Фотоакустическая спектроскопия

Фотоакустическая спектроскопия — это измерение воздействия поглощенной электромагнитной энергии (особенно света ) на вещество посредством акустического обнаружения. Открытие фотоакустического эффекта датируется 1880 годом, когда Александр Грэм Белл показал, что тонкие диски издают звук под воздействием луча солнечного света , который быстро прерывается вращающимся диском с прорезями. энергия Поглощенная , света вызывает локальный нагрев , вызывая тепловое расширение которое создает волну давления или звук. Позже Белл показал, что материалы, подвергающиеся воздействию невидимых частей солнечного спектра (то есть инфракрасного и ультрафиолетового ), также могут производить звуки.

Фотоакустический спектр образца можно записать путем измерения звука на разных длинах волн света. Этот спектр можно использовать для идентификации поглощающих компонентов образца. Фотоакустический эффект может быть использован для изучения твердых тел , жидкостей и газов . ^[1]

Использование и методы

Фотоакустическая спектроскопия стала мощным методом изучения концентраций газов на уровне частей на миллиард или даже частей на триллион. ^[2] Современные фотоакустические детекторы по-прежнему основаны на тех же принципах, что и аппарат Белла; однако для повышения чувствительности было сделано несколько модификаций.

Вместо солнечного света мощные лазеры для освещения образца используются , поскольку интенсивность генерируемого звука пропорциональна интенсивности света; этот метод называется лазерной фотоакустической спектроскопией (ЛПАС). ^[2] Ухо заменено чувствительными микрофонами . Сигналы микрофона дополнительно усиливаются и обнаруживаются с помощью синхронных усилителей . ^{[ нужна ссылка ]} Заключив газообразный образец в цилиндрическую камеру, звуковой сигнал усиливается за счет настройки частоты модуляции на акустический резонанс ячейки с образцом. ^{[ нужна ссылка ]}

Используя кантилеверную фотоакустическую спектроскопию, чувствительность можно еще улучшить, что позволит осуществлять надежный мониторинг газов на уровне частей на миллиард.

Пример

Следующий пример иллюстрирует потенциал фотоакустического метода. В начале 1970-х годов Патель и его коллеги ^[3] измерили временные изменения концентрации оксида азота в стратосфере на высоте 28 км с помощью аэростатного фотоакустического детектора. Эти измерения предоставили важные данные, касающиеся проблемы разрушения озона в результате антропогенных выбросов оксида азота. Некоторые из ранних работ основывались на развитии теории РГ Розенквэйгом и Гершо. ^[4]^[5]

Приложения

Одной из важных возможностей использования фотоакустической FTIR- спектроскопии является возможность оценивать образцы в их in situ состоянии с помощью инфракрасной спектроскопии , которую можно использовать для обнаружения и количественного определения химических функциональных групп и, следовательно, химических веществ . Это особенно полезно для биологических образцов, которые можно оценить без измельчения в порошок или химической обработки. Были исследованы ракушки, кости и тому подобные образцы. ^[6]^[7]^[8] Использование фотоакустической спектроскопии помогло оценить молекулярные взаимодействия в кости с несовершенным остеогенезом. ^[9]

Хотя большинство академических исследований было сосредоточено на инструментах высокого разрешения, некоторые работы пошли в противоположном направлении. очень недорогие приборы для таких применений, как обнаружение утечек и контроль концентрации углекислого газа За последние двадцать лет были разработаны и коммерциализированы . Обычно используются недорогие источники тепла с электронной модуляцией. Диффузия через полупроницаемые диски вместо клапанов для газообмена, недорогие микрофоны и запатентованная обработка сигналов с помощью цифровых сигнальных процессоров позволили снизить стоимость этих систем. Будущее недорогих применений фотоакустической спектроскопии может заключаться в реализации полностью интегрированных микромеханических фотоакустических инструментов.

