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1、中图分类号：TN247 论文编号：HBLH 2014-340U D C： 密级： 公 开 硕 士 学 位 论 文基于光声光谱法对盐酸克伦特罗的检测研究作者姓名：王崇皓学科名称：控制科学与工程 研究方向：检测技术及自动化装置学习单位：河北联合大学 学习时间: 2.5年 提交日期: 2013年11月22日申请学位类别：工学硕士导师 姓名：龚瑞昆 教授 单位：河北联合大学电气工程学院论文评阅人：侯国强 教授 单位：河北联合大学信息工程学院孙文来 正高工 单位：唐山市热力总公司论文答辩日期：2014年1月12日 答辩委员会主席：孙文来 正高工 关 键 词： 光声光谱法；盐酸克伦特罗；小波除噪；重叠光谱
2、 唐山 河北联合大学2014 年3 月Study of Clenbuterol Hydrochloride Based on Detection of Photoacoustic SpectroscopyDissertation Submitted toHebei United Universityin partial fulfillment of the requirementfor the degree ofMaster of Science in EngineeringbyWang Chonghao(Control Science and Engineering)Supervisor:P
3、rofessor Gong RuikunMarch, 2014独创性说明本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得河北联合大学以外其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。论文作者签名： 日期： 年 月 日关于论文使用授权的说明本人完全了解河北联合大学有关保留、使用学位论文的规定，即：已获学位的研究生必须按学校规定提交学位论文，学校有权保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅
4、；学校可以将学位论文的全部或部分内容采用影印、缩印或编入有关数据库进行公开、检索和交流。作者和导师同意网上交流的时间： 自授予学位之日起 自 年 月 日起作者签名： 导师签名： 签字日期： 年 月 日 签字日期： 年 月 日摘要近年来世界范围内因食品安全问题引发的中毒事件频繁发生，其中“瘦肉精事件”尤为严重。因此，为保障国家食品安全，研究一种实时在线的方法具有十分重要的意义。论文介绍了盐酸克伦特罗的危害和理化特性，光声光谱法R-G理论，光声光谱法的归一化原理、光声检测中的干扰问题、小波除噪及特征系统实现算法识别、光源、斩波器、干涉滤光片的选择、光声池设计等系统设计的核心问题。设计了光声检测系统
5、，建立了光声光谱法检测瘦肉精的数学模型。对于实验所获的信号常常伴随着一定的噪声，需要对信号进行处理。论文的模态识别部分引入ERA/DC算法，是一种相关技术，又称特征系统实现算法，对信号中的白噪声有一定的抑制效果，但是实际情况是，在光声信号中所含有的噪声种类很多，不单单是白噪声一种，除了随机噪声外，还含有漂移噪声、尖脉冲噪声等，为了弥补这一缺陷，对于检测到的光声信号先使用小波变换进行去噪处理，再使用特征系统实现算法（ERA/DC）进行识别的方式，这样就能获得一种较好的除噪效果，更加精确了实验数据的获取、线性拟合、加权计算、误差分析等工作，是整个实验的重要部分。信号处理后，利用线性拟合的方法对实验
6、数据进行处理并求出相关系数的值，通过和紫外光谱法进行比较进而证明光声光谱法在检测上的优势。该理论的研究为将来研制瘦肉精检测光谱仪打下了坚实的理论基础。 图 23幅；表 12个；参 54篇。 关键词：光声光谱法；盐酸克伦特罗；小波除噪；重叠光谱 分类号：TN247 AbstractIn recent years, the worldwide poisoning incidents caused by food safety problems occur frequently, Among these issues, the Clenbuterol Incident frequently occu
