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光聲光譜

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光聲光譜 通過聲學檢測來測量物質對輻射能（特別是光）的吸收效應。光聲效應的研究從1880年開始，亞歷山大·格拉漢姆·貝爾（Alexander Graham Bell）在實驗中發現，當一束快速間斷的光線照射到旋轉的開槽薄盤上時，盤會發出聲音。物體從光中吸收的能量造成了局部加熱，產生了可擠壓空氣產生聲音的熱脹冷縮。之後貝爾發現，物體暴露在太陽光譜的不可見部分時（如紅外線和紫外線）也會產生聲音。

樣品的光聲譜可以通過測量不同波長的光照射到樣品上時發出的聲音獲得。光聲譜可用以表徵物質的吸收特性。光聲效應可用來研究固體，液體和氣體。[1]

用途和技術

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用於氣體分析的光聲光譜儀

光聲光譜是研究濃度僅有十億分之一乃至萬億分之一的氣體的有效工具。[2] 如今，先進的光聲探測器依舊使用着和貝爾的儀器相同的原理，但在其基礎之上已做了很多可以提升其靈敏度的改進。 由於產生的聲音強度與光強度成正比，因此使用強激光代替太陽照射樣品；這項技術被稱為激光光聲光譜（LPAS）。[2] 靈敏的麥克風替代了人的耳朵，麥克風的信號通過鎖相放大器進行放大和檢測。把氣體樣本封裝在圓柱形氣室之中，可以通過調製樣品單元的共振頻率實現對聲音信號的放大。

通過懸臂梁增強型共振光聲光譜技術，可以靈敏的進行十億分之一級的氣體的可靠監控。

案例

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下面這個例子可以說明光聲光譜技術的潛力：20世紀70年代初，帕特爾和他的同事們[3]通過氣球攜帶的光聲探測器測量海拔28千米的平流層中的一氧化氮濃度隨時間的變化。這項測量為研究因人造一氧化氮排放而產生的臭氧層空洞問題提供了重要數據。一些早期的工作依賴於 Rosencwaig 和 Gersho 的 RG 理論的發展。[4][5]

光聲光譜的應用

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FTIR（傅里葉轉換紅外光譜）光聲光譜的一個重要功能在於有能力在保持樣品的原有狀態下通過紅外光譜測量，這項技術可以用於檢測和計量化學物質及化學官能團。這在測量生物樣品時尤其有用，無需粉碎或對樣品進行化學處理。貝殼，骨頭之類的樣品都用此方法進行過研究。[6][7][8] 使用光聲光譜可以研究成骨不全症骨頭中的分子相互作用。[9]

當大部分學術研究集中在高分辨率儀器時，另一些工作走向了相反的方向。在過去二十年裡，低成本的泄漏檢測和二氧化碳濃度控制被開發並商業化。通常，低成本熱源使用電子方式調製。半透盤片上的擴散替代了氣體交換閥門，廉價的麥克風以及使用數字信號處理器處理信號的方式降低了系統的成本。未來，低成本的光聲光譜應用將會依賴於高度集成的光聲儀器。

現在，光聲方法的應用被擴展到了蛋白等大分子的定量測量。光聲免疫分析通過可產生強聲信號的微小粒子對目標蛋白進行檢測和標記。[10] 這項使用光聲技術的蛋白質檢測方法也已被用於實時檢測。[11]

光聲光譜也有很多軍事用途。其用途之一是可以用於檢測有毒的化學製劑。光聲光譜的高靈敏度使之成為化學武器攻擊後痕量檢測的理想方法。[12]

激光光聲傳感器（LPAS）可被用於工業，安全（神經性毒劑和爆炸物檢測）及醫藥（呼吸分析）領域。[13]

參考文獻

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  1. ^ David W. Ball Photoacoustic Spectroscopy （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館） Spectroscopy, Volume 21, Issue 9, Sep 1, 2006
  2. ^ 2.0 2.1 Photoacoustic technique 'hears' the sound of dangerous chemical agents, R&D Magazine, August 14, 2012, rdmag.com [September 8, 2012] 
  3. ^ C.K.N. Patel, E.G. Burkhardt, C.A. Lambert, 『Spectroscopic Measurements of Stratospheric Nitric Oxide and Water Vapor』, Science, 184, 1173–1176 (1974)
  4. ^ A. Rosencwaig, 'Theoretical aspects of photoacoustic Spectroscopy', Journal of Applied Physics, 49, 2905-2910 (1978)
  5. ^ A. Rosencwaig,A. Gersho 'Theory of photoacoustic effect with solids', Journal of Applied Physics, 47, 64-69 (1976)
  6. ^ D. Verma, K. S. Katti, D. R. Katti Nature of water in Nacre: a 2D FTIR spectroscopic study', Spectrochimica Acta part A, 67, 784–788(2007)
  7. ^ D. Verma, K. S. Katti, D. R. Katti 'Nature Photoacoustic FTIR Spectroscopic Study of Undisturbed Nacre from Red Abalone', Spectrochimica Acta, 64, 1051-1057, (2006)
  8. ^ C. Gu, D. R. Katti, K. S. Katti Photoacoustic FTIR spectroscopic study of undisturbed human cortical bone', Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy, 103, 25-37, (2013)
  9. ^ C. Gu, D. R. Katti, K. S. Katti Microstructural and Photoacoustic Infrared Spectroscopic Studies of Human Cortical Bone with Osteogenesis Imperfecta', Journal of Minerals, Metals and Materials Society, 68, 1116-1127, (2016)
  10. ^ Zhao Y, Cao M, McClelland JF, Lu M. A photoacoustic immunoassay for biomarker detection. Biosensors and Bioelectronics. 2016, 85: 261–66 [2019-03-20]. PMID 27183276. doi:10.1016/j.bios.2016.05.028. （原始內容存檔於2020-01-23）. 
  11. ^ Zhao Y, Huang Y, Zhao X, McClelland JF, Lu M. Nanoparticle-based photoacoustic analysis for highly sensitive lateral flow assays. Nanoscale. 2016, 8 (46): 19204–19210 [2019-03-20]. PMID 27834971. doi:10.1039/C6NR05312B. （原始內容存檔於2019-09-25）. 
  12. ^ Photoacoustic technique 'hears' the sound of dangerous chemical agents. Research & Development. 2012-08-14 [2017-05-10]. （原始內容存檔於2017-09-16）. 
  13. ^ R. Prasad, Coorg; Lei, Jie; Shi, Wenhui; Li, Guangkun; Dunayevskiy, Ilya; Patel, Chandra. Laser Photoacoustic Sensor for Air Toxicity Measurements. Proceedings of SPIE - the International Society for Optical Engineering. Advanced Environmental, Chemical, and Biological Sensing Technologies IX. 2012-05-01, 8366: 7. doi:10.1117/12.919241. 

擴展閱讀

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  • Sigrist, M. W. (1994), "Air Monitoring by Laser Photoacoustic Spectroscopy," in: Sigrist, M. W. (editor), "Air Monitoring by Spectroscopic Techniques," Wiley, New York, pp. 163–238.

外部連結

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  • General introduction to photoacoustic spectroscopy: [1] （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
  • Photoacoustic spectroscopy in trace gas monitoring [2]（頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
  • Photoacoustic spectrometer for trace gas detection based on a Helmholtz Resonant Cell (www.aerovia.fr)
  • Photoacoustic multi-gas monitor for trace gas detection based on cantilever enhanced photoacoustic spectroscopy (www.gasera.fi)


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