Фотоакустический подход использовался для количественного измерения макромолекул, таких как белки. Фотоакустический иммуноанализ маркирует и обнаруживает целевые белки с помощью наночастиц , которые могут генерировать сильные акустические сигналы. ^[10] Анализ белка на основе фотоакустики также применялся для тестирования на месте оказания медицинской помощи. ^[11]

Фотоакустическая спектроскопия также имеет множество военных применений. Одним из таких приложений является обнаружение токсичных химических веществ. Чувствительность фотоакустической спектроскопии делает ее идеальным методом анализа для обнаружения следов химических веществ, связанных с химическими атаками. ^[12]

Датчики LPAS могут применяться в промышленности, безопасности ( обнаружение нервно-паралитических веществ и взрывчатых веществ) и медицине (анализ дыхания). ^[13]

Ссылки

↑ Дэвида В. Болла. Фотоакустическая спектроскопия Архивировано 13 июля 2024 г. в Wayback Machine Spectrography, том 21, выпуск 9, 1 сентября 2006 г.
^ Jump up to: ^а ^б «Фотоакустическая техника «слышит» звук опасных химических веществ» , журнал R&D , rdmag.com, 14 августа 2012 г. , получено 8 сентября 2012 г.
^ CKN Patel, EG Burkhardt, CA Lambert, «Спектроскопические измерения стратосферного оксида азота и водяного пара», Science, 184, 1173–1176 (1974).
^ А. Розенкуэйг, «Теоретические аспекты фотоакустической спектроскопии», Журнал прикладной физики, 49, 2905–2910 (1978).
^ А. Розенкуэйг, А. Гершо «Теория фотоакустического эффекта с твердыми телами», Журнал прикладной физики, 47, 64–69 (1976).
^ Д. Верма, К.С. Катти, Д.Р. Катти Природа воды в перламутре: двухмерное FTIR-спектроскопическое исследование», Spectrochimica Acta часть A, 67, 784–788 (2007)
^ Д. Верма, К.С. Катти, Д. Р. Катти «Природное фотоакустическое FTIR-спектроскопическое исследование нетронутого перламутра красного морского ушка», Spectrochimica Acta, 64, 1051-1057, (2006)
^ К. Гу, Д. Р. Катти, К. С. Катти Фотоакустическое FTIR-спектроскопическое исследование ненарушенной кортикальной кости человека ', Spectrochimica Acta Часть A: Молекулярная и биомолекулярная спектроскопия, 103, 25-37, (2013)
^ К. Гу, Д. Р. Катти, К. С. Катти. Микроструктурные и фотоакустические инфракрасные спектроскопические исследования кортикальной кости человека с несовершенным остеогенезом ', Журнал Общества минералов, металлов и материалов, 68, 1116-1127, (2016)
^ Чжао Ю, Цао М, Макклелланд Дж. Ф., Лу М (2016). «Фотоакустический иммуноанализ для обнаружения биомаркеров». Биосенсоры и биоэлектроника . 85 : 261–66. дои : 10.1016/j.bios.2016.05.028 . ПМИД 27183276 .
^ Чжао Ю, Хуан Ю, Чжао X, Макклелланд Дж. Ф., Лу М (2016). «Фотоакустический анализ на основе наночастиц для высокочувствительных анализов бокового потока». Наномасштаб . 8 (46): 19204–19210. дои : 10.1039/C6NR05312B . ПМИД 27834971 .
^ «Фотоакустическая техника «слышит» звук опасных химических веществ» . Исследования и разработки . 14 августа 2012 г. Проверено 10 мая 2017 г.
^ Р. Прасад, Кург; Лей, Цзе; Ши, Вэньхуэй; Ли, Гуанкунь; Дунаевский Илья; Патель, Чандра (01 мая 2012 г.). «Лазерный фотоакустический датчик для измерения токсичности воздуха» . Труды SPIE . Передовые технологии экологического, химического и биологического зондирования IX. 8366 : 7. Бибкод : 2012SPIE.8366E..08P . дои : 10.1117/12.919241 . S2CID 120310656 .