7、rred is so serious across the country. Therefore, searching a real-time online detection method for national food safety has a very important significance.The article introduced the hazards and physicochemical properties of clenbuterol, R-G theory of photoacoustic spectroscopy, normalization princip
8、le of photoacoustic spectroscopy, the interference problems in photoacoustic detection, wavelet noise and ERA/DC identification algorithm, the choose of light source, chopper, interference filter and the important questions relay on the design of photoacoustic pool, it also designed sample made syst
9、em and photoacoustic detection system. Established a mathematical model of photoacoustic spectroscopy which can detected clenbuterol. The received signal is often accompanied by a certain amount of noise, it needs to use an algorithm for signal processing. ERA/DC constructed using a related technolo
10、gies that use impulse response data to structure hankel matrix, it has an inhibitory effect for white Noise in the signal, but actually, there are many kinds of noise, in addition to the white noise it also includes drift noise, sharp pulse noise and so on. In order to compensate for this deficiency
11、, it use wavelet transform to denoising first, and use the ERA/DC to identify, then it can obtain a better noise-canceling effect, its good to experimental data obtained, linear fitting, weighted, error analysis, etc. It is the most important part of the experiment.After Signal Processing, it proces
12、sed the experimental date in the way of linear fit and calculated the numerical of correlation coefficient. Compared with the UV spectroscopy, it proved the advantage of photoacoustic spectroscopy in the aspect of detection. The study of the theory lay a steady theoretical foundation for the develop
13、ment of clenbuterol detection spectrometer in the future. Figure23; Table12; Reference 54Keywords: photoacoustic spectroscopy,clenbuterol,overlapping spectra,wavelet noiseChinese books catalog: TN247目次引言1第1章 绪论21.1 研究背景及意义21.2 盐酸克伦特罗的危害31.3 常见盐酸克伦特罗检测方法概述41.3.1 高效液相色谱检测法41.3.2 酶联免疫吸附法51.3.3 液相色谱质谱法5
