声光可调滤光片在光谱化学分析中的应用

【摘要】：声光可调滤光片（Acousto-optic tunable filter, AOTF）是一种窄带可调滤光片。它是根据声光作用原理制成的分光器件。当一列高频声波在一个光学弹性介质（晶体）中传播时，晶体内部的晶格会在声波的作用下发生局部的压缩和膨胀，这种晶体内部有规律的应力变化使得晶体内部各处的光学折射率产生周期性变化，简单地讲，也就是晶体中高频声波的存在改变了晶体的光学特性，此时，当一束光在晶体中传播时，能够产生偏转或被调制，并且随着声波频率的改变，光波在晶体中产生的变化也相应的改变，这就是所说的声光效应。 通常光波的存在不会影响介质的声学特性，因此声光效应是指声波对入射光波的作用。从这个观点来看，声光效应可以描述为光波在声致周期位相光栅的作用下发生衍射，因此可采用经典光学理论对其进行分析。 基于声光效应的原理，当一束复色光通过一个高频振动的具有光学弹性的晶体时，某一波长的单色光将会在晶体内部产生衍射，以一定角度从晶体中透射出来，未发生衍射的复色光则沿原光线传播方向直接透射过晶体，由此达到分光的目的。当晶体振动频率改变时，可透射单色光的波长也相应改变，这就是AOTF分光的基本原理。 AOTF的最大优点是可进行光波长的快速电调谐,而无须任何机械移 WP=163 动部件。只要在声光器件的电端输入一定频率的电信号（频率或电压），即可获得相应波长的输出光。其速度主要决定于超声波的渡越时间,或者说决定于材料的声速和光孔径。一般可达微秒量级。比一般光谱仪提高几十倍乃至几百倍。但在实际应用中还包括电子转换速度和频率发生器的设置时间等，扫描速度会有所降低。对于线性扫描来说，要考虑保证扫描速度不要太快，否则会降低光谱分辨率。AOTF的光波长输出方式一般有三种。即波长的线性扫描输出、随机跳变输出和多波长混合输出。只要给AOTF输入相应的线性扫频信号、随机变频信号和混频信号即可得到相应的输出模式。其中多波长混合输出模式为AOTF所独有。AOTF具有相当大的角孔径和通光孔径，集光能力强，信噪比高，衍射效率高，可以直接进行微弱信号的光谱分析。而在调频模式下工作的AOTF具有光谱线宽可随机变化的特点。因此可在同一器件中实现不同的工作方式而具有不同的光谱分辨率，使其应用非常灵活。AOTF的光谱调谐范围很宽,可以覆盖紫外到红外光谱区。分辨率介于光栅和棱镜之间,一般为零点几到几十纳米之间。 本论文第二章主要考察了所用AOTF的分光性能。以碘钨灯为光源，从光源发出的白光经由狭缝、透镜成为平行光后照射到AOTF通光孔上，分光后出射的单色光经狭缝进入一米光栅单色仪，经光栅分光后用光电倍增管进行检测，单色仪的波长扫描及信号处理均由计算机控制。实验中通过计算机控制AD卡输入给AOTF功率源0~5v不同的直流电压，对应的波长范围为440-790nm。并以此AOTF作为波长选择系统，以钽丝为原子化器，建立了一套小型原子吸收测量装置。用原子吸收光谱法测定了Na。实验中考察了空心阴极灯电流、保护气流量、钽丝原子化器的干燥电压和原子化电压对Na吸收信号的影响．在选定的最佳实验条件下，测定Na的特征浓度为0.045μg/ml, 精密度为2.6%(n=8)。在0.050-1.0μg/ml范围内Na的浓度与吸光度值有良好的线性关系。 由于SPR技术具有能实时监测反应动态过程、生物样品无需标记、灵敏度较高、无背景干扰等特点，主要应用于研究生物大分子之间的相互 WP=164 作用，可得到反应物分子之间每一步的键合信息，测定动力学常数，在生物科学领域应用中取得了长足进展。已报道的各类SPR传感装置及商品仪器多采用固定波长，测定共振角度变化的工作模式，这种工作模式，或者需要有一个机械传动装置来改变入射光角度，或者需要通过点光源的发散作用，测定角度的变化。前者在仪器中有一个可动部件，后者测量的角度范围较小，限制了方法的应用。 本论文介绍了自行设计组装的AOTF-SPR装置，该装置采用固定入射光角度，以波长为变量的模式。以碘钨灯为光源，PMT作为检测器，棱镜为SPR耦合元件。用AOTF作为波长选择系统，波长范围为440-790nm，光电倍增管作为检测系统。采用的声光介质为TeO2，压电转换器采用LiNbO3压电晶片制成，实验中由计算机控制AD卡输出0~5 V的直流电压给AOTF的功率源，使其输出相应频率的高频电信号给AOTF，白光被分光后用光电倍增管检测衍射光的强度，得到的信号由计算机处理。自行编制了控制传感器数据采集和处理的计算机软件，采用信号强度对电压（实际谱图中的横纵坐标）收集实验数据。共振电压的读取是将反射光谱进行七次方拟合所得的数值。整个装置小巧、无可动部件，由于AOTF快速扫描特性，可实时监测反应动态。但由于所用AOTF分辨率较低，使灵敏度受到了限制。 采用自行设计并组装的AOTF-SPR装置，研制了普通型SPR传感器，包括已醇、葡萄糖、和蔗糖传感器。普通型SPR传感器是指在光学传感元件上未做任何化学或生物修饰的SPR传感器，待测物质直接与传感元件表面的金属膜接触，无需经过任何化学或生物反应，传感元件可直接感应到待测物折射率的变化，并将信号传输至检测器。研究了传感器对乙醇、葡萄糖、蔗糖的响应特性，三者的?