第二节　激光分子吸收光谱分析法

用于分子吸收光谱分析的光源理论上应为单色光，但实际上都是由氘灯（紫外）、钨灯（可见）等普通的连续光源发出的光经过滤光和分光获得，并不是真正意义上的单色光。而且经过分光后，光强大大减弱，使得吸收光谱分辨率和灵敏度降低。所以采用普通光源进行分子吸收光谱分析具有较大的局限性。激光光源具有单色性好、强度大、相干性好等优点，作为光源使用将大大提高吸收光谱的灵敏度和分辨率，尤其是用可调谐激光器作为光源的分子吸收光谱表现出显著的优越性。

激光分子吸收光谱和普通分子吸收光谱一样遵循Lambert-Beer定律，通过检测透过吸收池的透射光强来获得吸收光谱信息或进行定量分析。除了可以采用普通的分子吸收光谱法进行分析外，随着激光光谱技术的发展，出现了一些高灵敏度的吸收光谱技术，如腔内吸收光谱技术、频率调制光谱技术、外腔吸收光谱技术等，使激光分子吸收光谱分析法的检测灵敏度大大提高。

一、内腔吸收法

内腔吸收法（intra-cavity absorption method）应用了腔内吸收光谱技术，将样品池放入激光谐振腔，光在谐振腔内多次来回传播的同时，增大了样品对光的有效吸收路径长度，即通过多通效应、阈值效应和模式竞争效应的作用使激光的输出功率明显减弱，并表现为吸收增强。从而可获得比传统吸收光谱检测高得多的灵敏度。一般灵敏度可提高2～3个数量级，有的甚至可提高5个数量级。谐振腔中待测痕量物质吸收激光辐射后，使光强减弱形成凹陷，通过测定谱带的透光率或表观吸收并对波长作图即得内腔吸收光谱图，如图10-6。根据吸收光谱中波谷的位置可定性鉴定样品的成分，根据波谷激光强度I减弱程度，采用工作曲线法进行定量分析。

根据激光线宽和样品吸收线宽的差别，内腔吸收法可分为宽带内腔吸收（broad-band absorption）和窄带内腔吸收（narrow-band absorption）两种。其中宽带内腔吸收法较为常用，其特点是激光器（如染料激光器）输出的是宽带光谱（通常带宽为10.0～20.0nm），脉冲式和连续式均可。如果样品同时有两个或多个被测组分，它们在激光的宽带光谱范围内存在窄而互不重叠的吸收峰时，则可同时测定。

激光内腔法适用于气体和透明样品的分析，由于激光腔内吸收光谱分析结果的重现性和灵敏度受激光器参数的限制，其应用范围有待扩宽。

二、激光分子吸收光谱仪

激光分子吸收光谱仪的结构与一般分子吸收光谱仪基本相同，只是激光光源代替了一般分子吸收光谱仪中的光源和单色器。因此，激光分子吸收光谱仪比较简单，仅包括激光光源、样品池和检测器三大部分。

激光光源可用单波长激光器，也可用可调谐激光器。紫外-可见区范围常用可调谐染料激光器、光学参量振荡器，红外区可选择半导体激光器。在选择激光器时，除了注意波长范围外，还必须注意激光器的稳定性、谱线宽度和输出功率。

样品池或吸收池根据采用的分析方法不同，如果是普通的激光分子吸收光谱法，一般置于谐振腔外，若采用内腔吸收法，则置于谐振腔内。

检测器主要有光电检测器和热检测器两类。光电检测器包括光电子发射检测器、光电导检测器、光伏特检测器和光二极管检测器等。这类检测器灵敏度高、选择性强，主要用在紫外-可见区。热检测器有Golay盒、电阻测辐射热计、真空热电耦等。这类检测器主要用在红外区。随着激光技术的发展，更灵敏的检测技术也在不断出现，如激光光声检测技术和激光外差检测技术。

