Fotoakustická spektroskopie - Photoacoustic spectroscopy - Wikipedia

Fotoakustická spektroskopie je měření účinku absorbovaného elektromagnetická energie (zejména z světlo ) zapnuto hmota pomocí akustický detekce. Objev fotoakustický efekt se datuje do roku 1880, kdy Alexander Graham Bell ukázal, že tenké disky vyzařují zvuk při vystavení a paprsek z sluneční světlo který byl rychle přerušen rotujícím štěrbinovým diskem. The vstřebává energie ze světla způsobuje místní topení, generování a teplotní roztažnost který vytváří tlak vlna nebo zvuk. Později Bell ukázal, že materiály byly vystaveny neviditelným částem sluneční energie spektrum (tj infračervený a ultrafialový ) může také produkovat zvuky.

A fotoakustické spektrum vzorku lze zaznamenat měřením zvuku při různých hodnotách vlnové délky světla. Toto spektrum lze použít k identifikaci absorbujících složek vzorku. Fotoakustický efekt lze použít ke studiu pevné látky, kapaliny a plyny.[1]

Použití a techniky

Příkladné sestavení fotoakustického spektroskopu pro analýzu plynů

Fotoakustické spektroskopie se stala výkonnou technikou ke studiu koncentrace plynů na část na miliardu nebo dokonce na část na bilion úrovní.[2] Moderní fotoakustika detektory stále se spoléhají na stejné principy jako Bellův aparát; nicméně ke zvýšení citlivost, bylo provedeno několik úprav.

Místo slunečního světla intenzivní lasery slouží k osvětlení vzorku, protože intenzita generovaného zvuku je úměrný na intenzitu světla; tato technika se označuje jako laserová fotoakustická spektroskopie (LPAS).[2] Ucho bylo nahrazeno citlivým mikrofony. Signály mikrofonu se dále zesilují a detekují pomocí blokovací zesilovače.[Citace je zapotřebí ] Uzavřením plynného vzorku ve válcové komoře je zvukový signál zesílen laděním modulace frekvence na akustická rezonance buňky vzorku.[Citace je zapotřebí ]

Používáním konzolová vylepšená fotoakustická spektroskopie citlivost lze ještě dále zlepšit, což umožňuje spolehlivé sledování plynů na úrovni ppb.

Příklad

Následující příklad ilustruje potenciál fotoakustické techniky: Na začátku 70. let Patel a spolupracovníci [3] změřil temporální změna koncentrace oxid dusnatý v stratosféra ve výšce 28 km s balónkovým fotoakustickým detektorem. Tato měření poskytla zásadní údaje o problému poškozování ozonové vrstvy umělou emisí oxidu dusnatého. Některé z raných prací se opíraly o vývoj teorie RG Rosencwaigem a Gershem.[4][5]

Aplikace fotoakustické spektroskopie

Jedna z důležitých možností používání FTIR fotoakustická spektroskopie byla schopnost hodnotit vzorky v jejich in situ uvést do infračervená spektroskopie, které lze použít k detekci a kvantifikaci chemické látky funkční skupiny a tudíž chemické substance. To je zvláště užitečné pro biologické vzorky, které lze vyhodnotit bez drcení na prášek nebo chemického ošetření. Byly zkoumány mušle, kosti a takové vzorky.[6][7][8] Použití fotoakustické spektroskopie pomohlo vyhodnotit molekulární interakce v kosti s osteogenesis imperfecta.[9]

Zatímco většina akademického výzkumu se soustředila na nástroje s vysokým rozlišením, některé práce šly opačným směrem. V posledních dvaceti letech byly velmi levné přístroje pro aplikace, jako je detekce úniků a pro kontrolu oxid uhličitý koncentrace byly vyvinuty a komercializovány. Typicky se používají levné tepelné zdroje, které jsou modulovány elektronicky. Difúze prostřednictvím polopropustných disků místo ventilů pro výměnu plynů, levných mikrofonů a proprietárního zpracování signálu pomocí procesory digitálního signálu snížily náklady na tyto systémy. Budoucností levných aplikací fotoakustické spektroskopie může být realizace plně integrovaných fotoakustických nástrojů s mikroobráběním.

