Language
Country/Area
No result found
المزيج الرائع بين الليزر والموجات الصوتية: كيفية تحسين حساسية الطيف الضوئي الصوتي؟
التحليل الطيفي الصوتي الضوئي هو طريقة قياس تكتشف تأثير الطاقة الكهرومغناطيسية الممتصة (خاصة الضوء) على المادة من خلال الموجات الصوتية. في عام 1870، اكتشف ألكسندر جراهام بيل لأول مرة التأثير الصوتي الضوئي وأثبت أن الصفائح الرقيقة تصدر أصواتًا عند تعرضها لدفقات سريعة متقطعة من ضوء الشمس. تعمل هذه الطاقة الضوئية الممتصة على تسخين المادة محليًا، مما يسبب التمدد الحراري، والذي بدوره يسبب موجات ضغط أو صوت. أظهر بيل لاحقًا أن الأجزاء غير المرئية من الطيف الشمسي (مثل الأشعة تحت الحمراء والأشعة فوق البنفسجية) يمكنها أيضًا إصدار الصوت. يسجل التحليل الطيفي الضوئي الصوتي الطيف الضوئي الصوتي للعينة عن طريق قياس الصوت الناتج عن الضوء بأطوال موجية مختلفة. ويستخدم هذا الطيف لتحديد المكونات الممتصة في العينة.
يمكن استخدام التأثير الصوتي الضوئي لدراسة المواد الصلبة والسوائل والغازات.
الاستخدامات والتكنولوجيا
يعد التحليل الطيفي الضوئي الصوتي الحديث تقنية قوية يمكنها دراسة تركيز الغازات عند مستوى أجزاء في المليار (ppb) أو حتى أجزاء في التريليون (ppt). على الرغم من أن أجهزة الكشف الضوئية الصوتية الحديثة لا تزال تعتمد على مبدأ بيل، فقد تم إجراء بعض التحسينات لزيادة الحساسية. على عكس ضوء الشمس، يتم الآن استخدام أشعة ليزر قوية لإضاءة العينات، نظرًا لأن شدة الصوت الناتج تتناسب مع شدة الضوء، تسمى هذه التقنية التحليل الطيفي الضوئي بالليزر (LPAS). تم استبدال الأذن التقليدية بميكروفون حساس يتم تحسين إشارته والكشف عنها باستخدام مضخم صوت مقفل. يتم وضع عينة الغاز في تجويف أسطواني، ويتم تضخيم الإشارة الصوتية بشكل أكبر عن طريق ضبط تردد التعديل على الرنين الصوتي لتجويف العينة. باستخدام التحليل الطيفي الضوئي الصوتي المعزز الكابولي، يمكن تحسين الحساسية بشكل أكبر، مما يتيح مراقبة موثوقة للغازات.
تكمن إمكانية استخدام التحليل الطيفي الصوتي في قدرته على إجراء تقييمات في الموقع دون الإضرار بالعينة.
مثال للتحليل
في أوائل سبعينيات القرن العشرين، استخدم بارتيل ومعاونوه أجهزة كشف ضوئية صوتية ثابتة لقياس التغيرات في تركيز أكسيد النيتريك في طبقة الستراتوسفير على ارتفاع 28 كيلومترًا. توفر هذه القياسات بيانات مهمة عن استنفاد الأوزون بسبب انبعاثات أكسيد النيتريك البشرية المنشأ. وفي بعض الدراسات المبكرة، اعتمدت على تطوير نظرية روزنكويج وجيليشو (نظرية آر جي).
نطاق التطبيق
تتمثل إحدى القدرات المهمة للتحليل الطيفي الصوتي الضوئي بنظام FTIR في القدرة على تقييم العينات في حالتها الطبيعية، والتي يمكن استخدامها لاكتشاف المجموعات الوظيفية الكيميائية وتحديد كميتها وبالتالي تحديد الأنواع الكيميائية. وهذا مفيد بشكل خاص للعينات البيولوجية، التي يمكن تقييمها دون الحاجة إلى تفتيتها إلى مسحوق أو الخضوع للمعالجة الكيميائية. تمت دراسة عينات مثل الأصداف والعظام. ساعد تطبيق التحليل الطيفي الصوتي الضوئي في تقييم التفاعلات الجزيئية داخل العظم المرتبطة بتكوين العظم الناقص.
في حين ركزت معظم الأبحاث الأكاديمية على مدار العقدين الماضيين على الأجهزة عالية الدقة، فقد حدث أيضًا تطور في الاتجاه المعاكس، ودخلت الأجهزة منخفضة التكلفة للغاية إلى السوق بهدوء.
في السنوات الأخيرة، تم تعديل العديد من مصادر الحرارة منخفضة التكلفة إلكترونيًا، كما أدى تبادل الغازات من خلال أغشية نصف منفذة، والميكروفونات منخفضة التكلفة، وتكنولوجيا معالجة الإشارات الرقمية الخاصة إلى تقليل تكلفة هذه الأنظمة بشكل كبير. قد تؤدي التطبيقات المستقبلية للتحليل الطيفي الضوئي الصوتي منخفض التكلفة إلى تمكين أدوات صوتية ضوئية متكاملة تمامًا.
تم استخدام الطرق الصوتية الضوئية لقياس الجزيئات الكبيرة مثل البروتينات كميًا. تقوم المقايسات المناعية الصوتية الضوئية بتسمية البروتينات المستهدفة واكتشافها باستخدام الجسيمات النانوية التي تولد إشارات صوتية قوية. يُستخدم أيضًا تحليل البروتين المعتمد على التكنولوجيا الصوتية الضوئية في اختبار نقطة الرعاية.
للتحليل الطيفي الصوتي أيضًا العديد من التطبيقات العسكرية، أحدها هو الكشف عن العوامل الكيميائية السامة. إن حساسية التحليل الطيفي الصوتي الضوئي تجعله تقنية تحليلية مثالية للكشف عن كميات ضئيلة من المواد الكيميائية المرتبطة بالهجوم الكيميائي. يمكن استخدام مستشعرات LPAS في المجالات الصناعية والأمنية (الكشف عن عوامل الأعصاب والمتفجرات) والطبية (تحليل التنفس) وغيرها من المجالات.
مع تطور التكنولوجيا، تستمر حساسية ودقة التحليل الطيفي الضوئي الصوتي في التحسن. هل سنكون قادرين على اكتشاف التأثير المحتمل للأنشطة البشرية على الصحة البيئية في المستقبل؟
