什么是光声光谱学（Photoacoustic Spectroscopy）？

光声光谱学通过声学检测测量电磁辐射对分析物样品的影响。吸收的电磁辐射在样品中产生热量，引起热膨胀，最终产生压力波或声音，用压电探测器或麦克风以声波的形式检测出来。

光声光谱学的工作原理
光声光谱学的原理是基于光声效应。当一个样品被光照射时，电子被振动或电子激发，并跳到一个更高的能级。

当电子返回到基态时，多余的能量以热的形式释放，导致热膨胀。这种膨胀产生了局部的压力波，以声波的形式被测量。检测到的声波在光谱中与不同波长的辐照光绘制成图。

虽然这种机制在气体的情况下是正确的，但在固体中的机制遵循RG理论，声波的来源来自于从凝结相样品到周围气体的重复热流，以及随后声波通过气柱传播到带有麦克风的检测器。

固体、液体和气体的光声光谱学
将光声光谱学应用于固体的主要优点是不需要准备样品。此外，由于光声信号取决于被吸收的光，这种技术甚至对粉末也是如此。

在液体样品中，有五种机制决定了声波的激发：介质击穿、热弹性、汽化、电收缩和辐射压力。液体样品的光声光谱研究是基于热弹性效应。声波是由激光加热的体积的热膨胀产生的。

大量的光声研究已经在气体介质中进行，其中大部分涉及到微量气体监测。除了光声光谱，其他光声检测的光谱方案也被应用，包括振动泛音光谱、无多普勒光谱和光声拉曼光谱。

光声光谱学的信号产生和检测

声波是通过直接或间接的光声发电产生的。在第一种情况下，热量通过液体、气体或固体样品内部的脉冲或调制照射产生，检测发生在界面或样品内部。

在后一种（间接）情况下，热量是通过液体或固体样品内部的调制照明产生的，并被传送到一个界面。在直接和间接的情况下，产生的声波都可以用电传声器或电容器来检测。

然而，由于麦克风的带宽有限，其在凝结物质中的应用受到阻碍。因此，在这种情况下，压电式传感器被用来检测超声波脉冲。

使用光声光谱学进行深度剖析
利用光声光谱对各种材料进行深度剖析，已经在理论和实验上进行了研究。在这种测量中，光声信号主要受发光表面和地下之间区域产生的热量的影响，其内部距离为热扩散长度。

通过比较各种热扩散长度的光声光谱数据，有可能提供关于样品深度剖面的定性信息。这种技术有助于估计样品的深度剖面，例如那些由平行于材料辐照表面的几个确定厚度的均匀层组成的样品。

然而，由于复杂的热扩散机制，深度剖析不能应用于真实世界的材料，因为这些材料的光学吸收系数直接取决于离表面的深度。

傅立叶变换红外（FTIR）光声光谱法
傅立叶变换红外光谱已被用作一种可靠和低成本的技术来表征广泛的材料。然而，这种技术在测量不透明和黑暗样品的吸收方面效率低下，以及样品颗粒大小的干扰，使得它与许多废物材料不相容。

在这方面，将光声光谱与傅立叶变换红外光谱相结合有助于克服传统傅立叶变换红外光谱由反射和散射问题造成的局限性。

光声光谱学的应用
光声光谱学的重要应用包括以下内容。

光声光谱法具有高度的敏感性和准确性，使其成为气体检测器的理想应用。除了检测有毒气体外，光声光谱法还可用于检测大气中的气体水平。
每种材料都有一个独特的光谱。因此，未知样品中含有多种成分的材料可以通过与材料特定的光谱相匹配而被识别。
傅立叶变换红外光声光谱法用于对样品进行原位评估，以量化化学功能团，从而识别化学物质，而无需将其粉碎成粉末。
光声光谱法已被用于配体和抗肿瘤剂的深度分析。
这项技术已被应用于研究药物输送系统中的纳米磁性颗粒。
光声光谱学的优点
以下是使用光声光谱学的主要优势。

光声光谱法只需要最小的或不需要样品准备。
该技术可用于不透明和散射样品的深度剖析实验。
它可以用来测量光学中性样品。
测量灵敏度随着光源强度的增加而增加。
结论
总之，光声光谱学是基于对电磁辐射的吸收，然后以声波的形式检测压力波动。这种技术有广泛的应用，包括以高灵敏度追踪气体，即使在不透明的样品中也可以进行深度分析，确定粉末状和固体样品的吸收光谱，与传统方法相比，光散射的影响最小甚至没有。

参考资料

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Bekiaris, G., Bruun, S., Peltre, C., Houot, S., Jensen, L. S. (2015). FTIR–PAS: A powerful tool for characterizing the chemical composition and predicting the labile C fraction of various organic waste products. Waste management. https://doi.org/10.1016/j.wasman.2015.02.029   

Sigrist, M, W. (1989). Laser Photoacoustic Spectroscopy. Europhysics News. https://www.europhysicsnews.org/articles/epn/pdf/1989/11/epn19892011p167.pdf

Quan, K. (2023). Photoacoustic Spectroscopy. [Online]. https://chem.libretexts.org/Bookshelves/Physical_and_Theoretical_Chemistry_Textbook_Maps/Supplemental_Modules

Written by Bhavna Kaveti