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Eine wunderbare Kombination aus Laser- und Schallwellen: Wie kann die Empfindlichkeit der photoakustischen Spektroskopie verbessert werden?
Photoakustische Spektroskopie ist eine Messmethode, die die Wirkung absorbierter elektromagnetischer Energie (insbesondere Licht) auf Materie durch Schallwellen erfasst. Im Jahr 1870 entdeckte Alexander Graham Bell erstmals den photoakustischen Effekt und zeigte, dass dünne Platten Geräusche abgeben, wenn sie schnell unterbrochenen Sonnenstrahlen ausgesetzt werden. Diese absorbierte Lichtenergie erhitzt das Material lokal und führt zu einer Wärmeausdehnung, die wiederum Druckwellen oder Schall verursacht. Bell zeigte später, dass unsichtbare Teile des Sonnenspektrums (wie Infrarot und Ultraviolett) auch Schall aussenden können. Die photoakustische Spektroskopie zeichnet das photoakustische Spektrum einer Probe auf, indem sie den von Licht unterschiedlicher Wellenlänge erzeugten Schall misst. Dieses Spektrum wird zur Identifizierung von in der Probe absorbierten Komponenten verwendet.
Der photoakustische Effekt kann zur Untersuchung von Feststoffen, Flüssigkeiten und Gasen genutzt werden.
Anwendungen und Technologie
Die moderne photoakustische Spektroskopie ist eine leistungsstarke Technik, mit der die Konzentration von Gasen auf der Ebene von Teilen pro Milliarde (ppb) oder sogar Teilen pro Billion (ppt) untersucht werden kann. Obwohl moderne photoakustische Detektoren immer noch auf dem Bell-Prinzip basieren, wurden einige Verbesserungen vorgenommen, um die Empfindlichkeit zu erhöhen. Im Gegensatz zum Sonnenlicht werden heute leistungsstarke Laser zur Beleuchtung von Proben verwendet. Da die Intensität des erzeugten Schalls proportional zur Intensität des Lichts ist, wird diese Technik als Laser-Photoakustik-Spektroskopie (LPAS) bezeichnet. Das herkömmliche Ohr wurde durch ein empfindliches Mikrofon ersetzt, dessen Signal mithilfe eines Lock-In-Verstärkers verstärkt und erkannt wird. Die Gasprobe ist in einem zylindrischen Hohlraum eingeschlossen und das Schallsignal wird weiter verstärkt, indem die Modulationsfrequenz an die akustische Resonanz des Probenhohlraums angepasst wird. Durch den Einsatz der Cantilever-verstärkten photoakustischen Spektroskopie kann die Empfindlichkeit weiter verbessert werden, was eine zuverlässige Überwachung von Gasen ermöglicht.
Das Potenzial der photoakustischen Spektroskopie liegt in ihrer Fähigkeit, In-situ-Bewertungen durchzuführen, ohne die Probe zu beschädigen.
Beispielanalyse
In den frühen 1970er Jahren verwendeten Bartel und seine Mitarbeiter statische photoakustische Detektoren, um Änderungen der Stickoxidkonzentration in der Stratosphäre in einer Höhe von 28 Kilometern zu messen. Diese Messungen liefern wichtige Daten zum Ozonabbau durch anthropogene Stickoxidemissionen. In einigen frühen Studien basierte es auf der Entwicklung der Rosenkweig- und Gilesho-Theorie (RG-Theorie).
Anwendungsbereich
Eine wichtige Fähigkeit der photoakustischen FTIR-Spektroskopie ist die Fähigkeit, Proben in ihrem In-situ-Zustand zu bewerten, der zum Nachweis und zur Quantifizierung chemischer funktioneller Gruppen und damit zur Identifizierung chemischer Spezies verwendet werden kann. Dies ist besonders nützlich für biologische Proben, die ausgewertet werden können, ohne dass sie in Pulverform zerkleinert oder einer chemischen Verarbeitung unterzogen werden müssen. Es wurden Proben wie Muscheln und Knochen untersucht. Die Anwendung der photoakustischen Spektroskopie hat dazu beigetragen, intraossäre molekulare Wechselwirkungen im Zusammenhang mit Osteogenesis imperfecta zu bewerten.
Während sich der Großteil der akademischen Forschung in den letzten zwei Jahrzehnten auf hochauflösende Instrumente konzentrierte, gab es auch Entwicklungen in die entgegengesetzte Richtung, und sehr kostengünstige Instrumente sind still und leise auf den Markt gekommen.
In den letzten Jahren wurden viele kostengünstige Wärmequellen elektronisch moduliert, der Gasaustausch durch semipermeable Membranen, kostengünstige Mikrofone und proprietäre digitale Signalverarbeitungstechnologie haben die Kosten solcher Systeme erheblich gesenkt. Zukünftige Anwendungen der kostengünstigen photoakustischen Spektroskopie könnten vollständig integrierte mikrobearbeitete photoakustische Instrumente ermöglichen.
Photoakustische Methoden wurden verwendet, um große Moleküle wie Proteine quantitativ zu messen. Photoakustische Immunoassays markieren und erkennen Zielproteine mithilfe von Nanopartikeln, die starke akustische Signale erzeugen. Auch bei Point-of-Care-Tests kommt die Proteinanalyse auf Basis der photoakustischen Technologie zum Einsatz.
Photoakustische Spektroskopie hat auch viele militärische Anwendungen, darunter die Erkennung toxischer chemischer Stoffe. Die Empfindlichkeit der photoakustischen Spektroskopie macht sie zu einer idealen Analysetechnik zum Nachweis von Spurenmengen von Chemikalien, die mit chemischen Angriffen verbunden sind. LPAS-Sensoren können in den Bereichen Industrie, Sicherheit (Detektion von Nervenagenten und Sprengstoffen), Medizin (Atemanalyse) und anderen Bereichen eingesetzt werden.
Mit der Entwicklung der Technologie verbessern sich die Empfindlichkeit und Genauigkeit der photoakustischen Spektroskopie weiter. Werden wir in Zukunft in der Lage sein, die möglichen Auswirkungen menschlicher Aktivitäten auf die Umweltgesundheit zu entdecken?
