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Die Magie der photoakustischen Spektroskopie: Wie Alexander Graham Bell das Sonnenlicht nutzte, um die Geheimnisse des Schalls zu enthüllen
Im Jahr 1880 führte Alexander Graham Bell ein in der Wissenschaftsgeschichte bahnbrechendes Experiment durch: Er entdeckte, dass eine rotierende Schlitzscheibe einen Ton erzeugte, wenn ein Sonnenstrahl schnell von ihr unterbrochen wurde. Dieses Experiment enthüllte eine unglaubliche Verbindung zwischen Licht und Ton, die im Laufe der Zeit zur heutigen Technologie der photoakustischen Spektroskopie führte. Der Kern dieser Technologie besteht darin, die Wirkung absorbierter elektromagnetischer Energie (insbesondere Licht) auf Materie zu messen, und dies wird durch die Schallerkennung erreicht.
Das Grundprinzip des photoakustischen Effekts besteht darin, dass bei der Absorption von Licht durch eine Substanz eine lokale Erwärmung zu einer thermischen Ausdehnung führt, die wiederum Druckwellen oder Schall erzeugt.
Bells Entdeckungen beschränkten sich nicht nur auf sichtbares Licht; er fand auch heraus, dass Schall erzeugt werden kann, wenn Materialien den nicht sichtbaren Teilen des Sonnenspektrums, wie etwa Infrarot- und Ultraviolettlicht, ausgesetzt werden. Durch die Messung des Schalls bei verschiedenen Lichtwellenlängen kann das photoakustische Spektrum der Probe aufgezeichnet werden, was für die Identifizierung der absorbierenden Komponenten der Probe von entscheidender Bedeutung ist. Mit der Technik können Feststoffe, Flüssigkeiten und Gase untersucht werden.
Anwendung und Technologie
Die moderne photoakustische Spektroskopie ist zu einem wichtigen Mittel zur Untersuchung von Gaskonzentrationen geworden und kann Spurenmengen von Gasen bis in den Milliardstel- oder sogar Hundertmilliardstelbereich erkennen. Obwohl moderne photoakustische Detektoren immer noch auf dem Grundprinzip von Bell beruhen, wurden mehrere Verbesserungen zur Erhöhung der Empfindlichkeit vorgenommen. Anstelle von Sonnenlicht werden heute häufig leistungsstarke Laser verwendet, um die Probe zu beleuchten, da die Intensität des erzeugten Schalls proportional zur Intensität des Lichts ist. Diese Technik wird als Laser-Photoakustik-Spektroskopie (LPAS) bezeichnet.
Die Rolle des Ohrs wird durch ein hochempfindliches Mikrofon ersetzt, das zur Erhöhung der Empfindlichkeit zusätzlich verstärkt und von einem Lock-In-Verstärker erkannt wird.
Darüber hinaus kann das Schallsignal noch verstärkt werden, indem die Gasprobe in einen zylindrischen Hohlraum eingeschlossen wird und die Modulationsfrequenz an die akustische Resonanz des Probenhohlraums angepasst wird. Durch den Einsatz der Technologie der Cantilever-verstärkten photoakustischen Spektroskopie kann die Empfindlichkeit weiter verbessert und eine zuverlässige Überwachung der Gase erreicht werden.
Beispiel
Ein Beispiel, das das Potenzial der photoakustischen Technologie demonstrierte, stammt aus den 1970er Jahren, als Forscher mithilfe eines ballongetragenen photoakustischen Detektors die zeitlichen Veränderungen der Stickoxidkonzentrationen in einer Höhe von 28 Kilometern maßen. Diese Messungen liefern wichtige Daten zum Verständnis des Problems des Ozonabbaus, der durch vom Menschen verursachte Lachgasemissionen verursacht wird. Diese frühe Arbeit stützte sich auf die Entwicklung der RG-Theorie durch Rosencwaig und Gersho.
Anwendungen
Eine der wichtigsten Möglichkeiten der FT-IR-Photoakustikspektroskopie ist die Möglichkeit, Proben vor Ort auszuwerten. Dies kann zur Erkennung und Quantifizierung chemischer Funktionsgruppen und Chemikalien, insbesondere bei biologischen Proben, verwendet werden, ohne dass eine Pulverisierung oder chemische Analyse erforderlich ist. mit. Es wurden Proben von Muscheln, Knochen usw. untersucht. Die Anwendung der photoakustischen Spektroskopie hat auch dazu beigetragen, molekulare Wechselwirkungen im Knochen zu bewerten, die für OI relevant sind.
Während sich die akademische Forschung größtenteils auf hochauflösende Instrumente konzentrierte, wurden in den letzten beiden Jahrzehnten für Anwendungen wie die Gasleckerkennung und die Kontrolle der CO2-Konzentration auch sehr kostengünstige Instrumente entwickelt und kommerzialisiert. Verwendet typischerweise kostengünstige Wärmequellen und wird mit elektronischer Modulation betrieben. Durch die Verwendung semipermeabler Membranen anstelle von Ventilen für den Gasaustausch, kostengünstiger Mikrofone und einer proprietären Signalverarbeitung mit digitalen Signalprozessoren konnten die Kosten dieser Systeme deutlich gesenkt werden.
Die Zukunft der kostengünstigen photoakustischen Spektroskopie könnte mit vollständig integrierten mikromechanischen photoakustischen Instrumenten erreicht werden. Photoakustische Methoden wurden auch zur quantitativen Messung von Makromolekülen wie Proteinen eingesetzt. Dabei wurden Nanopartikel verwendet, die starke akustische Signale aussenden, um Zielproteine zu markieren und zu erkennen. Die photoakustische Proteinanalyse wird auch bei Point-of-Care-Tests angewendet.
Darüber hinaus findet die photoakustische Spektroskopie in vielen militärischen Anwendungen Anwendung, beispielsweise bei der Erkennung giftiger chemischer Kampfstoffe. Aufgrund ihrer Empfindlichkeit ist die photoakustische Spektroskopie eine ideale Analysetechnik zum Nachweis von Spurenmengen chemischer Substanzen, die mit Chemieangriffen in Zusammenhang stehen. LPAS-Sensoren können in der Industrie, im Sicherheitsbereich (Erkennung von Nervengiften und Sprengstoffen) und in der Medizin (Atemanalyse) vielseitig eingesetzt werden.
Die photoakustische Spektroskopie hat sich seit Bell kontinuierlich weiterentwickelt und durch die Kombination von Optik und Akustik neue Türen für die wissenschaftliche Forschung geöffnet. Wie werden Wissenschaftler die Technologie angesichts des fortschreitenden technologischen Fortschritts nutzen, um unbekannte Bereiche zu erforschen?
