Фотоакустическая спектроскопия

Возбуждение молекулы при поглощении излучения дает начало целому ряду процессов, в результате которых избыток энергии диссилирует, и молекула возвращается в основное состояние. Эти процессы можно разделить на излучательные (флуоресценция и фосфоресценция) и безизлучательные.

Если исследуемое вещество представляет собой жидкость или газ, энергия соответствующих переходов расходуется на увеличение теплового движения всех молекул пробы. Если же вещество - твердое тело, энергия сначала идет на усиление колебаний кристаллической решетки, затем она может быть передана любому газу или жидкости, соприкасающимся с пробой. Так или иначе, энергия переходит в тепло, поэтому путем измерения повышения температуры можно получить полезную информацию.

В фотоакустической спектроскопии (ФАК) используют прерывающийся (модулированный) поток излучения, в результате чего в пробе возникают тепловые колебания с частотой модуляции изучения. Периодические изменения колебательной энергии распространяются через среду в виде звуковой волны. Любую волну можно охарактеризовать тремя параметрами: амплитудой, скоростью и частотой. В данном случае под частотой имеется в виду частота модуляции, под скоростью - скорость звука в данной среде, а амплитуда соответствует количеству поглощенной и перешедшей в теплоту энергии.

Для измерения акустического сигнала можно использовать два устройства: микрофон и пьезоэлектрический датчик. Если излучение поглощается газом, то звуковую волну можно регистрировать непосредственно микрофоном. Если же проба - твердое вещество, то пробу вместе с микрофоном помещают в замкнутое пространство, заполненное газом. Звуковая волна, возникающая в пробе, на пути к микрофону проходит через границу раздела твердое тело - газ, где происходит значительная потеря энергии; после прохождения через границу раздела энергию можно усилить с помощью электронного усилителя. ФАС имеет ряд существенных достоинств по сравнению с обычной абсорбционной спектроскопией. Во-первых, это единственный надежный метод получения спектров непрозрачных твердых веществ; во вторых, благодаря высокой чувствительности, метод ФАС можно использовать для измерения поглощения веществ с очень малой оптической плотностью, и, в третьих, помехи от рассеянного излучения в данном случае минимальны, так как обнаружено лишь то излучение, которое действительно поглощается.

Наибольшее применение метод ФАС нашел при исследовании биологических и биохимических систем, в которых часто наблюдается сильное светорассеяние.

ФАС применяют также при детектировании в жидкостной хроматографии.

Вопросы для самоконтроля

1. Какой поток излучения используется в методе фотоакустической спектроскопии?

2. Какими тремя параметрами можно охарактеризовать звуковую волну, распространяющуюся в измеряемом образце?

3. Какие устройства можно использовать для измерения акустического сигнала?

4. Какие преимущества метода фотоакустической спектроскопии перед абсорбционной спектроскопией?

5. Каковы области применения фотоакустический спектроскопии?