高灵敏度光声光谱仪及其生物学应用研究
引 言 以cO c 激光器激励的光声光谱检测技术相对常规吸收光谱测量，属一种无背景的光 谱测量技术，具有极高的检测灵敏度。早在80年代，这一技术就得到快速发展，在大气污染检 测等方面得到应用. 。近年来，随着生命科学的发展，对微量气体的测量提出了更高的要求， 促使光声光谱检测技术不断向更高的灵敏度，更快的响应速度和连续自动测量的方向发展。 我们的研究目的就是通过优化光声池结构设计，采用激光腔内激发方式，多谱线测量和计算机 控制及数据处理技术，进一步提高光声检测系统的性能，使其能满足生物样品气体分析测量的 需要。
光声光谱检测技术用于植物气体交换研究是近年来开辟的一个新的应用领域_2j，由于传 统的气相色谱检测方法只能间断采样．灵敏度低，往往需要长时间积累收集气体．干扰植物样 品的生理过程．引起测量误差。而高灵敏度的光声光谱检测技术则消除了上述缺点，为生物组 织微量气体交换研究提供了一种新的手段。作者首次利用光声检测技术测量了油桃果实受 熏蒸胁迫后 产量的连续变化，显示了该系统的良好的工作性能。 -国索自然辩学基金资助频谱分析仪| 电池测试仪| 相序表| 万用表| 功率计| 示波器| 电阻测试仪| 电阻计| 电表| 钳表| 高斯计| 电磁场测试仪| 电源供应器| 电能质量分析仪|。
1 基于CO／COz激光器的腔内吸收光声光谱仪 如图1所示，光声光谱仪由 可调谐CO／CCh激光器、纵向共 振光声池和计算机控制及数据采 集系统组成。在气体吸收未达到 饱和的情况下，光声池内激光激 发的光声信号幅度与气体浓度及 激光功率成线性关系： A = FegSP + N (1) 式中，A 表示微音器输出的光声 信号电压幅度；F 为光声池常 数，取决于光声池的几何设计；c 为样品气体浓度； 是气体的吸 c“ l_昙hlp a 一b c口删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 收系数；s为微音器的灵敏度；P为激光功率；N 表示噪声电压幅度，其中主要是同频相干噪 声。当系统的噪声无法继续降低时，提高激光功率即可提高信噪比，从而降低被渊气体的最低 可检测浓度。采用激光腔内放置光声池的方法可将用于激励光声信号的激光功率提高近两个 数量级．从而使系统的检测灵敏度极限(FcsP／Ⅳ=1)提高近两个数量级。系统各部分的详细 性能介绍如下。
1．1 可调谐CO／COl激光器殛其工作特性 激光器放电管由石英玻璃制成，中央放电管直径10mm．有效放电长度为80cm．分成对称 两段放电。放电管的冷却根据激光工作波段不同采用不同的方式，当作为CO激光器工作时， 充入液氮冷却，作为cch激光器工作时，采用循环水冷却。光学谐振腔由选频光栅和全反射 镜组成。光栅刻线为150／mm，零级衍射作为激光输出，耦合率为5％ 。光栅的转动选频由计 算机控制步进电机驱动完成。全反射端镜安装在一个PzT驱动台上，由计算机控制，进行腔 长的优化。光学谐振腔长度为200cm。 激光工作气体采用流动式，根据运行波段的不同选用CO ．N2，He或cch，N2．He。激光器 的可调谐光谱范围为：5～8 m 和9．2～10．9urn。其中较强谱线的输出功率大于2W，相应腔 内激光功率约8aw。
1．2 纵向共振光声池设计参数 如图1所示．光声池为纵向共振式，共振管长150ram，直径14ram，为开端共振腔。两端缓 冲腔长度为声共振管的1／2(75mm，1／4波长)，直径80ram，用以抑制窗片吸收引起的相干噪 声。窗片采用ZnSe晶体，以Brewster角安装。微音器采用Konwles公司的EK一3033型。样 品气体通过共振管的中央进入光声池，在两端缓冲腔处排出，以缩短光声信号响应时间。实验 测得光声池的品质因素Q=21，共振频率(基频)为1170Hz。
