敏元件，其功能是将光声信号转换成电信号，常见的声敏元件包括麦克风，用于气体检测。对于液体及固体样品，多采用基于压电效应的压敏元件，材料包括钛酸钡、锆钛酸铅、氧化锌压电膜等。2.5 锁相放大器锁相放大器又称为锁相仪，实际上是一个模拟的傅里叶变换器。锁相放大器的输出是一个直流电压，正比于输入信号中某一个特定频率（参数输入频率）的信号幅值，而输入信号中的其他频率成分将不能对输出电压构成任何贡献。两个正弦信号，频率一致，存在90的相位差，用乘法器相乘得到的结果是一个有直流偏亮的正弦信号，也就是说只有与参考信号频率完全一致的信号才能在乘法器输出端得到直流偏量，其他信号在输出端都只有交流信号。3 光声光谱技术在环境监测上的最新应用进展3.1 光声光谱技术在空气监测中的应用与其他环境要素中的污染物质相比较，空气中的污染物质具有随时间、空间变化大的特点。对于获得正确快速反应空气污染实况的监测结果有重要意义。一般进行空气污染监测时，为了反映污染物浓度随着时间变化，监测需要在短时间内完成。传统方法如气相色谱技术需要将样品带回实验室，在监测上存在滞后时间，同时在测量的污染物种类上存在不足。然而利用光声光谱技术可以实现现场检测，应用于空气监测中，显示出了快速性以及广泛性，为监测提供了更加具有说服力的数据。1971年美国首次应用激光光声光谱法进行城市空气和汽车排气中一氧化氮的现场检测。由于测量的信噪比很高，每次测量仅需1/10秒时间，瞬刻可得监测结果，能够实现现场实时监测。已发现有危害作用而被人们注意到的空气污染物有100多种，我国“大气污染物综合排放标准”规定了33种污染物排放限值，研究分析技术对于多种气体监测尤其是微量污染气体的监测已成为了一项重要课题。其中光声光谱技术对大气中NH3开展监测是在20世纪90年代末，Moeckli等10利用12C16O2激光器作为光调制光源，在3.2km的Gubrist隧道中测量了机动车排放的NH3的浓度日变化为151.8303.6/m3；Kosterev等11，调整样品池的压力为60Torr，锁相放大器时间试调为为1s，对1.53处的低浓度NH3进行测量后达到0.7mg/m3的探测灵敏度；Besson等12使用同种技术在1.532附近实现了干燥空气中氨浓度低于6/m3的测量。此外美国Krauzer等以CO2和CO两种激光器组合作光源的光声光谱仪13和波长可调的CO2激光器和He-Ne激光器组合作光源的激光共振光声光谱仪14，可测得大气中的十几种污染气体，8分钟即可完成一次检测。国内研究中，浙江大学施柏煊15设计了光声光谱仪器，仪器对乙烯、六氟化硫和氟利昂气体等三种混合成分做了模拟测试，对乙烯进行检测，极限灵敏度可达3ppb，对六氟化硫可达0.1ppb，并具有同时定量测量四种混合气体各自含量的功能。由此可以说光声光谱技术对环境检测大气中的气体污染物有重要的作用。大连理工大学李红16进行了多种气体成分光声光谱分析的理论研究，详细论述了多种气体成分同时测量和分析原理，并给出两种多谱线分析的拟合方案。张望17研究了光声光谱技术在微量气体上的作用效果，依此确定CO、NO和H2S检测所需带通滤光片的中心波长分别为4650nm、5350nm和3700nm,实现了气体吸收效率和抗交叉干扰性的兼顾。通过实验测定了非共振光声池和传声器相配合的工作频率曲线,得到其在35Hz的光源调制频率下能够获得光声信号激发效率和拾取效率的最佳匹配。3.2光声光谱技术在生物研究中的最新应用环境检测的过程中，由于气体污染物或者土壤中的污染物无法直接得到，而通过植物的生长状况来表征污染物的类型的浓度。而植物活体的光合作用是植物生长中必不可少的过程，利用光声光谱技术可对植物在这个过程中贮存能量和氧气析出的定量研究，同时测定复杂的生物体系（如图2所示），利用光声光谱技术可以提供叶绿体的全部光声特性。在对环境检测所用到的生物材料分析的研究中，由于样品组成具有复杂性、多变性，对样品进行溶解、分离、浓集等预处理往往是不可缺少的。在预处理的过程中需要用到薄层层析，但由于薄层层析的吸附剂硅胶具有强烈的光散射性，且不具有透明性，所以利用传统的光谱技术不能直接在薄板上鉴定，采用光声光谱的方法可以有效地直接进行检测，在最大程度上减少人工过程对试验的影响和误差。在420nm的索瑞带，450-550nm之间类胡萝卜素带和660-700nm之间的叶绿素带，Canaani等18对完整叶子光合磷酸化对光合作用的影响，实验比较野生烟草突变体的光合作用参数，结果表明在突变体中，类胡萝卜素不能有效地将能量迁移到化学反应中心部位上去。