оптико-акустическая спектроскопия

ОПТИКО-АКУСТИЧЕСКАЯ СПЕКТРОСКОПИЯ

раздел спектроскопии, основанный на оптико-акустич. эффекте. Последний заключается в возникновении акустич. колебаний в образце (или в соприкасающемся с ним газе) при воздействии модулированным на звуковой частоте или импульсным электромагн. излучением в оптич. диапазоне длин волн (УФ, видимым или ИК). Акустич. сигнал возникает благодаря преобразованиям части поглощенной энергии электромагн. излучения в тепловую, что приводит к соответствующим изменениям давления в самом образце или (вследствие теплопередачи через его поверхность) в соприкасающемся с ним газе. Прямая регистрация акустич. сигнала осуществляется пьезоэлектрич. датчиком (в случае жидких или твердых образцов) или микрофоном (в случае газов). О.-а.с. с косвенной регистрацией, т. е. с микрофонной регистрацией акустич. сигнала в газе, соприкасающемся с исследуемым твердым или жидким образцом, часто наз. фото-акустич. спектроскопией. Интенсивность регистрируемого сигнала увеличивается с увеличением мощности источника электромагн. излучения и уменьшением частоты модуляции излучения, которая варьирует от десятков до тысяч Гц.

Зависимость интенсивности акустич. сигнала от длины волны электромагн. излучения представляет собой оптико-акустич. спектр. Поскольку акустич. колебания возникают в результате поглощения излучения, то оптико-акустич. спектры схожи с оптическими абсорбционными. О количестве определяемого вещества судят по интенсивности акустич. сигнала при характеристич. длине волны; для построения градуировочных графиков используют образцы сравнения.

Косвенный метод регистрации акустич. колебаний, использующийся гл. обр. для изучения твердых образцов, реализован в пром. приборах. Последние состоят из мощной ксеноновой лампы, модулятора (вращающиеся диски с отверстиями), монохроматора, акустич. ячейки, представляющей собой герметичную полость, наполненную воздухом или др. газом и соединенную "акустич. каналом" с микрофоном, и системы регистрации. Источником излучения могут служить вольфрамогалогенные лампы, глобары (стержни из карбида Si, светящиеся при наложении электрич. напряжения), лазеры, в т. ч. импульсные. В случае ламповых источников часто осуществляют электронную модуляцию электромагн. излучения. При изучении газов и жидкостей используют прямой метод регистрации акустич. колебаний, а в качестве источника излучения-лазер.

О.-а. с. — неразрушающий метод, позволяющий изучать те же вещества, что и абсорбц. спектроскопия, в любом агрегатном состоянии при температурах от ~ 4 до ~ 1000 К. Для исследования достаточно неск. см³ газа, неск. мкл жидкости или неск. мг твердого вещества. Коэф. поглощения образца (см. абсорбционная спектроскопия) могут варьировать в широких преде-лах — от 10⁻⁷ (в случае газов от 10⁻¹⁰) до 10⁶ см⁻¹. Форма и структура твердых образцов м. б. любой; эффекты, связанные с рассеянием света, оказывают незначит. влияние на результаты измерений. Т.к. изменение частоты модуляции приводит к изменению глубины, на которой возникают акустич. сигналы, метод позволяет проводить послойный анализ твердых образцов и обнаруживать включения с разрешением по глубине от десятых долей мкм до десятых долей мм. О.-а.с. характеризуется низкими пределами обнаружения веществ-до сотых долей части на млрд. в газах, ~10⁻¹г/мл в жидкостях и ~ 10⁻⁵ % по массе в твердых телах.

О.-а.с. применяют для аналит. контроля газов (NH₃, CO, CO₂, HF, пары воды и др.), высокочувствит. анализа жидкостей (в частности, растворов орг. соед., комплексов металлов) и твердых веществ (напр., руд). Оптико-акустич. детекторы используют гл. обр. в бумажной и тонкослойной хроматографии, где они позволяют определять вещества непосредственно на хроматограммах. О.-а. с. дает возможность получать оптич. характеристики светорассеивающих образцов (полупроводники, биол. объекты, полимеры и др.), измерять коэф. поглощения, квантовые выходы люминесценции, теплопроводность разл. веществ, обнаруживать фазовые переходы в твердых телах, исследовать хим. процессы на поверхности твердого тела, изучать фотохим. реакции и т. д. Лазерная оптико-акус-тич. микроскопия позволяет проводить локальный анализ твердых образцов с продольным разрешением 0,5–3 мкм и поперечным разрешением 1–5 мкм.

Оптико-акустич. эффект открыт А. Беллом в 1880.

^{Лит.: Жаров В. П., Летохов В. С., Лазерная оптикоакустическая спектроскопия, М., 1984; Алимарин И. П., Дурнев В.Ф., Рунов В. К., "Ж. аналит. химии", 1987, т. 42, № 1, с. 5–28; Rosencwaig A., Photoacoustics and photoacoustic spectroscopy, N.Y.-[a.o.], 1980.}

_{В. К. Рунов}