高靈敏度光聲光譜儀及其生物學(xué)應(yīng)用研究

高靈敏度光聲光譜儀及其生物學(xué)應(yīng)用研究
引 言 以cO c 激光器激勵(lì)的光聲光譜檢測(cè)技術(shù)相對(duì)常規(guī)吸收光譜測(cè)量，屬一種無背景的光 譜測(cè)量技術(shù)，具有極高的檢測(cè)靈敏度。早在80年代，這一技術(shù)就得到快速發(fā)展，在大氣污染檢 測(cè)等方面得到應(yīng)用. 。近年來，隨著生命科學(xué)的發(fā)展，對(duì)微量氣體的測(cè)量提出了更高的要求， 促使光聲光譜檢測(cè)技術(shù)不斷向更高的靈敏度，更快的響應(yīng)速度和連續(xù)自動(dòng)測(cè)量的方向發(fā)展。 我們的研究目的就是通過優(yōu)化光聲池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，采用激光腔內(nèi)激發(fā)方式，多譜線測(cè)量和計(jì)算機(jī) 控制及數(shù)據(jù)處理技術(shù)，進(jìn)一步提高光聲檢測(cè)系統(tǒng)的性能，使其能滿足生物樣品氣體分析測(cè)量的 需要。

光聲光譜檢測(cè)技術(shù)用于植物氣體交換研究是近年來開辟的一個(gè)新的應(yīng)用領(lǐng)域_2j，由于傳 統(tǒng)的氣相色譜檢測(cè)方法只能間斷采樣．靈敏度低，往往需要長時(shí)間積累收集氣體．干擾植物樣 品的生理過程．引起測(cè)量誤差。而高靈敏度的光聲光譜檢測(cè)技術(shù)則消除了上述缺點(diǎn)，為生物組 織微量氣體交換研究提供了一種新的手段。作者首次利用光聲檢測(cè)技術(shù)測(cè)量了油桃果實(shí)受 熏蒸脅迫后 產(chǎn)量的連續(xù)變化，顯示了該系統(tǒng)的良好的工作性能。 -國索自然辯學(xué)基金資助頻譜分析儀| 電池測(cè)試儀| 相序表| 萬用表| 功率計(jì)| 示波器| 電阻測(cè)試儀| 電阻計(jì)| 電表| 鉗表| 高斯計(jì)| 電磁場(chǎng)測(cè)試儀| 電源供應(yīng)器| 電能質(zhì)量分析儀|。

1 基于CO／COz激光器的腔內(nèi)吸收光聲光譜儀 如圖1所示，光聲光譜儀由 可調(diào)諧CO／CCh激光器、縱向共 振光聲池和計(jì)算機(jī)控制及數(shù)據(jù)采 集系統(tǒng)組成。在氣體吸收未達(dá)到 飽和的情況下，光聲池內(nèi)激光激 發(fā)的光聲信號(hào)幅度與氣體濃度及 激光功率成線性關(guān)系： A = FegSP + N (1) 式中，A 表示微音器輸出的光聲 信號(hào)電壓幅度；F 為光聲池常 數(shù)，取決于光聲池的幾何設(shè)計(jì)；c 為樣品氣體濃度； 是氣體的吸 c“ l_曇hlp a 一b c口刪e l cu"t I flowtuwttm Fig．1 The schematic drawing of the CO／C~ la3er based photoacot~tic spectrometer and bicloglc．1 tra∞ gas，m tag system 收系數(shù)；s為微音器的靈敏度；P為激光功率；N 表示噪聲電壓幅度，其中主要是同頻相干噪 聲。當(dāng)系統(tǒng)的噪聲無法繼續(xù)降低時(shí)，提高激光功率即可提高信噪比，從而降低被淵氣體的最低 可檢測(cè)濃度。采用激光腔內(nèi)放置光聲池的方法可將用于激勵(lì)光聲信號(hào)的激光功率提高近兩個(gè) 數(shù)量級(jí)．從而使系統(tǒng)的檢測(cè)靈敏度極限(FcsP／Ⅳ=1)提高近兩個(gè)數(shù)量級(jí)。系統(tǒng)各部分的詳細(xì) 性能介紹如下。