图2 （a）菠菜叶中叶绿素的丙酮抽取液的吸收光谱；（b）菠菜全叶标本的标准光声光谱；（c）磨碎的菠菜叶的标准光声光谱Fig.2 (a) PA spectra for acetone extract fluid in spinach leaf chlorophyll; (b) PA spectra for spinach leaves specimens; (c) PA spectra for grinding spinach leavesLima等19和Ramesh等20 分别在玉米突变株体中进行实验，对叶绿素含量进行无损分析。保持了突变株中叶绿素的活性，检测过程操作方便，并且植物没有受到物理性破坏。1987年荷兰Harren21等人为地摘去单瓣兰花的花粉后，通过光声光谱技术可观察到植物较快地产生乙烯，并使兰花瓣发生枯萎，他们采用气体光声光谱法选用乙烯特征光谱线在没有破坏花瓣正常生理活动下研究兰花花瓣枯萎的全过程。国内研究中，卢荣德22 设计了适用植物光合作用的光声池，并提出其需要关注的关键问题，并展望了植物光合作用的光声光谱检测与其他检测方法联用的重点及其研究方向。北京林业大学生物学院与中国科学院植物研究所与吉首大学共同利用光声光谱仪研究植物材料不同层次组织的光吸收光谱，利用该技术对集中植物的叶片及花瓣进行了不同层次和深度的光谱扫描，结果证明，扫描得到的谱图很好地符合了各层次细胞的光吸收特性23。从2005年后，采用光声光谱技术已发展到对植物繁殖过程中的角质层深度和光合色素成分变化进行深入研究。相比于其他方法，光声光谱技术具有非损伤检测的优点，可以用来研究植物叶子内部结构和不同层次细胞光能利用情况。3.3光声光谱技术在土壤研究中的最新应用 不同的土壤因其组成的不同而具有不同的红外吸收。从最早的腐殖质成分分析到近年的遥感、农田养分研究，人们不断在追求新技术、新思维在实践中的应用。近年来，红外光声光谱分析技术与化学计量学的结合为土壤学的研究提供了新的手段。光声光谱能够很好地克服红外发射光谱中反射光谱吸收率很低，在实际应用中灵敏度不高等缺点24。Du等25研究了中红外光声光谱在土壤定性分析中的应用，率先将光声光谱技术从简单的量化研究扩展到土壤表面的定性分析，并通过化学计量学的方法实现了土壤的分类与鉴定，结果证明，红外光声光谱在土壤研究上有其独特的优势，它能够得到更为精确的光谱，同时光声光谱的检测是被样品吸收的那部分能量，可用于高吸收或高反射的样品，而且所需样品少，无需样品前处理，避免了繁琐的准备过程和对实验样品的浪费；同时，测定可实现原位，且对样品无损。在国内的研究中，杜昌文26将红外光声光谱与其他红外光谱进行比较，表明红外光声光谱在土壤分析上具有较大优势，以3种标准粘土矿物伊利石、高岭石和蒙脱石为材料进行研究，实验结果证明3中粘土矿物的中红外衰减反射光谱的差异主要表现在8001200cm-1,其他区域差异不明显，而3中粘土矿物的中红外光声光谱特征虽与透射光谱相近，但3个吸收区域具有更为丰富的吸收特征27，在土壤矿物的表征和土壤鉴定研究上具有潜在的发展前景。土壤无机碳主要指的土壤碳酸盐的含量是土壤分类、土壤-大气CO2和土壤肥力评估交换的一种重要依据。土壤中碳酸盐主要成分是碳酸钙，碳酸钙对土壤酸碱度、养分状况、土壤胶体性状等有着明显的影响28。传统的碳酸盐分析方法是用盐酸处理样品，并作出体积度量测定释放的CO2来计算土壤中碳酸钙的含量，此过程被称为Scheibler方法29。该方法耗时耗力，且对于温度、压强要求较高。近年来，光声光谱的方法逐渐被引入，其优点是能够保持待测样品的原来的面貌而不需要进行任何化学处理即可快速大量的分析样品30。马赵扬31等利用中红外光声光谱并结合主要成分回归（PCR）、偏最小二乘回归（PLSR）和人工神经网络(GRNN)三种分析方式建立回归模型，结果表明CaCO3具有丰富的中红外吸收，最强吸收峰波数在1450cm-1，且干扰少，可以作为土壤CaCO3的特征吸收峰。4 展望 光声光谱因区别于传统光谱法，解决了传统光谱法无法对弱吸收、不透光、强散射介质检测、不能进行活体检测的难题，在保持生物试样的自然状态下，可以进行活体和剖面深度的断层分析，为环境科学检测提供了一种新的方式。我们相信，随着光声光谱理论以及仪器的不断发展，光声光谱技术在环境科学研究领域的应用将更加广泛，其中无损检测仍是光声光谱技术研究的主要前景和方向。参考文献1 潘志方, 唐志列, 夏云飞. 光声光谱技术在现代医学领域的应用J. 实验科学与技术, 2009, 7(3): 33-34.2 A. 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