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 激光器激勵的光聲光譜檢測技術(shù)相對常規(guī)吸收光譜測量，屬一種無背景的光 譜測量技術(shù)，具有極高的檢測靈敏度。早在80年代，這一技術(shù)就得到快速發(fā)展，在大氣污染檢 測等方面得到應(yīng)用. 。近年來，隨著生命科學(xué)的發(fā)展，對微量氣體的測量提出了更高的要求， 促使光聲光譜檢測技術(shù)不斷向更高的靈敏度，更快的響應(yīng)速度和連續(xù)自動測量的方向發(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，采用激光腔內(nèi)激發(fā)方式，多譜線測量和計算機 控制及數(shù)據(jù)處理技術(shù)，進一步提高光聲檢測系統(tǒng)的性能，使其能滿足生物樣品氣體分析測量的 需要。

光聲光譜檢測技術(shù)用于植物氣體交換研究是近年來開辟的一個新的應(yīng)用領(lǐng)域_2j，由于傳 統(tǒng)的氣相色譜檢測方法只能間斷采樣．靈敏度低，往往需要長時間積累收集氣體．干擾植物樣 品的生理過程．引起測量誤差。而高靈敏度的光聲光譜檢測技術(shù)則消除了上述缺點，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技術(shù)測量了油桃果實受 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| 電池測試儀| 相序表| 萬用表| 功率計| 示波器| 電阻測試儀| 電阻計| 電表| 鉗表| 高斯計| 電磁場測試儀| 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 振光聲池和計算機控制及數(shù)據(jù)采 集系統(tǒng)組成。在氣體吸收未達到 飽和的情況下，光聲池內(nèi)激光激 發(fā)的光聲信號幅度與氣體濃度及 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 信號電壓幅度；F 為光聲池常 數(shù)，取決于光聲池的幾何設(shè)計；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，提高激光功率即可提高信噪比，從而降低被淵氣體的最低 可檢測濃度。采用激光腔內(nèi)放置光聲池的方法可將用于激勵光聲信號的激光功率提高近兩個 數(shù)量級．從而使系統(tǒng)的檢測靈敏度極限(FcsP／Ⅳ=1)提高近兩個數(shù)量級。系統(tǒng)各部分的詳細 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， 充入液氮冷卻，作為cch激光器工作時，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，零級衍射作為激光輸出，耦合率為5％ 。光柵的轉(zhuǎn)動選頻由計 算機控制步進電機驅(qū)動完成。全反射端鏡安裝在一個PzT驅(qū)動臺上，由計算機控制，進行腔 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式，根據(jù)運行波段的不同選用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入光聲池，在兩端緩沖腔處排出，以縮短光聲信號響應(yīng)時間。實驗 測得光聲池的品質(zhì)因素Q=21，共振頻率(基頻)為1170Hz。

1．3 計算機控制和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng) 對單一氣體的測量．采用雙波長差分方法計算樣品的濃度，進一步消除背景噪聲的影響。 對C2 的測量，選co2激光10P(14)作為測量線，相鄰的10P(12)作為參考線。計算機控制 和測量過程如下：(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)分別對激光功率和光聲信號進行數(shù)據(jù)采集；(4)驅(qū)動光柵選另一條譜線重復(fù) 上述測量過程；(5)進行數(shù)據(jù)處理，計算濃度值；(6)實時顯示當(dāng)前濃度值和時間一濃度曲線圖 形。光聲信號和激光功率信號經(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接口送入計算機，全部測量過程都在計算機控制下自動、連續(xù)地完成。對純 凈N2和lppm c2H4標(biāo)準(zhǔn)氣體的測量結(jié)果表明，系統(tǒng)對c2H4的最高檢測靈敏度(信噪比=1) 達到20ppt(2x10I1 )。

2 油桃果實對q 脅迫反應(yīng)的監(jiān)測 在某些水果的貯藏過程中．有時采用。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O3熏蒸后油桃c2 H4產(chǎn)量的變化進行監(jiān)測，可以定量地評價O 對油桃生理 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‘測量方法 選擇前一天(9月20日)摘取的油桃放入樣品室，測量 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，進入光聲池測量。對多個油桃的測量結(jié)果均為0．08-0．09nLgI1h_。。 將一個經(jīng)過 H4測量的油桃放入另一個樣品室，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)測量，其吸收系數(shù)分別為14．7cm arm 和 6．6cmI1arm—to然后取出放入測量樣品室I，沒有經(jīng)過 熏蒸的油桃作為參照放入測量樣 品室Ⅱ。對兩個樣品室的樣品采集由計算機控制交替進行，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是對兩個油桃的c2H4產(chǎn)量連續(xù)測量 22h的結(jié)果，其中產(chǎn)量較低的數(shù)據(jù)點是參照油 桃的c2H4產(chǎn)量，較高的數(shù)據(jù)點是經(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 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了這一點，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)測等優(yōu)點。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，對某一種或多種氣體成分同時分析測量。通過采用激光腔內(nèi)吸收的方式使用 于激發(fā)光聲信號的激光功率提高近兩個數(shù)量級，從而使微量氣體檢測靈敏度較腔外吸收的方