1．1 可調(diào)諧CO／COl激光器殛其工作特性 激光器放電管由石英玻璃制成，中央放電管直徑10mm．有效放電長度為80cm．分成對(duì)稱 兩段放電。放電管的冷卻根據(jù)激光工作波段不同采用不同的方式，當(dāng)作為CO激光器工作時(shí)， 充入液氮冷卻，作為cch激光器工作時(shí)，采用循環(huán)水冷卻。光學(xué)諧振腔由選頻光柵和全反射 鏡組成。光柵刻線為150／mm，零級(jí)衍射作為激光輸出，耦合率為5％ 。光柵的轉(zhuǎn)動(dòng)選頻由計(jì) 算機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)完成。全反射端鏡安裝在一個(gè)PzT驅(qū)動(dòng)臺(tái)上，由計(jì)算機(jī)控制，進(jìn)行腔 長的優(yōu)化。光學(xué)諧振腔長度為200cm。 激光工作氣體采用流動(dòng)式，根據(jù)運(yùn)行波段的不同選用CO ．N2，He或cch，N2．He。激光器 的可調(diào)諧光譜范圍為：5～8 m 和9．2～10．9urn。其中較強(qiáng)譜線的輸出功率大于2W，相應(yīng)腔 內(nèi)激光功率約8aw。

1．2 縱向共振光聲池設(shè)計(jì)參數(shù) 如圖1所示．光聲池為縱向共振式，共振管長150ram，直徑14ram，為開端共振腔。兩端緩 沖腔長度為聲共振管的1／2(75mm，1／4波長)，直徑80ram，用以抑制窗片吸收引起的相干噪 聲。窗片采用ZnSe晶體，以Brewster角安裝。微音器采用Konwles公司的EK一3033型。樣 品氣體通過共振管的中央進(jìn)入光聲池，在兩端緩沖腔處排出，以縮短光聲信號(hào)響應(yīng)時(shí)間。實(shí)驗(yàn) 測(cè)得光聲池的品質(zhì)因素Q=21，共振頻率(基頻)為1170Hz。

1．3 計(jì)算機(jī)控制和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng) 對(duì)單一氣體的測(cè)量．采用雙波長差分方法計(jì)算樣品的濃度，進(jìn)一步消除背景噪聲的影響。 對(duì)C2 的測(cè)量，選co2激光10P(14)作為測(cè)量線，相鄰的10P(12)作為參考線。計(jì)算機(jī)控制 和測(cè)量過程如下：(1)光柵選擇譜線．調(diào)諧；(2)控制PZT做腔長掃描，將激光振蕩穩(wěn)定在譜線 的中心頻率處；(3)分別對(duì)激光功率和光聲信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集；(4)驅(qū)動(dòng)光柵選另一條譜線重復(fù) 上述測(cè)量過程；(5)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，計(jì)算濃度值；(6)實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前濃度值和時(shí)間一濃度曲線圖 形。光聲信號(hào)和激光功率信號(hào)經(jīng)前置放大器放大，送入鎖相放大器(EG＆G，5105)轉(zhuǎn)換成直流 電壓后，經(jīng)RS232接口送入計(jì)算機(jī)，全部測(cè)量過程都在計(jì)算機(jī)控制下自動(dòng)、連續(xù)地完成。對(duì)純 凈N2和lppm c2H4標(biāo)準(zhǔn)氣體的測(cè)量結(jié)果表明，系統(tǒng)對(duì)c2H4的最高檢測(cè)靈敏度(信噪比=1) 達(dá)到20ppt(2x10I1 )。