14、1.3.4 高效薄层色谱法51.3.5 毛细管电泳法51.4 光声光谱检测技术简介51.4.1光声效应61.4.2光声光谱61.4.3光声光谱法检测的基本原理61.5 光声光谱检测技术发展历史6第2章 光声光谱技术的理论研究92.1 光声光谱法的应用领域102.1.1 固体、液体的定量分析102.1.2 气体分析与大气环境监测102.1.3 界面和表面的检测102.1.4 生物医学方面的诊断与测试112.2 光声光谱法检测的基本原理112.2.1 固体光声检测技术的一般理论（R-G理论）122.2.2 声信号的激发132.3 其他间接光声信号产生的理论152.4 光声光谱法检测的归一化原理17
15、2.5 光声光谱法检测盐酸克伦特罗数学模型的建立182.6 光声光谱法检测盐酸克伦特罗过程中的干扰19第3章 盐酸克伦特罗检测系统的设计223.1 实验系统组成223.1.1 光源223.1.2 斩波器253.1.3 滤光片的选择263.1.4 光声池273.1.5 微音器303.1.6 锁相放大器313.2 检测系统组成323.3 实验样本的制备33第4章 信号处理344.1 小波变换344.2 小波变换除噪344.2.1 除噪的基本思路344.2.2 除噪的基本步骤354.3 特征系统实现算法364.4 光声信号去噪识别37第5章 实验设计435.1 实验系统的调试435.1.1 实验装置
16、的调试435.1.2 光路的调试与分析445.2 盐酸克伦特罗实验检测455.2.1 背景信号测量455.2.2 光声光谱法与紫外光谱法对比测量465.3 未烘干样品检测实验分析48结 论51参考文献52致 谢56导师简介57作者简介58学位论文数据集59引言进入本世纪以来，我国对食品安全问题的重视程度加大，由于生活水平的提高和食品工业的发展，这一问题也被提高到了关系民生的重要高度。我国生猪消耗量很大，生猪品质的好坏直接关系到消费者切身的健康，关于猪肉的食品安全问题受到执法者和消费者的重视。由于高额利润的驱使，一些不法分子在饲料中添加有毒添加剂（如色素，激素，瘦肉精等），对消费者的健康造成了很
17、大的危害。近年来，食品安全问题被全世界高度重视，双汇集团的“瘦肉精事件”危害了广大人民的健康，同时给企业自身带来了灭顶之灾，瘦肉精中毒事件时有发生，甚至升级为政治争端，从种种事件来看，解决瘦肉精问题迫在眉睫。政府也对生猪生产过程及瘦肉精使用加大了监管和打击力度，但由于目前的检测方法还存在检测精度低、抗干扰能力差、不能实时在线检测等缺陷，对大规模快速检测生猪产品形成了很大的制约。这就需要找到一种更加高效准确的测量方法，用以解决瘦肉精检测问题。光声光谱法是一种实时在线检测方法，对弱吸收物质可达到较高的检测精度。这种技术首先被应用到气体检测方面，而且技术已经比较成熟。随着理论的近一步成熟和相关技术的
18、飞速发展，光声光谱技术已被应用于固体和液体成分的检测，并且已取得了不错的效果。提出将光声光谱技术运用到生猪中瘦肉精含量的检测中，论文选瘦肉精中克伦特罗的盐酸盐进行研究，其目的是实现对该有毒物质的快速、准确及实时在线的微量检测。对食品安全检测和微量毒素检测仪提出理论指导，具有较大的应用前景。第1章 绪论1.1 研究背景及意义我国肉制产品中，猪肉的消费量最大，其肉质品质关系国民的生活质量和营养水平及饮食安全,受到执法部门和消费者的大力重视1,2。双汇集团的“瘦肉精事件”危害了广大人民的健康，同时给企业自身带来了灭顶之灾；上海和台湾也曾发生过上百人因食用含有瘦肉精的猪肉制品引发的严重中毒事件，伴随而
19、来的就是由食品安全事件升级的政治争端，从种种事件来看，瘦肉精问题已经严重的危害到人们的健康生活3。我国是世界肉类第一生产大国，总产量6500吨，猪肉产量就有4400吨，占了很大的比重，肉类食品大量需求的条件下，饲料生产业也得到了快速发展，生产养殖过程中的多方因素直接影响动物源性食品的安全4，其中饲料的配制生产的过程直接影响它的好坏。由于我国饲料产业需求很大，从而带动了饲料的产量，作为世界饲料产量第二的国家，其产品质量有好有坏，一些不法商贩本着谋求利益最大化的目的，给牲畜喂养一些促进产量的兽药，这里包括不良激素类的饲料或者掺加了类似盐酸克伦特罗（瘦肉精的一种，常用代名词）药物的饲料，危害了消费者
