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La maravillosa combinación de láser y ondas sonoras: ¿Cómo mejorar la sensibilidad del espectro fotoacústico?
La espectroscopia fotoacústica es un método de medición que detecta el efecto de la energía electromagnética absorbida (especialmente la luz) sobre la materia a través de ondas sonoras. En 1870, Alexander Graham Bell descubrió por primera vez el efecto fotoacústico y demostró que las láminas delgadas emiten sonidos cuando se exponen a ráfagas de luz solar rápidamente interrumpidas. Esta energía luminosa absorbida calienta localmente el material, provocando una expansión térmica, que a su vez provoca ondas de presión o sonido. Bell demostró más tarde que partes invisibles del espectro solar (como el infrarrojo y el ultravioleta) también pueden emitir sonido. La espectroscopia fotoacústica registra el espectro fotoacústico de una muestra midiendo el sonido producido por la luz de diferentes longitudes de onda. Este espectro se utiliza para identificar los componentes absorbidos en la muestra.
El efecto fotoacústico se puede utilizar para estudiar sólidos, líquidos y gases.
Usos y Tecnología
La espectroscopia fotoacústica moderna es una técnica poderosa que puede estudiar la concentración de gases a niveles de partes por mil millones (ppb) o incluso partes por billón (ppt). Aunque los detectores fotoacústicos modernos todavía se basan en el principio de Bell, se han realizado algunas mejoras para aumentar la sensibilidad. A diferencia de la luz solar, ahora se utilizan potentes láseres para iluminar muestras. Debido a que la intensidad del sonido generado es proporcional a la intensidad de la luz, esta técnica se denomina espectroscopia fotoacústica láser (LPAS). El oído tradicional ha sido reemplazado por un micrófono sensible cuya señal se mejora y detecta mediante un amplificador lock-in. La muestra de gas está encerrada en una cavidad cilíndrica y la señal de sonido se amplifica aún más ajustando la frecuencia de modulación a la resonancia acústica de la cavidad de la muestra. Mediante el uso de espectroscopia fotoacústica mejorada en voladizo, se puede mejorar aún más la sensibilidad, lo que permite un monitoreo confiable de los gases.
El potencial del uso de espectroscopía fotoacústica reside en su capacidad para realizar evaluaciones in situ sin dañar la muestra.
Análisis de ejemplo
A principios de la década de 1970, Bartel y sus colaboradores utilizaron detectores fotoacústicos estáticos para medir los cambios en la concentración de óxido nítrico en la estratosfera a una altitud de 28 kilómetros. Estas mediciones proporcionan datos importantes sobre el agotamiento de la capa de ozono debido a las emisiones antropogénicas de óxido nítrico. En algunos de los primeros estudios, se basó en el desarrollo de la teoría de Rosenkweig y Gilesho (teoría RG).
Ámbito de aplicación
Una capacidad importante de la espectroscopía fotoacústica FTIR es la capacidad de evaluar muestras en su estado in situ, que se puede utilizar para detectar y cuantificar grupos funcionales químicos y así identificar especies químicas. Esto es particularmente útil para muestras biológicas, que pueden evaluarse sin necesidad de convertirlas en polvo o someterse a procesamiento químico. Se han estudiado muestras como conchas y huesos. La aplicación de la espectroscopia fotoacústica ha ayudado a evaluar las interacciones moleculares intraóseas asociadas con la osteogénesis imperfecta.
Si bien la mayor parte de la investigación académica de las últimas dos décadas se ha centrado en la instrumentación de alta resolución, también ha habido un desarrollo en la dirección opuesta y han entrado silenciosamente en el mercado instrumentos de muy bajo costo.
En los últimos años, muchas fuentes de calor de bajo costo se han modulado electrónicamente, el intercambio de gases a través de membranas semipermeables, micrófonos de bajo costo y tecnología patentada de procesamiento de señales digitales han reducido significativamente el costo de dichos sistemas. Las aplicaciones futuras de la espectroscopia fotoacústica de bajo costo pueden permitir instrumentos fotoacústicos micromecanizados totalmente integrados.
Se han utilizado métodos fotoacústicos para medir cuantitativamente moléculas grandes, como las proteínas. Los inmunoensayos fotoacústicos etiquetan y detectan proteínas diana mediante el uso de nanopartículas que generan fuertes señales acústicas. El análisis de proteínas basado en tecnología fotoacústica también se utiliza en pruebas en el lugar de atención.
La espectroscopia fotoacústica también tiene muchas aplicaciones militares, una de las cuales es 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 con ataques químicos. Los sensores LPAS se pueden utilizar en campos industriales, de seguridad (detección de agentes nerviosos y explosivos) y médicos (análisis del aliento) y otros.
Con el desarrollo de la tecnología, la sensibilidad y precisión de la espectroscopia fotoacústica continúan mejorando. ¿Podremos descubrir el impacto potencial de las actividades humanas en la salud ambiental en el futuro?
