高靈敏度光聲光譜儀及其生物學(xué)應用研究
引 言 以cO c 激光器激勵的光聲光譜檢測技術(shù)相對常規吸收光譜測量，屬一種無(wú)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 測等方面得到應用. 。近年來(lái)，隨著(zhù)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，更快的響應速度和連續自動(dòng)測量的方向發(fā)展。 我們的研究目的就是通過(guò)優(yōu)化光聲池結構設計，采用激光腔內激發(fā)方式，多譜線(xiàn)測量和計算機 控制及數據處理技術(shù)，進(jìn)一步提高光聲檢測系統的性能，使其能滿(mǎn)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(lái)開(kāi)辟的一個(gè)新的應用領(lǐng)域_2j，由于傳 統的氣相色譜檢測方法只能間斷采樣．靈敏度低，往往需要長(cháng)時(shí)間積累收集氣體．干擾植物樣 品的生理過(guò)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(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技術(shù)測量了油桃果實(shí)受 熏蒸脅迫后 產(chǎn)量的連續變化，顯示了該系統的良好的工作性能。 -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(wàn)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(chǎng)測試儀| 電源供應器| 電能質(zhì)量分析儀|。

1 基于CO／COz激光器的腔內吸收光聲光譜儀 如圖1所示，光聲光譜儀由 可調諧CO／CCh激光器、縱向共 振光聲池和計算機控制及數據采 集系統組成。在氣體吸收未達到 飽和的情況下，光聲池內激光激 發(fā)的光聲信號幅度與氣體濃度及 激光功率成線(xiàn)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，取決于光聲池的幾何設計；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；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。當系統的噪聲無(wú)法繼續降低時(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 可檢測濃度。采用激光腔內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(gè) 數量級．從而使系統的檢測靈敏度極限(FcsP／Ⅳ=1)提高近兩個(gè)數量級。系統各部分的詳細 性能介紹如下。

1．1 可調諧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(cháng)度為80cm．分成對稱(chēng) 兩段放電。放電管的冷卻根據激光工作波段不同采用不同的方式，當作為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(xiàn)為150／mm，零級衍射作為激光輸出，耦合率為5％ 。光柵的轉動(dòng)選頻由計 算機控制步進(jìn)電機驅動(dòng)完成。全反射端鏡安裝在一個(gè)PzT驅動(dòng)臺上，由計算機控制，進(jìn)行腔 長(cháng)的優(yōu)化。光學(xué)諧振腔長(cháng)度為200cm。 激光工作氣體采用流動(dòng)式，根據運行波段的不同選用CO ．N2，He或cch，N2．He。激光器 的可調諧光譜范圍為：5～8 m 和9．2～10．9urn。其中較強譜線(xiàn)的輸出功率大于2W，相應腔 內激光功率約8aw。

1．2 縱向共振光聲池設計參數 如圖1所示．光聲池為縱向共振式，共振管長(cháng)150ram，直徑14ram，為開(kāi)端共振腔。兩端緩 沖腔長(cháng)度為聲共振管的1／2(75mm，1／4波長(cháng))，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(guò)共振管的中央進(jìn)入光聲池，在兩端緩沖腔處排出，以縮短光聲信號響應時(shí)間。實(shí)驗 測得光聲池的品質(zhì)因素Q=21，共振頻率(基頻)為1170Hz。

1．3 計算機控制和數據處理系統 對單一氣體的測量．采用雙波長(cháng)差分方法計算樣品的濃度，進(jìn)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(xiàn)，相鄰的10P(12)作為參考線(xiàn)。計算機控制 和測量過(guò)程如下：(1)光柵選擇譜線(xiàn)．調諧；(2)控制PZT做腔長(cháng)掃描，將激光振蕩穩定在譜線(xiàn) 的中心頻率處；(3)分別對激光功率和光聲信號進(jìn)行數據采集；(4)驅動(dòng)光柵選另一條譜線(xiàn)重復 上述測量過(guò)程；(5)進(jìn)行數據處理，計算濃度值；(6)實(shí)時(shí)顯示當前濃度值和時(shí)間一濃度曲線(xiàn)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)轉換成直流 電壓后，經(jīng)RS232接口送入計算機，全部測量過(guò)程都在計算機控制下自動(dòng)、連續地完成。對純 凈N2和lppm c2H4標準氣體的測量結果表明，系統對c2H4的最高檢測靈敏度(信噪比=1) 達到20ppt(2x10I1 )。

2 油桃果實(shí)對q 脅迫反應的監測 在某些水果的貯藏過(guò)程中．有時(shí)采用。1熏蒸的方法殺菌消毒_3 J，以延長(cháng)保鮮期。但過(guò)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，對O3熏蒸后油桃c2 H4產(chǎn)量的變化進(jìn)行監測，可以定量地評價(jià)O 對油桃生理 過(guò)程的影響，為確定最適當的 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(guò)樣品室后，首先經(jīng)過(guò)KOH去除空氣和水果釋放出的()O2氣體，然后經(jīng)過(guò)低 溫冷阱去除水汽，進(jìn)入光聲池測量。對多個(gè)油桃的測量結果均為0．08-0．09nLgI1h_。。 將一個(gè)經(jīng)過(guò) H4測量的油桃放入另一個(gè)樣品室，連續吹入含58ppm 03的空氣2h。 含量用co2激光譜線(xiàn)9P(8)和9P(10)測量，其吸收系數分別為14．7cm arm 和 6．6cmI1arm—to然后取出放入測量樣品室I，沒(méi)有經(jīng)過(guò) 熏蒸的油桃作為參照放入測量樣 品室Ⅱ。對兩個(gè)樣品室的樣品采集由計算機控制交替進(jìn)行，每10rain切換一次．連續記錄 c2 H4產(chǎn)量的變化。

2．2 油桃的 脅迫反應 圖2是對兩個(gè)油桃的c2H4產(chǎn)量連續測量 22h的結果，其中產(chǎn)量較低的數據點(diǎn)是參照油 桃的c2H4產(chǎn)量，較高的數據點(diǎn)是經(jīng) 熏蒸2h 的油桃的c2 H4產(chǎn)量，可見(jiàn)． 熏蒸使油桃受到 嚴重脅迫，引起c2 H4產(chǎn)量急劇增加．第3h達 到高峰22nLgI1h_。。隨后逐漸恢復到穩定釋放 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(guān)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 ．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，響應速度快，可連續監測等優(yōu)點(diǎn)。我們 的研究工作將co激光器與O 激光器結合，通過(guò)改變工作氣體成分和調節光柵即可選擇需 要的工作譜線(xiàn)，對某一種或多種氣體成分同時(shí)分析測量。通過(guò)采用激光腔內吸收的方式使用 于激發(fā)光聲信號的激光功率提高近兩個(gè)數量級，從而使微量氣體檢測靈敏度較腔外吸收的方