20、的安全和社会发展的利益5。动物源性食品自身的生产过程复杂，生产环节繁多，消费结构繁琐，所以，即便是政府部门的监控力度逐渐提升，但是很难确保动物源性食品的质量，小部分范围内还是会有食品安全问题发生，为了方便对动物源性食品的管理，配合政府部门，研究一种对于瘦肉精的安全检测技术显得十分必要。我国法律对瘦肉精的管制很严格，但由于种种原因，仍有很多不法分子为谋求利益的最大化，非法使用含有盐酸克伦特罗的饲料6,7。我国每年都会对盐酸克伦特罗的非法使用进行专项治理，国家如此重视的原因很简单，瘦肉精危害了社会和广大消费者。实验表明，盐酸克伦特罗（瘦肉精）不是激素也不是添加剂，若肉类食品中含量超过100g/kg
21、即可能引起中毒，在猪体内残留20460g/kg，猪肝中193060g/kg。由于检测技术落后、检测成本高以及道德品质等因素的制约，瘦肉精中毒事件屡屡发生，检出率也也大幅度下降，致使猪肉的质量安全性依然不稳定，猪肉的质量安全问题成为制约我国肉类出口业、养殖业、肉制品加工业等相关行业发展的瓶颈8。仔细分析当前广泛应用的瘦肉精测量方法，大部分存在检测精度较低、实时性不好等缺点，为了快速准确地对生猪肉中盐酸克伦特罗的含量进行测量，本研究课题采用光声光谱法进行检测，其目的是为了解决如何提盐酸克伦特罗测量的精度以及实时在线测量的问题。1.2 盐酸克伦特罗的危害盐酸克伦特罗又称“瘦肉精”，是一种平喘药。该药
22、物既不是兽药，也不是饲料添加剂，而是肾上腺类神经兴奋剂。盐酸双氯醇胺；克喘素；氨哮素；氨必妥；氨双氯喘通；氨双氯醇胺。克伦特罗在家畜和人体内吸收好，而且与其它-兴奋剂相比，它的生物利用度高，以至食用了含有克伦特罗的猪肉出现中毒。自2002年9月10起在中国境内禁止在饲料和动物饮用水中使用盐酸克伦特罗。盐酸克伦特罗为白色或类白色的结晶粉末，无臭、味苦。熔点：174175.5C分子式：C12H18Cl2N2OHCl；分子量：313.7；溶解性：溶于水、乙醇，微溶于丙酮，不溶于乙醚。盐酸克伦特罗属于中度蓄积性药物，在动物组织内的蓄积与其剂量和给药持续时间有关，其残留量随停药期的延长逐渐下降。大量试验
23、已证明盐酸克伦特罗在动物体内的残留主要集中在眼睛、毛发、肺、肝、肾及肌肉和脂肪组织。其中眼睛的视网膜和脉络膜、毛发中残留最高，是因为其消除最慢；其次是肺、肝和肾；肌肉组织和脂肪组织中的残留情况大致相当，约为肝脏中的1/5。克伦特罗在肺、肝脏中的残留普遍高于肾脏，且残留时间较长。图1 盐酸克伦特罗的作用机理Fig.1 Mechanism of clenbuterol特罗是个词干，是一类药物，好比“西林” 、“沙星” 等，盐酸克伦特罗是克伦特罗的盐酸盐，化学性质非常稳定，高温油加热也很难使其分解，且易溶于水和乙醇，所以人们食用了含有瘦肉精的肉类很难代谢出去；CL这种物质临床上用途较为广泛，可用于临
24、床上的哮喘治疗；但是在畜牧饲养上是严令禁止使用的，不法分子在饲料中使用是为了让猪多长瘦肉，猪毛有光滑亮泽，使猪有良好的卖相，从中获取较高利润。人们对CL的认识有误区，很多人认为它是激素或食用添加剂，实际上它是一种选择性的2肾上腺受体激动剂。最早对CL的使用研究可追溯到80年代初美国一家生物公司，他们发现CL可明显提高猪胴体的瘦肉率。其作用机理如图1所示，猪在食用了含有盐酸克伦特罗的饲料后，在其体内，CL自主作用于其2肾上腺素能受体，引起交感神经兴奋，对于心脏有兴奋作用，激活了AC（腺甘酸环化酶），提高了体内脂肪的分解能力，食用过的猪的瘦肉生长率提高很多且肉色红润鲜亮，故被俗称为“瘦肉精”9,1
25、0。目前，世界范围内已经禁止使用，只有美国的非食用马的饲养允许使用。CL的毒性从反应速度上分为三种：急性、慢性、生态，人在食用了含有CL的肉类后，肠道吸收很快，大约20g就会有反应，510倍则会引起中毒，明显症状表现为：头痛、胸闷、心悸、发热、脸色潮红等。交感神经亢进的人更易产生急性中毒症状。心律失常的人易引起心室早搏。对于慢性毒素的侵害来讲，激素残留逐渐增多，降低支气管活性，使其扩张作用明显降低，不能维持原有的作用时间，极大地增加了哮喘病的发病率，伴随而来的还有内分泌紊乱、丙酮酸浓度升高等症状。要从生态角度来说，CL经过动物的尿液排出，流入大自然中，由于其化学性质稳定，不易分解等特性，其可在
26、环境中蓄积、转移、转化，若进入水中还会循环污染畜牧业。即便是在屠宰前7天停止对牲畜饲喂CL，仍能检测出了一定的残留，这充分证明了其化学性质稳定不易分解的性质11,12。此外，CL对女性生殖系统有一定的影响，临床表明，使用CL的女性会有子宫重量下降、某些组织的自身分泌功能还会受到影响。由于CL具有热稳定性，一般方法不能影响其活性，油炸（260）5minCL活性只损失一半。因此，寻求实时在线检测猪肉中CL的残留具有非常重要的意义13。1.3 常见盐酸克伦特罗检测方法概述1.3.1 高效液相色谱检测法外国科学家应利用二极管阵列检测器（HPLC）测定动物源性食品中CL的残留量，回收效率很高，可达98.