2 油桃果實(shí)對(duì)q 脅迫反應(yīng)的監(jiān)測(cè) 在某些水果的貯藏過程中．有時(shí)采用。1熏蒸的方法殺菌消毒_3 J，以延長保鮮期。但過量 03熏蒸會(huì)加快水果成熟．甚至使水果受到傷害。利用水果在脅迫環(huán)境下氣體激素c2H4釋放 量增加的效應(yīng)，對(duì)O3熏蒸后油桃c2 H4產(chǎn)量的變化進(jìn)行監(jiān)測(cè)，可以定量地評(píng)價(jià)O 對(duì)油桃生理 過程的影響，為確定最適當(dāng)?shù)?曝氣量提供了一種新的方法。

2．1 熏蒸和C2II‘測(cè)量方法 選擇前一天(9月20日)摘取的油桃放入樣品室，測(cè)量 H4產(chǎn)量。載氣為壓縮空氣．流量 為6L／h，氣體流過樣品室后，首先經(jīng)過KOH去除空氣和水果釋放出的()O2氣體，然后經(jīng)過低 溫冷阱去除水汽，進(jìn)入光聲池測(cè)量。對(duì)多個(gè)油桃的測(cè)量結(jié)果均為0．08-0．09nLgI1h_。。 將一個(gè)經(jīng)過 H4測(cè)量的油桃放入另一個(gè)樣品室，連續(xù)吹入含58ppm 03的空氣2h。 含量用co2激光譜線9P(8)和9P(10)測(cè)量，其吸收系數(shù)分別為14．7cm arm 和 6．6cmI1arm—to然后取出放入測(cè)量樣品室I，沒有經(jīng)過 熏蒸的油桃作為參照放入測(cè)量樣 品室Ⅱ。對(duì)兩個(gè)樣品室的樣品采集由計(jì)算機(jī)控制交替進(jìn)行，每10rain切換一次．連續(xù)記錄 c2 H4產(chǎn)量的變化。

2．2 油桃的 脅迫反應(yīng) 圖2是對(duì)兩個(gè)油桃的c2H4產(chǎn)量連續(xù)測(cè)量 22h的結(jié)果，其中產(chǎn)量較低的數(shù)據(jù)點(diǎn)是參照油 桃的c2H4產(chǎn)量，較高的數(shù)據(jù)點(diǎn)是經(jīng) 熏蒸2h 的油桃的c2 H4產(chǎn)量，可見． 熏蒸使油桃受到 嚴(yán)重脅迫，引起c2 H4產(chǎn)量急劇增加．第3h達(dá) 到高峰22nLgI1h_。。隨后逐漸恢復(fù)到穩(wěn)定釋放 量1．3nLgI1h一1但仍高于參考樣品。顯然，高 c2H4釋放量引起果實(shí)加速成熟。36h后的外 ●hTk(b) Fig．2 Et lehe production of 0，treatL~ and con— trolled nenarine fruit 形和切片觀察也證實(shí)了這一點(diǎn)，經(jīng)O 熏蒸后的油桃較參考油桃明顯變黃變軟。

3 結(jié) ．論 基于co／cob激光器的光聲光譜儀可以測(cè)量多種與植物氣體交換有關(guān)的微量氣體，如乙 烯、乙醛和乙醇蒸氣、一氧化氮、臭氧等，具有靈敏度高，響應(yīng)速度快，可連續(xù)監(jiān)測(cè)等優(yōu)點(diǎn)。我們 的研究工作將co激光器與O 激光器結(jié)合，通過改變工作氣體成分和調(diào)節(jié)光柵即可選擇需 要的工作譜線，對(duì)某一種或多種氣體成分同時(shí)分析測(cè)量。通過采用激光腔內(nèi)吸收的方式使用 于激發(fā)光聲信號(hào)的激光功率提高近兩個(gè)數(shù)量級(jí)，從而使微量氣體檢測(cè)靈敏度較腔外吸收的方