86、光声光谱技术：原理、应用与仪器优化

光声光谱技术：原理、应用与仪器优化

1. 光声光谱技术简介

光声光谱（PAS）是一种独特的采样技术，旨在快速轻松地获取样品的吸收光谱。传统的傅里叶变换红外（FT - IR）采样技术，如透射或反射方法，在分析某些样品时存在局限性，例如样品透光不足或表面及粒度条件不适合反射光谱分析。而PAS技术不要求样品具有透光性，对表面条件敏感度低，且能在几微米到超过100 µm的可选采样深度范围内进行探测。

PAS信号的产生源于FT - IR光束被样品吸收，导致样品吸收加热并使温度振荡，进而产生热波。热波在样品中传播并衰减，其衰减过程决定了采样深度。通过FT - IR计算机控制降低干涉仪施加的IR光束调制频率，可以增加采样深度。随着采样深度的增加，PAS光谱中强谱带的饱和度也会增加，类似于透射吸收光谱中样品厚度增加的情况。

2. 光声信号的产生、处理与解读

2.1 光声信号产生模型

光声信号的产生可以通过热传导方程进行建模，假设样品和相邻气体中存在一维热流，且样品为光学和热学均匀的厚板状，后表面热接地且无光学反射。FT - IR干涉仪调制入射到样品的IR光束强度，光束在样品中以吸收系数α(ν)指数衰减，吸收的辐射大部分转化为热量，使每个吸收层的温度以光束调制频率振荡，从而产生热波。

2.2 热波的重要特性

• 短衰减长度 ：热波具有短的衰减长度L，由公式$L = \sqrt{\frac{D}{\pi f}}$给出，其中D为样品的热扩散率，f为IR光束调制频率。热波在传播距离L后衰减到原始振幅的37%，这一特性使得即使是不透明样品的光声光谱也能避免像透射光谱那