27、9%。该检测方法适合测定-激动剂及其代谢产物和热稳定性不好的物质14,15，系统的兼容性很好，实验表明：它可以与MS（质谱）、柱前和柱后各种实验过程和生化反应等系统联用，最重要的是，HPLC易实现分析检测过程的自动化。但它的缺点很多，实验操作步骤繁琐，需贵重仪器配合，对实验样品处理耗费时间长且过程较为复杂，在实际应用中受到不同程度定的限制。1.3.2 酶联免疫吸附法酶联免疫吸附法16的核心技术就是叫抗体和酶的复合物相结合，以催化作用原理和抗原抗体特异性结合原理为理论支撑，最后通过观察显色来检验。实验第一步是制作酶偶联克伦特罗，其方法是先将CL与植物辣根中的HRP（过氧化物酶）相结合，第二步是在
28、试管里加入含有CL的待测样品和第一步制作的酶偶联克伦特罗，使之相结合，之后根据有色物的变化计量待测样品的含量。经人工实验实际考证表明：该方法不利于大面积推广，试验成本高，实验过程繁琐，最重要的是实验精度低，对于检测CL没有优势。1.3.3 液相色谱质谱法液相色谱质谱法17首先对样品采用乙酸铵缓冲液进行提取，做成初步样本，然后在样品中加入药剂进行酶解处理，测定前经双重SPE柱净化，净化处理后再进行测定，最后使用内标法定量。该方法适用于对肌肉和内脏中克伦特罗、沙丁胺醇等瘦肉精残留量检测。但是由于这种方法对于实验检测环境要求很高，难以实现在线测量。1.3.4 高效薄层色谱法高效薄层色谱法18是采用薄
29、层扫描的方法对猪肝中残留的盐酸克伦特罗进行定量检测。其测量的线性范围是0.0040.050g。此方法虽然能够快速地对多种样品同时测定，但缺点也很显著，即样品准备时间长，抗干扰能力很差。1.3.5 毛细管电泳法毛细管电泳法19是以弹性石英毛细管为分离通道，以高压直流电场为驱动力，依据样品中各组分之间淌度和分配行为上的差异而实现分离的电泳分离分析方法。此方法的优点是应用简单快捷，但测量精度较低。1.4 光声光谱检测技术简介光声光谱技术是一种基于光声效应发展起来的光谱技术。可用于测定传统光谱法难以测定的光散射强或不透明的样品，如凝胶，溶胶，粉末，生物试样等，目前广泛应用于物理，化学，生物医学和环境保
30、护等领域。1.4.1光声效应放在密闭容器里的试样，当用经过斩波器调制的强度以一定频率周期变化的光照射时，容器内能产生同与斩波器频率的声波。这一现象称为光声效应。1.4.2光声光谱当物质吸收光收到激发后，返回初始态可通过辐射跃迁或无辐射跃迁。前一过程产生荧光或磷光，后一过程则产生热。因为吸收光强呈周期性变化，容器内压力涨落也呈周期性。当试样是气体或液体时，其本身就是压力介质。由于调制光的频率一般位于声频范围内，所以这种压力涨落就成为声波，从而能被声敏元件所感知。声敏元件所感知的声波信号经同步放大得到的电信号为光信号。若将光声信号作为入射光频率的函数记录下来，就可获得光声光谱图。1.4.3光声光谱
31、法检测的基本原理用一束强度可调制的单色光照射到密封于光声池中的样品上，样品吸收光能，并以释放热能的方式退激，释放的热能使样品和周围介质按光的调制频率产生周期性加热,从而导致介质产生周期性压力波动,这种压力波动可用灵敏的微音器或压电陶瓷传声器检测，并通过放大得到光声信号，这就是光声效应。若入射单色光波长可变，则可测到随波长而变的光声信号图谱，这就是光声光谱。若入射光是聚焦而成的细束光并按样品的X-Y轴扫描方式移动,则能记录到光声信号随样品位置的变化，这就是光声成像技术。1.5 光声光谱检测技术发展历史1880年A.G.贝尔发现固体的光声效应，1881年他又和J.廷德尔和W.K.伦琴相继发现气体和