Дальнейшее чтение

Сигрист, М.В. (1994), «Мониторинг воздуха с помощью лазерной фотоакустической спектроскопии», в: Сигрист, М.В. (редактор), «Мониторинг воздуха с помощью спектроскопических методов», Уайли, Нью-Йорк, стр. 163–238.

Внешние ссылки

Общее введение в фотоакустическую спектроскопию: [1]
Фотоакустическая спектроскопия при мониторинге газовых примесей [2]
Фотоакустический спектрометр для обнаружения газовых примесей на основе резонансной ячейки Гельмгольца (www.aerovia.fr) [3]
Фотоакустический многогазовый монитор для обнаружения газовых примесей на основе кантилеверной фотоакустической спектроскопии ( www.gasera.fi )

[1] Дэвида В. Болла. Фотоакустическая спектроскопия Архивировано 13 июля 2024 г. в Wayback Machine Spectrography, том 21, выпуск 9, 1 сентября 2006 г.

[rdmag20120908-2] Jump up to: ^а ^б «Фотоакустическая техника «слышит» звук опасных химических веществ» , журнал R&D , rdmag.com, 14 августа 2012 г. , получено 8 сентября 2012 г.

[3] CKN Patel, EG Burkhardt, CA Lambert, «Спектроскопические измерения стратосферного оксида азота и водяного пара», Science, 184, 1173–1176 (1974).

[4] А. Розенкуэйг, «Теоретические аспекты фотоакустической спектроскопии», Журнал прикладной физики, 49, 2905–2910 (1978).

[5] А. Розенкуэйг, А. Гершо «Теория фотоакустического эффекта с твердыми телами», Журнал прикладной физики, 47, 64–69 (1976).

[6] Д. Верма, К.С. Катти, Д.Р. Катти Природа воды в перламутре: двухмерное FTIR-спектроскопическое исследование», Spectrochimica Acta часть A, 67, 784–788 (2007)

[7] Д. Верма, К.С. Катти, Д. Р. Катти «Природное фотоакустическое FTIR-спектроскопическое исследование нетронутого перламутра красного морского ушка», Spectrochimica Acta, 64, 1051-1057, (2006)

[8] К. Гу, Д. Р. Катти, К. С. Катти Фотоакустическое FTIR-спектроскопическое исследование ненарушенной кортикальной кости человека ', Spectrochimica Acta Часть A: Молекулярная и биомолекулярная спектроскопия, 103, 25-37, (2013)

[9] К. Гу, Д. Р. Катти, К. С. Катти. Микроструктурные и фотоакустические инфракрасные спектроскопические исследования кортикальной кости человека с несовершенным остеогенезом ', Журнал Общества минералов, металлов и материалов, 68, 1116-1127, (2016)

[10] Чжао Ю, Цао М, Макклелланд Дж. Ф., Лу М (2016). «Фотоакустический иммуноанализ для обнаружения биомаркеров». Биосенсоры и биоэлектроника . 85 : 261–66. дои : 10.1016/j.bios.2016.05.028 . ПМИД 27183276 .

[11] Чжао Ю, Хуан Ю, Чжао X, Макклелланд Дж. Ф., Лу М (2016). «Фотоакустический анализ на основе наночастиц для высокочувствительных анализов бокового потока». Наномасштаб . 8 (46): 19204–19210. дои : 10.1039/C6NR05312B . ПМИД 27834971 .

[12] «Фотоакустическая техника «слышит» звук опасных химических веществ» . Исследования и разработки . 14 августа 2012 г. Проверено 10 мая 2017 г.

[13] Р. Прасад, Кург; Лей, Цзе; Ши, Вэньхуэй; Ли, Гуанкунь; Дунаевский Илья; Патель, Чандра (01 мая 2012 г.). «Лазерный фотоакустический датчик для измерения токсичности воздуха» . Труды SPIE . Передовые технологии экологического, химического и биологического зондирования IX. 8366 : 7. Бибкод : 2012SPIE.8366E..08P . дои : 10.1117/12.919241 . S2CID 120310656 .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]