K kvantitativnímu měření makromolekul, jako jsou proteiny, byl použit fotoakustický přístup. Fotoakustická imunotest značí a detekuje cílové proteiny pomocí nanočástic, které mohou generovat silné akustické signály.[10] Analýza proteinů založená na fotoakustice byla také použita pro testování v místě péče.[11]

Fotoakustická spektroskopie má také mnoho vojenských aplikací. Jednou z takových aplikací je detekce toxických chemických látek. Citlivost fotoakustické spektroskopie z něj činí ideální analytickou techniku ​​pro detekci stopových chemikálií spojených s chemickými útoky.[12]

Senzory LPAS mohou být použity v průmyslu, bezpečnosti (nervový agent a detekce výbušnin) a medicína (analýza dechu).[13]

Reference

  1. ^ David W. Ball Fotoakustická spektroskopie Archivováno 16. 12. 2010 na Wayback Machine Spectroscopy, svazek 21, vydání 9, 1. září 2006
  2. ^ A b „Fotoakustická technika„ slyší “zvuk nebezpečných chemických látek“, Časopis R & D, rdmag.com, 14. srpna 2012, vyvoláno 8. září 2012
  3. ^ C.K.N. Patel, E.G. Burkhardt, C.A. Lambert, „Spektroskopická měření oxidu dusnatého ve stratosféře a vodní páry“, Science, 184, 1173–1176 (1974)
  4. ^ A. Rosencwaig, „Teoretické aspekty fotoakustické spektroskopie“, Journal of Applied Physics, 49, 2905-2910 (1978)
  5. ^ A. Rosencwaig, A. Gersho „Theory of photoacoustic effect with solid“, Journal of Applied Physics, 47, 64-69 (1976)
  6. ^ D. Verma, K. S. Katti, D. R. Katti Povaha vody v Nacre: 2D FTIR spektroskopická studie ', Spectrochimica Acta část A, 67, 784–788 (2007)
  7. ^ D. Verma, K. S. Katti, D. R. Katti 'Nature Photoacoustic FTIR Spectroscopic Study of Non-Disturbed Nacre from Red Abalone', Spectrochimica Acta, 64, 1051-1057, (2006)
  8. ^ C. Gu, D. R. Katti, K. S. Katti Fotoakustická FTIR spektroskopická studie nenarušené lidské kortikální kosti ', Spectrochimica Acta část A: Molekulární a biomolekulární spektroskopie, 103, 25-37, (2013)
  9. ^ C. Gu, D. R. Katti, K. S. Katti Mikrostrukturální a fotoakustické infračervené spektroskopické studie lidské kortikální kosti s Osteogenesis Imperfecta ', Journal of Minerals, Metals and Materials Society, 68, 1116-1127, (2016)
  10. ^ Zhao Y, Cao M, McClelland JF, Lu M (2016). "Fotoakustický imunotest pro detekci biomarkerů". Biosenzory a bioelektronika. 85: 261–66. doi:10.1016 / j.bios.2016.05.028. PMID  27183276.
  11. ^ Zhao Y, Huang Y, Zhao X, McClelland JF, Lu M (2016). „Fotoakustická analýza založená na nanočásticích pro vysoce citlivé testy bočního toku“. Nanoměřítko. 8 (46): 19204–19210. doi:10.1039 / C6NR05312B. PMID  27834971.
  12. ^ „Fotoakustická technika„ slyší “zvuk nebezpečných chemických látek“. výzkum a vývoj. 2012-08-14. Citováno 2017-05-10.
  13. ^ R. Prasad, Coorg; Lei, Jie; Shi, Wenhui; Li, Guangkun; Dunayevskiy, Ilya; Patel, Chandra (01.05.2012). "Laserový fotoakustický senzor pro měření toxicity vzduchu". Sborník SPIE. Pokročilé environmentální, chemické a biologické snímací technologie IX. 8366: 7. doi:10.1117/12.919241. S2CID  120310656.

Další čtení

  • Sigrist, M. W. (1994), „Monitorování vzduchu pomocí laserové fotoakustické spektroskopie“, in: Sigrist, M. W. (editor), „Monitorování vzduchu pomocí spektroskopických technik“, Wiley, New York, str. 163–238.

externí odkazy

  • Obecný úvod do fotoakustické spektroskopie: [1]
  • Fotoakustická spektroskopie při sledování stopových plynů [2]
  • Fotoakustický spektrometr pro detekci stopových plynů založený na Helmholtzově rezonanční cele (www.aerovia.fr) [1]
  • Fotoakustický víceplynový monitor pro detekci stopových plynů založený na konzolová vylepšená fotoakustická spektroskopie (www.gasera.fi )
  1. ^ Zéninari, Virginie (10. března 2007). „Spectrométrie photoacoustique - Application à l'analyse de gaz“.