32、液体的光声效应。他们将气体密封于池子里，用阳光间断照射池中样品，通过接到池上的一个听筒听到了某种声响。20世纪60年代以后,由于微信号检测技术的发展,高灵敏微音器和压电陶瓷传声器的出现，强光源（激光器、氙灯等）的问世，光声效应及其应用的研究又重新活跃起来。对大量固体和半导体的光声研究发现，光声光谱是一种很有前途的新技术。光声技术在不断发展，二氧化碳激光光源红外光声光谱仪适用于气体分析;氙灯紫外-可见光声光谱仪适用于固体和液体的分析；傅里叶变换光声光谱仪能对样品提供丰富的结构信息。光热偏转光谱法、光声喇曼光谱法、光声显微镜、激光热透镜法及热波成像技术都在迅速发展。光声光谱技术最早可追溯在1880
33、年，美国著名科学家贝尔在科学研究时发现，在阳光的间断照射薄膜片能发出微弱的声波，这就是后来的光声效应。如果用周期性的光去照射样品时，样品受热，分子产生跃迁，物质吸收光能产生声信号，声信号的强度随样品吸收光的增加而递增。由于当时缺少良好的光源和灵敏的检知器，贝尔的发现没有得到广泛应用。随着科技的发展，技术的革新，以及传感器技术的诞生，光谱检测技术也得到了进一步的发展，1938年一位苏联科学家利用贝尔的光声效应理论对混合气体中各种成分的含量进行了定量分析和研究等一系列的实验。1946年，光声光谱法被用于检测气体振动弛豫速率。那个时代的理论研究工作主要针对气体，对其它领域并未涉及过深但总的来说，那时
34、光声效应的研究工作处于一个发展较为缓慢的阶段20。由于激光技术和现代微电子技术的快速发展，到了70年代，光声光谱技术理论迎来了高速发展阶段，期间，光声检测技术又派生出了几种技术分支，在现代无损检测方面显示出一片光明的前景。尤其在光源和微弱信号的检测等方面都取得了很大的发展和飞跃，大大激发了科学界的研究热情，从最早的气体分析研究逐渐发展到对以固体气体为代表的凝聚态物质，研究光声效应和光声技术更加深入21。到了20世纪80年代，科学技术飞速发展，尤其是计算机技术的诞生，更加有利于光声检测技术的研究，这时的光声理论更加完善，光声技术进入到一个飞速发展的阶段。我国早在70年代在光声光谱领域进行研究并取
35、得了一定的成绩。1990年，郭周义等在医学上首次应用光声光谱理论进行检测研究，成功的观察了样品的全血谱光谱图，其中包括急性淋巴细胞、血清、血小板、白血病细胞等，仔细的对这些血样吸收峰进行比较。到了1995年，周篪声、周立等操作双光束光声光谱装置对人体4个不同部位的正常组织和癌变组织的光声光谱，通过分析、观察，获得相关理论结论，这一突出贡献为今后癌症的治疗、诊断、定性、分析提供了重要理论依据和坚实的研究基础。随着理论研究的不断进步，大科技时代的到来，光声检测技术也随之快速发展起来，理论发展迅速，推动光谱仪器等的诞生。苏州大学成功研制了我国首款商品化的光声光谱仪P-600。2008年，光声光谱技术
36、在农业上得到了应用，杜昌文、丁力等研究红壤，水稻种植业也利用红外光声光谱法取得了较好的研究结果22。虽然光声光谱的科技成果很多，但还处于不断探索和研究的阶段，还是有很多值得挖掘的潜力有待研究，特别是在食品安全以及工业气体检测、环境监测等方面，有更多的研究方向值得去探索。第2章 光声光谱技术的理论研究光学技术的快速发展，带动了很多行业的检测技术，很多行业逐渐的将光学技术应用到各个领域，其中，光声检测技术在实际生产中应用广泛。光声光谱法优点很多，从能量的角度说，光声光谱法实验最终研究的是光声池中检测到的声能23，它与物质吸收的光能成正比，由于每种物质的吸收峰值不同且不相互影响，所以对于检测多重混合
