激光光聲光譜技術 PAS

光聲光譜法PhotoAcoustic Spectroscopy(PAS)，被測氣體的特定波長(顏色)在紅外范圍內有吸收波譜，紅外激光二極管通常用作光源，被測氣體用特定紅外波長的調制光照射。照射紅外激光通過電子或機械方式進行調制，例如使用斬波器。當紅外激光的頻率與采樣池中氣體的吸收帶相對應時，氣體分子吸收一部分照射光。被測氣體濃度越高，被吸收的光就越多。被吸收的光會產生熱量，因此壓力會升高。由于紅外激光的調制，因此壓力將交替增加和減少。這就產生了一個聲音信號，可以被麥克風探測器檢測到，然后轉換成電信號。
當氣體樣品受到頻率為νmn的入射光照射，滿足入射光光子能量為氣體分子中兩能級能量之差的條件時，氣體分子將吸收光子能量，從初始能級En躍遷至能量更高的能級Em，即有：

（1）：σ=νmnclight=Em-Enhc

式中：σ為(wei)入射(she)光(guang)的(de)波數(shu)；clight為(wei)真空中光(guang)速（約為(wei)3×108 m/s）；h為(wei)普朗克(ke)系(xi)數(shu)（6.62×10-34 J?s）。只有(you)滿足(zu)如式（1）頻率關(guan)系(xi)的(de)入射(she)光(guang)子(zi)才能被(bei)氣體(ti)(ti)吸收(shou)，因此不同成分(fen)的(de)氣體(ti)(ti)擁有(you)不同的(de)氣體(ti)(ti)吸收(shou)線。

當入射光調制頻(pin)率(lv)(lv)小于無(wu)輻射弛豫頻(pin)率(lv)(lv)時，氣(qi)體(ti)(ti)的(de)(de)溫度就會以相(xiang)同(tong)的(de)(de)頻(pin)率(lv)(lv)被調制。根據氣(qi)體(ti)(ti)運動定(ding)(ding)律，在氣(qi)體(ti)(ti)體(ti)(ti)積(ji)一(yi)定(ding)(ding)的(de)(de)情(qing)況(kuang)下，氣(qi)體(ti)(ti)溫度的(de)(de)調制會導致氣(qi)體(ti)(ti)壓(ya)強(qiang)周期性(xing)的(de)(de)變化，在光聲池中(zhong)激發出相(xiang)應(ying)的(de)(de)聲波(bo)。用(yong)微(wei)音器(qi)檢測此聲波(bo)信號，即(ji)可測得氣(qi)體(ti)(ti)濃度。

不(bu)(bu)同波數(shu)處氣(qi)(qi)體(ti)(ti)吸(xi)(xi)收線的集(ji)合稱為氣(qi)(qi)體(ti)(ti)的吸(xi)(xi)收譜［29］。氣(qi)(qi)體(ti)(ti)在(zai)不(bu)(bu)同波數(shu)的吸(xi)(xi)收系數(shu)α（ν）由單(dan)位體(ti)(ti)積內氣(qi)(qi)體(ti)(ti)分子(zi)的密度(du)Ng和氣(qi)(qi)體(ti)(ti)分子(zi)的吸(xi)(xi)收截面ξ(ν)共同決定，即有：

（2）：αν=ξνNg

氣體環境受到影響時，氣體吸收譜線有可能會加寬。氣體分子吸收線型加寬的物理機制可分為自然加寬、碰撞加寬和多普勒加寬3種形式。
當能量為I0、調制角頻率為ω的入射光照射至長度為L的氣體腔（即光對氣體的有效吸收長度為L）時，氣體吸收光而產生的總熱量Htot為：

（3）：Htot=I0(1-e-ανL)ei(ωt-φ)

式中(zhong)φ代表(biao)激發態粒子數密度(du)與光(guang)(guang)(guang)子流密度(du)之間的(de)相位(wei)延遲。當(dang)調制的(de)入(ru)射光(guang)(guang)(guang)照射至氣(qi)(qi)體(ti)光(guang)(guang)(guang)聲共振腔時，氣(qi)(qi)體(ti)中(zhong)將會產生(sheng)周期性調制的(de)局部熱(re)(re)源(yuan)，周期性地向(xiang)周圍其他氣(qi)(qi)體(ti)分子擴(kuo)散，因而激勵出同(tong)頻(pin)的(de)聲波信(xin)(xin)(xin)號。產生(sheng)的(de)聲波信(xin)(xin)(xin)號S與氣(qi)(qi)體(ti)吸收(shou)光(guang)(guang)(guang)產生(sheng)的(de)熱(re)(re)源(yuan)信(xin)(xin)(xin)號Htot、氣(qi)(qi)體(ti)對入(ru)射光(guang)(guang)(guang)的(de)吸收(shou)長度(du)L、光(guang)(guang)(guang)聲池常數C和(he)光(guang)(guang)(guang)聲池所使用(yong)的(de)信(xin)(xin)(xin)號探測器的(de)靈敏度(du)Rmic相關，即有(you)：

（4）： S=HtotCLRmic=I0(1-e-αkνL)CLRmicei(ωt-φ)

光聲(sheng)池(chi)(chi)常數表征系統中所應用(yong)的(de)光聲(sheng)池(chi)(chi)能(neng)夠將所吸(xi)收的(de)入射光經過熱、聲(sheng)和(he)電(dian)等形式最終(zhong)轉換為系統輸出電(dian)信號的(de)能(neng)力(li)，表示為： 

（5）：C=(γ-1)GLVQ1ω1p1(rmic)

式中：γ=Cp/Cv為比熱容比，Cp和Cv分別為等壓和等容熱容量；V表示光聲池體積；G為光聲池幾何系數，表征光聲池與入射光形狀大小等參數的耦合效率；Q1表示當光聲池工作于共振頻率時的光聲池品質因數；p1表示位于聲學探測器處rmic的聲壓信號幅值。

1. 光聲效應的主要優點是靈敏度基本上不依賴于光路長度。這使得痕量氣體分析儀，在極低樣品的體積和短吸收路徑長度下有很高靈敏度

和很寬動(dong)態(tai)測量范圍內的高(gao)線(xian)性(xing)濃度(du)響應成(cheng)為(wei)可(ke)能。

2. 無干(gan)擾信(xin)號，結果(guo)極(ji)為準確:吸收是直接(jie)測量的，與背(bei)景(jing)無關(guan)。因此，PAS是檢測氣(qi)體*靈敏(min)的方法之一，常(chang)用于微量氣(qi)體分析(xi)。

3. 樣品體積(ji)小(xiao)(xiao)，取樣池(chi)體積(ji)小(xiao)(xiao):小(xiao)(xiao)尺寸的PAS電池(chi)可以(yi)測(ce)量非常小(xiao)(xiao)的氣體體積(ji)。與(yu)傳(chuan)統方(fang)法相比，樣品體積(ji)可以(yi)大幅度減少。

4. 巨(ju)大(da)的價格優勢:另一個(ge)優點是，PAS通(tong)常比(bi)其他氣(qi)體分析方(fang)法便(bian)宜(yi)。原因是麥克風探測器(qi)比(bi)(紅外線)探測器(qi)便(bian)宜(yi)。

5. 低漂(piao)移量:麥克(ke)風(feng)探測器的響(xiang)應非常穩定。因此，漂(piao)移量很(hen)小，很(hen)少需要校準。