三、激光分子吸收光谱法的特点

与普通分子吸收光谱法相比，激光分子吸收光谱法具有以下主要特点：

1.灵敏度高

对于吸收光谱来说，光源的单色性越好，测定的吸收系数越接近被测物质的吸收峰处的吸收系数，因而灵敏度越高。这对于窄吸收带的物质尤为重要。

另外，根据Lambert-Beer定律，增加吸光厚度亦可提高测定的灵敏度。但普通光源由于其强度低、光束的发散角大，增加物质吸光厚度是有限的，而激光强度大、光束的发散角很小，因而可通过增加吸光厚度来提高吸收光谱的灵敏度。Antcliffe等用红外连续可调谐激光器，在1m的光路上，可检测出1μg/m3大气污染物的浓度。此外，可通过频率调制光谱技术对激光频率进行高频调制，抑制背景噪声，获得最大的信噪比，从而提高灵敏度。

2.分辨率高

分子吸收光谱法，尤其是红外吸收光谱法是研究物质分子结构的重要工具之一。为了获得比较精细的分子吸收光谱图，必须提高吸收光谱的分辨率。在通常的吸收光谱中，其分辨率除受到吸收线的展宽效应影响外，更重要的是受仪器分辨率的限制。在普通分光光度计中，仪器的分辨率主要决定于分光元件的分辨率和狭缝的宽度。如一般的紫外-可见分光光度计的带宽为0.5～1.0nm，红外分光光度计的分辨率最好的也只有0.05cm-1。

由于激光光源的单色性好，所以其分辨率很高。波长可调的激光器，分辨率可达到10-6cm-1数量级（相当于10-6nm数量级），有的甚至达到10-8cm-1。这时，吸收光谱的分辨率主要取决于被测物质吸收谱线的展宽。因此，用激光吸收光谱可获得物质的精细分子结构图谱。

3.扩大了测定的线性范围

Beer定律只适用于单色光，而普通光源分光后得到的是带宽较窄的复合光。物质的吸收系数与波长有关，波长不同，吸收系数不同。因此，采用复合光会偏离Beer定律，这种偏离常使工作曲线随浓度的增加而出现弯曲。光的单色性越差，线性范围越小。这种情况对吸收峰比较窄的物质尤为明显。

激光光源在分子吸收光谱分析中的应用，可扩大线性范围，因而能直接用于高浓度物质的测定。如二硫腙分光光度法测定汞时，用氦-氖激光器作光源比用钨灯作光源的线性范围显著变宽（图10-7）。

4.仪器结构简单

激光器兼有一般分光光度计中光源和单色器的作用。因此，激光吸收光谱仪的结构相对比较简单。

四、激光分子吸收分析法的应用

在激光分子吸收光谱分析中，内腔吸收法由于其高灵敏度而受到人们关注，并将其广泛应用于紫外-可见和红外光谱中。

1.在紫外-可见吸收光谱分析中的应用

由于紫外-可见吸收光谱带是比较宽的，因而多采用宽带内腔吸收法进行测定。如用宽带内腔吸收法测定空气中NO₂，光源为闪光灯激励的染料激光器，以染料7-二乙胺基-4-甲基香豆素的乙醇溶液为工作物质，NO₂吸收带的波峰在583.5nm附近，在吸收峰处的表观吸光度与NO₂的浓度呈线性关系，可进行定量分析。

2.在红外吸收光谱中的应用

激光内腔吸收方法用于红外吸收光谱可较大地提高其测定灵敏度，对有机化合物的结构测定非常重要。此外，由于激光的单色性好、分辨率高，激光红外吸收光谱可以反映许多物质的精细结构。

如用二氧化碳激光器对一些有机磷农药进行测定。激光器波长通过旋转光栅来调节（9.3～10.8μm），样品吸收池长度16cm，用电阻测热辐射计-电流计检测系统测量激光强度，测定空气中浓度为10-5～10-4mg/L的1605、1059和敌敌畏三种农药。与气相色谱法相比，此法灵敏度高且操作方便。

3.瞬时样品的测定

在化学反应等过程中常常产生过渡态，这些过渡态的测定对探讨化学反应机理非常重要，但由于这些过渡态寿命太短（10-3～10-6秒），它们的吸收光谱非常微弱，很难用普通吸收光谱技术测定。激光内腔吸收法具有很高的灵敏度，可用于测定这些瞬时样品。如用内腔吸收法可测定由氨光解产生的NH₂自由基和由甲醛、乙醛光解产生的HCO自由基。