37、物质具有先天的优势24；而且，系统内部的反射光和散射光等因素对检测结果几乎不产生影响，声信号的强度与光强成正比。另外，测量物质种类广泛，最重要的是精度很高。根据Lambert-Beer定律25，其表达式为： （1）式中： 出射光强； 入射光强； 吸收系数； 吸收长度；其中和的差值是很重要的量，在光谱测量检测中非常重要，确定的值以及被测样本的浓度是所得吸收光谱通过获得的和的差值最后得到的。光谱检测的精度和出入光强的差值关系紧密，出入光强的差值和被测样本本身有极大关系。一些实验研究低浓度、弱吸收性的样本时，通常和相差很小，会影响实验结果，光声光谱法对于弱吸收物质有良好的检测效果，它克服了种种困难，
38、摒弃了大部分缺点，对于弱吸收物质的检测精度同样很高；其次，光声光谱检测方法在光学、物理学、电磁学等领域应用广泛，在实验器材完善的条件下可对不同成分以及多种成分进行同时测量；光声光谱检测系统的检测限度受光声检测的部件组成影响，其中最重要有四点：光源强度的高低、光声池结构的合理性、微音器检测灵敏度的大小及锁相放大器精度26；第三，光声光谱检测的主要是声光信号，突出的是待测样本的声信号，该信号是由于样本被激发，吸收外界的调制能量（此处理解为光源产生的能量）产生跃迁，此处跃迁过程以无辐射弛豫方式跃迁到低能量状态产生的声信号，这是热与声之间的转化，由此可断定光声光谱法是一种高精度的检测方法，并且检测范围
39、广，使用条件少，对于光化学、光电学等的研究是一种十分有效的方法；第四，光声光谱法对于红外波段的检测不会受到太大的能量损失影响，而对于荧光光谱法的检测时会使得能量大部分损失，从而降低了灵敏度。光学中的红外光是由振转能级寿命较长的分子产生的，该电子为同一电子，在不同能级之间跃迁，最终产生，由此条件可知，在使用方法上选用光声光谱法能极大地减少能量的损失，并提高灵敏度。光声光谱法相对其他其他传统光谱检测方法（如反射光谱法和透射光谱法）具独特突出的优点27：它具有应用广泛，对各种形态的样品均适用（如：动物肌肉组织、体液、骨胳、血液等）；被测样品的形态及形状对检测结果不会形成限制，被测样品不需要经过复杂的
40、预处理，即可进行检测测量，不但在操作上更加简单，而且样品的使用量很少，毫克数量级的样品，就能快速得到被测样品的振动光谱信息和电子吸收光谱信息。2.1 光声光谱法的应用领域2.1.1 固体、液体的定量分析20世纪70年代，凝聚态物质的光声效应理论诞生，为光声光谱法检测打下坚实的理论基础。其中，气体理论是建立最早，而后光声光谱检测技术发展到可以检测透明与不透明的各种形态的不同物质。而且，该技术还可以研究待测样品的剖面深度及物质的表面裂痕等特性。该技术已经成为一种检测不同类型吸收光谱的物质的方法，既方便又灵敏。2.1.2 气体分析与大气环境监测大气污染中，工厂排放的废气是其主要来源。光声光谱法己经成
41、为工厂废气在线检测，大气环境监控的有效手段之一28。光声光谱技术检测对部分大气污染物非常适合，如SO2，H2S，NOx，CO，CO2，甲烷，氨气等。检测微量气体时利用光声光谱法也是非常有效的。使用光声光谱法检测气体时，为了能减少能量的损失，其检测环境必须处于非饱和吸收状态，使检测的光声信号强度与光源入射光的频率及被测气体样本的浓度成正比。由气体的光声检测理论衍生出农业上的应用，光声光谱法可以实时在线监测农作物的生长状况，比如在水果的生长、成熟、收割各阶段散发的乙烯可以通过光声技术监控,借此掌握对农作物的管理。2.1.3 界面和表面的检测光声光谱法可对物体表面性质研究，其测定依据是物质对光能吸收
42、从而产生的热量决定的。常见的应用较多的为压电光声检测分析法,比较适合检测的样品形态主要是块状或片装状的固体样品。当我们对某样品的形貌,结构,能量状态,物理参数（比如热学性能、光学性能、电学性能）以及化学反应过程进行检测时，目前。常用压电光声检测法进行分析。可以看出光声光谱检测在表面和界面检测方面具有较好的发展前景。2.1.4 生物医学方面的诊断与测试由于光声光谱技术在样品预处理的要求比较简单，被测样品的形态和形状不会对检测造成影响，如今己被广泛应用。光声光谱检测技术有一个优点：是对检测样本不会产生破坏，也不会产生附加污染损耗，很好的保证了物质检测样本的自然性，为生物医学研究提供了良好的实验状态
