Фотоакустическая спектроскопия: принципы, применение и развитие

Введение

Фотоакустическая спектроскопия – это измерение влияния поглощенной электромагнитной энергии (особенно света) на вещество посредством акустического детектирования. Открытие фотоакустического эффекта относится к 1880 году, когда Александр Грэм Белл продемонстрировал, что тонкие диски излучают звук при воздействии луча солнечного света, прерывисто освещаемого вращающимся диском с прорезями. Поглощенная энергия света вызывает локальный нагрев, что приводит к тепловому расширению и образованию волны давления, или звука. Позже Белл показал, что материалы, подвергающиеся воздействию невидимых участков солнечного спектра (то есть инфракрасного и ультрафиолетового излучения), также могут генерировать звуки. Фотоакустический спектр образца можно получить, измеряя звук при различных длинах волн света. Этот спектр может быть использован для идентификации поглощающих компонентов образца. Фотоакустический эффект может применяться для исследования твердых тел, жидкостей и газов.

Использование и методы

Фотоакустическая спектроскопия стала мощным методом для изучения концентраций газов в диапазоне от частей на миллиард до частей на триллион и даже ниже. Вместо уха используются чувствительные микрофоны. Сигналы с микрофонов дополнительно усиливаются и детектируются с помощью фазочувствительных усилителей. Закрывая газообразный образец в цилиндрической камере, можно усилить звуковой сигнал, настроив частоту модуляции на акустический резонанс ячейки с образцом. Использование фотоакустической спектроскопии с усилением на консолях позволяет еще больше повысить чувствительность, обеспечивая надежный мониторинг газов на уровне ppb.

Пример

Следующий пример иллюстрирует потенциал фотоакустической техники: в начале 1970-х годов Патель и его коллеги измерили временную изменчивость концентрации оксида азота в стратосфере на высоте 28 км с помощью фотоакустического детектора, установленного на воздушном шаре. Эти измерения предоставили важные данные, касающиеся проблемы истощения озонового слоя из-за антропогенных выбросов оксида азота. Некоторые из первых работ основывались на развитии RG-теории Розенквайгом и Гершо.

Приложения

Одним из важных преимуществ использования фотоакустической спектроскопии FTIR является возможность оценки образцов в их естественном состоянии (in situ) с помощью инфракрасной спектроскопии, что позволяет обнаруживать и количественно определять химические функциональные группы и, следовательно, химические вещества. Это особенно полезно для биологических образцов, которые можно исследовать, не измельчая их в порошок или подвергая химической обработке. Исследовались раковины, кости и подобные образцы. Использование фотоакустической спектроскопии позволило оценить молекулярные взаимодействия в костной ткани при несовершенном остеогенезе. В то время как большинство академических исследований были сосредоточены на приборах с высоким разрешением, часть работ была направлена в противоположную сторону. За последние двадцать лет были разработаны и коммерциализированы недорогие приборы для таких применений, как обнаружение утечек и контроль концентрации углекислого газа. Обычно используются недорогие тепловые источники, которые подвергаются электронной модуляции. Диффузия через полупроницаемые диски вместо клапанов для газообмена, недорогие микрофоны и фирменная обработка сигналов с использованием цифровых сигнальных процессоров позволили снизить стоимость этих систем. Будущее недорогих применений фотоакустической спектроскопии может заключаться в создании полностью интегрированных микромеханических фотоакустических приборов. Фотоакустический подход использовался для количественного определения макромолекул, таких как белки. Фотоакустический иммуноанализ маркирует и обнаруживает целевые белки, используя наночастицы, способные генерировать сильные акустические сигналы. Анализ белков на основе фотоакустики также применяется для экспресс-тестирования. Фотоакустическая спектроскопия также имеет множество военных применений, в частности, для обнаружения токсичных химических веществ. Высокая чувствительность фотоакустической спектроскопии делает ее идеальным методом анализа для обнаружения следовых количеств химических веществ, связанных с химическими атаками. LPAS-сенсоры могут применяться в промышленности, сфере безопасности (обнаружение нервно-паралитических веществ и взрывчатых веществ) и медицине (анализ выдыхаемого воздуха).

One of the important capabilities of using FTIR photoacoustic spectroscopy has been the ability to evaluate samples in their in situ state by infrared spectroscopy, which can be used to detect and quantify chemical functional groups and thus chemical substances. This is particularly useful for biological samples that can be evaluated without crushing to powder or subjecting to chemical treatments. Seashells, bone and such samples have been investigated. Using photoacoustic spectroscopy has helped evaluate molecular interactions in bone with osteogenesis imperfecta. While most academic research has concentrated on high resolution instruments, some work has gone in the opposite direction. In the last twenty years, very low cost instruments for applications such as leakage detection and for the control of carbon dioxide concentration have been developed and commercialized. Typically, low cost thermal sources are used which are modulated electronically. Diffusion through semi permeable disks instead of valves for gas exchange, low cost microphones, and proprietary signal processing with digital signal processors have brought down the costs of these systems. The future of low cost applications of photoacoustic spectroscopy may be the realization of fully integrated micromachined photoacoustic instruments. The photoacoustic approach has been utilized to quantitatively measure macromolecules, such as proteins. The photoacoustic immunoassay labels and detects target proteins using nanoparticles that can generate strong acoustic signals. The photoacoustics based protein analysis has also been applied for point of care testings. Photoacoustic spectroscopy also has many military applications. One such application is the detection toxic chemical agents. The sensitivity of photoacoustic spectroscopy makes it an ideal analysis technique for detecting trace chemicals associated with chemical attacks. LPAS sensors may be applied in industry, security (nerve agent and explosives detection), and medicine (breath analysis).