7. 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?

Тест по теме

Фотоакустическая спектроскопия - это единственный наиболее надежный метод получения спектров:

1. непрозрачных твердых веществ?

2. жидкостей?

3. газов?