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La magia de la espectroscopia fotoacústica: cómo Alexander Graham Bell utilizó la luz solar para descubrir los secretos del sonido
En 1880, Alexander Graham Bell realizó un experimento innovador en la historia científica al descubrir que cuando un rayo de luz solar era interrumpido rápidamente por un disco ranurado giratorio, el disco delgado producía un sonido. Este experimento reveló una increíble conexión entre la luz y el sonido, que con el tiempo evolucionó hasta convertirse en la actual tecnología de espectroscopia fotoacústica. El núcleo de esta tecnología es medir el efecto de la energía electromagnética absorbida (especialmente la luz) sobre la materia, y esto se logra mediante la detección de sonido.
El principio básico del efecto fotoacústico es que cuando la luz es absorbida por una sustancia, el calentamiento local provoca una expansión térmica, que a su vez genera ondas de presión o sonido.
Los descubrimientos de Bell no se limitaron a la luz visible; también descubrió que el sonido podía producirse cuando los materiales se exponían a las partes no visibles del espectro solar, como la luz infrarroja y ultravioleta. Al medir el sonido bajo diferentes longitudes de onda de luz, se puede registrar el espectro fotoacústico de la muestra, lo que es crucial para identificar los componentes absorbentes de la muestra. La técnica se puede utilizar para estudiar sólidos, líquidos y gases.
Aplicación y tecnología
La espectroscopia fotoacústica moderna se ha convertido en un medio importante para estudiar las concentraciones de gases y es capaz de detectar trazas de gas hasta el nivel de partes por mil millones o incluso partes por cien mil millones. Aunque los detectores fotoacústicos modernos todavía se basan en el principio básico de Bell, se han realizado varias mejoras para aumentar la sensibilidad. En lugar de utilizar luz solar, ahora se utilizan láseres potentes para iluminar la muestra, ya que la intensidad del sonido producido es proporcional a la intensidad de la luz. Esta técnica se denomina espectroscopia fotoacústica láser (LPAS).
El papel del oído es reemplazado por un micrófono de alta sensibilidad, que se amplifica y detecta aún más mediante un amplificador de bloqueo para aumentar la sensibilidad.
Además, la señal de sonido se puede amplificar aún más encerrando la muestra de gas en una cavidad cilíndrica y ajustando la frecuencia de modulación a la resonancia acústica de la cavidad de la muestra. El uso de tecnología de espectroscopia fotoacústica mejorada mediante voladizo puede mejorar aún más la sensibilidad y lograr un monitoreo confiable de los gases.
Ejemplo
Un ejemplo que demostró el potencial de la tecnología fotoacústica ocurrió en la década de 1970, cuando los investigadores utilizaron un detector fotoacústico transportado por globo para medir los cambios temporales en las concentraciones de óxido nítrico a una altitud de 28 kilómetros. Estas mediciones proporcionan datos clave para comprender el problema del agotamiento de la capa de ozono causado por las emisiones de óxido nitroso de origen humano. Este trabajo inicial se basó en el desarrollo de la teoría RG de Rosencwaig y Gersho.
Aplicaciones
Una de las principales capacidades del uso de la espectroscopia fotoacústica FT-IR es la capacidad de evaluar muestras in situ, lo que puede utilizarse para detectar y cuantificar grupos funcionales químicos y sustancias químicas, en particular para muestras biológicas, sin necesidad de pulverización o análisis químico. con. Se han estudiado muestras de conchas, huesos, etc. La aplicación de la espectroscopia fotoacústica también ha ayudado a evaluar las interacciones moleculares en el hueso que son relevantes para la OI.
Si bien la mayor parte de la investigación académica se ha centrado en la instrumentación de alta resolución, en las últimas dos décadas se han desarrollado y comercializado instrumentación de muy bajo costo para aplicaciones como la detección de fugas de gas y el control de la concentración de CO2. Generalmente utiliza fuentes de calor de bajo costo y funciona mediante modulación electrónica. El uso de membranas semipermeables en lugar de válvulas para el intercambio de gases, micrófonos de bajo costo y procesamiento de señales patentado mediante procesadores de señales digitales han reducido significativamente el costo de estos sistemas.
El futuro de la espectroscopia fotoacústica de bajo coste puede lograrse con instrumentos fotoacústicos micromecánicos totalmente integrados. También se han utilizado métodos fotoacústicos para medir cuantitativamente macromoléculas como proteínas mediante el uso de nanopartículas que emiten fuertes señales acústicas para marcar y detectar proteínas objetivo. El análisis de proteínas basado en fotoacústica también se aplica en pruebas en el punto de atención.
Además, la espectroscopia fotoacústica tiene muchas aplicaciones militares, como la detección de agentes químicos tóxicos. La sensibilidad de la espectroscopia fotoacústica la convierte en una técnica analítica ideal para detectar trazas de sustancias químicas asociadas a ataques químicos. Los sensores LPAS se pueden utilizar ampliamente en la industria, la seguridad (detección de agentes nerviosos y explosivos) y la medicina (análisis del aliento).
La espectroscopia fotoacústica ha seguido evolucionando desde Bell, combinando óptica y acústica para abrir nuevas puertas a la exploración científica. A medida que la tecnología continúa avanzando, ¿cómo utilizarán los científicos esta tecnología para explorar áreas desconocidas?