1．3 计算机控制和数据处理系统 对单一气体的测量．采用双波长差分方法计算样品的浓度，进一步消除背景噪声的影响。 对C2 的测量，选co2激光10P(14)作为测量线，相邻的10P(12)作为参考线。计算机控制 和测量过程如下：(1)光栅选择谱线．调谐；(2)控制PZT做腔长扫描，将激光振荡稳定在谱线 的中心频率处；(3)分别对激光功率和光声信号进行数据采集；(4)驱动光栅选另一条谱线重复 上述测量过程；(5)进行数据处理，计算浓度值；(6)实时显示当前浓度值和时间一浓度曲线图 形。光声信号和激光功率信号经前置放大器放大，送入锁相放大器(EG＆G，5105)转换成直流 电压后，经RS232接口送入计算机，全部测量过程都在计算机控制下自动、连续地完成。对纯 净N2和lppm c2H4标准气体的测量结果表明，系统对c2H4的最高检测灵敏度(信噪比=1) 达到20ppt(2x10I1 )。
2 油桃果实对q 胁迫反应的监测 在某些水果的贮藏过程中．有时采用。1熏蒸的方法杀菌消毒_3 J，以延长保鲜期。但过量 03熏蒸会加快水果成熟．甚至使水果受到伤害。利用水果在胁迫环境下气体激素c2H4释放 量增加的效应，对O3熏蒸后油桃c2 H4产量的变化进行监测，可以定量地评价O 对油桃生理 过程的影响，为确定最适当的 曝气量提供了一种新的方法。
2．1 熏蒸和C2II‘测量方法 选择前一天(9月20日)摘取的油桃放入样品室，测量 H4产量。载气为压缩空气．流量 为6L／h，气体流过样品室后，首先经过KOH去除空气和水果释放出的()O2气体，然后经过低 温冷阱去除水汽，进入光声池测量。对多个油桃的测量结果均为0．08-0．09nLgI1h_。。 将一个经过 H4测量的油桃放入另一个样品室，连续吹入含58ppm 03的空气2h。 含量用co2激光谱线9P(8)和9P(10)测量，其吸收系数分别为14．7cm arm 和 6．6cmI1arm—to然后取出放入测量样品室I，没有经过 熏蒸的油桃作为参照放入测量样 品室Ⅱ。对两个样品室的样品采集由计算机控制交替进行，每10rain切换一次．连续记录 c2 H4产量的变化。
2．2 油桃的 胁迫反应 图2是对两个油桃的c2H4产量连续测量 22h的结果，其中产量较低的数据点是参照油 桃的c2H4产量，较高的数据点是经 熏蒸2h 的油桃的c2 H4产量，可见． 熏蒸使油桃受到 严重胁迫，引起c2 H4产量急剧增加．第3h达 到高峰22nLgI1h_。。随后逐渐恢复到稳定释放 量1．3nLgI1h一1但仍高于参考样品。显然，高 c2H4释放量引起果实加速成熟。36h后的外 ●hTk(b) Fig．2 Et lehe production of 0，treatL~ and con— trolled nenarine fruit 形和切片观察也证实了这一点，经O 熏蒸后的油桃较参考油桃明显变黄变软。
3 结 ．论 基于co／cob激光器的光声光谱仪可以测量多种与植物气体交换有关的微量气体，如乙 烯、乙醛和乙醇蒸气、一氧化氮、臭氧等，具有灵敏度高，响应速度快，可连续监测等优点。我们 的研究工作将co激光器与O 激光器结合，通过改变工作气体成分和调节光栅即可选择需 要的工作谱线，对某一种或多种气体成分同时分析测量。通过采用激光腔内吸收的方式使用 于激发光声信号的激光功率提高近两个数量级，从而使微量气体检测灵敏度较腔外吸收的方
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