43、。目前，光声光谱技术已应用于动物血液及组织的科学研究、疑难疾病的治疗诊断、生物内部构成等方面。在生物学上，应用光声光谱检测法得到叶绿素的光谱，克服了老方法具有的只能间断采样、干扰植物生长、不能实时在线且检测精度低等缺点，显示了光声光谱检测法在生物检测方面的优越特性。光声光谱技术还可以对动物软、硬器官进行研究和成像，大大突出了其无损检测的优点。光声光谱检测法克服了传统光谱法的由于表皮层强烈光散射造成的皮肤吸收光谱不完整的缺陷，并且能够在线检测。这些测量结果显示出了疾病和病理组织之间的内在联系，为临床诊断提供了准确的诊断依据。2.2 光声光谱法检测的基本原理对于非气体形态媒质中的光声效应理论，很早
44、就被提出了一部分，Bell当时提出的一个重要概念就是在固体表面受热时孔隙中会有空气排出，受到加热的固体产生的振动会产生信号被提出，以及梅卡迪耶和普利斯共同提出的与固体样品接触的受到周期性加热的气体产生声音信号等观点29,30。自上世纪70年代光声光谱学理论快速发展以来，固体检测方面的近代理论也取得了进步与发展，最早在1973年由科学家派克第一次作了关于建立定量理论的实验，他尝试计算出透光窗口吸收的光能而产生的光声信号强度，又称为背景信号强度。之后是在1976年，Gersho和Rosencwaig两位科学家又提出一种名为R-G的理论模型，这是固体光声检测技术的基本理论，为其它理论的建立提供了较好
45、的基础，R-G理论完整地阐述了凝聚态物质光声效应的产生机理，并详细说明了光声信号产生的物理过程。2.2.1 固体光声检测技术的一般理论（R-G理论）当用光源照射检测样本时，样本吸收光能，逐渐转化成热能，这样的光热转化过程使样品温度升高，这部分热量分两部分：第一部分在样品自身内循环传递；第二部分则在样本外部进行扩散，就是所谓的周期性热流。由于周期性热流的产生导致气体的温度周期性的变化，在光声池密闭空间中周期性的膨胀和收缩，最终结果导致了信号的产生，我们称之为声压信号，也就是所谓的光声信号。根据R-G理论我们推导出，检测样本与空气中一维交变温度场的公式，并用巧妙的处理了气体中产生的光声信号，从而获
46、得了能反映大多实验情况的真实的理论结果。图2是放置固体样品的光声腔示意图。为了实验需要，对简单的圆柱形光声腔的光声信号进行一维分析。假定光声腔的直径为，背衬的厚度为，试样的厚度为，固体的长度为，与声信号的波长相比，其值极小，几乎可以忽略。图2 光声腔示意图Fig.2 Schematic diagram of photoacoustic cell在光声检测系统中，为实现激光光源的频率调制需要用到斩波器，其频率为，当调制光的波长为时，照射到样品上，此时其强度可用公式（2）来表示： （2）式中： 入射光强；能量交换转变的过程中会出现一定的效率转化问题，在光声光谱实验中，用字母表示各种能量之间的转化效率。因此在样品点上因吸收光而产生的热功率密度源可表示为： （3）光声信号的产生主要是由交变温度场所引起的，热膨胀和收缩会使密闭空间中气体扩散，在扩散过程中密闭空间的气体会产生交变温度场，可以表示为： （4） 公式（4）中可以温度场的振幅与气体薄层的厚度成反比，即密闭空间中的气体薄层的越大，交变温度场的振幅越小，可以构建一个虚拟的确定厚度的气体层，若需要检测样本表面产生温度变化，并且该变化是近似绝热的并且交变的变化，那只能在这个具有确定厚度的气体层内，该气
