Language
Country/Area
No result found
La magie de la spectroscopie photoacoustique : comment Alexander Graham Bell a utilisé la lumière du soleil pour découvrir les secrets du son
En 1880, Alexander Graham Bell a mené une expérience révolutionnaire dans l'histoire scientifique, découvrant que lorsqu'un rayon de soleil était rapidement interrompu par un disque fendu en rotation, le disque mince produisait un son. Cette expérience a révélé un lien incroyable entre la lumière et le son, qui a évolué au fil du temps vers la technologie de spectroscopie photoacoustique d'aujourd'hui. Le cœur de cette technologie est de mesurer l’effet de l’énergie électromagnétique absorbée (en particulier la lumière) sur la matière, et cela est réalisé grâce à la détection du son.
Le principe de base de l'effet photoacoustique est que lorsque la lumière est absorbée par une substance, le chauffage local provoque une dilatation thermique, qui à son tour génère des ondes de pression ou du son.
Les découvertes de Bell ne se limitaient pas à la lumière visible ; il a également découvert que le son pouvait être produit lorsque des matériaux étaient exposés aux parties non visibles du spectre solaire, comme la lumière infrarouge et ultraviolette. En mesurant le son sous différentes longueurs d’onde de lumière, le spectre photoacoustique de l’échantillon peut être enregistré, ce qui est crucial pour identifier les composants absorbants de l’échantillon. Cette technique peut être utilisée pour étudier les solides, les liquides et les gaz.
Application et technologie
La spectroscopie photoacoustique moderne est devenue un moyen important d’étudier les concentrations de gaz et est capable de détecter des traces de gaz jusqu’au niveau d’une partie par milliard, voire d’une partie par cent milliards. Bien que les détecteurs photoacoustiques modernes reposent toujours sur le principe de base de Bell, plusieurs améliorations ont été apportées pour augmenter la sensibilité. Au lieu d'utiliser la lumière du soleil, on utilise aujourd'hui couramment des lasers puissants pour éclairer l'échantillon, car l'intensité du son produit est proportionnelle à l'intensité de la lumière. Cette technique est appelée spectroscopie photoacoustique laser (LPAS).
Le rôle de l'oreille est remplacé par un microphone très sensible, qui est encore amplifié et détecté par un amplificateur verrouillable pour augmenter la sensibilité.
De plus, le signal sonore peut être encore amplifié en enfermant l'échantillon de gaz dans une cavité cylindrique et en ajustant la fréquence de modulation à la résonance acoustique de la cavité de l'échantillon. L’utilisation de la technologie de spectroscopie photoacoustique améliorée par cantilever peut encore améliorer la sensibilité et permettre une surveillance fiable des gaz.
Exemple
Un exemple démontrant le potentiel de la technologie photoacoustique s’est produit dans les années 1970, lorsque des chercheurs ont utilisé un détecteur photoacoustique embarqué sur ballon pour mesurer les changements temporels des concentrations d’oxyde nitrique à une altitude de 28 kilomètres. Ces mesures fournissent des données essentielles pour comprendre le problème de l’appauvrissement de la couche d’ozone causé par les émissions d’oxyde nitrique d’origine humaine. Ces premiers travaux s’appuyaient sur le développement de la théorie RG par Rosencwaig et Gersho.
Applications
L’une des principales capacités de l’utilisation de la spectroscopie photoacoustique FT-IR est la possibilité d’évaluer des échantillons in situ, ce qui peut être utilisé pour détecter et quantifier des groupes fonctionnels chimiques et des produits chimiques, en particulier pour les échantillons biologiques, sans avoir besoin de pulvérisation ou d’analyse chimique. avec. Des échantillons de coquillages, d’os, etc. ont été étudiés. L’application de la spectroscopie photoacoustique a également permis d’évaluer les interactions moléculaires dans les os qui sont pertinentes pour l’OI.
Alors que la plupart des recherches universitaires se sont concentrées sur l’instrumentation à haute résolution, des instruments à très faible coût ont été développés et commercialisés au cours des deux dernières décennies pour des applications telles que la détection des fuites de gaz et le contrôle de la concentration en CO2. Il utilise généralement des sources de chaleur à faible coût et fonctionne par modulation électronique. L’utilisation de membranes semi-perméables plutôt que de valves pour l’échange de gaz, de microphones à faible coût et d’un traitement de signal propriétaire utilisant des processeurs de signal numérique ont considérablement réduit le coût de ces systèmes.
L’avenir de la spectroscopie photoacoustique à faible coût pourrait être atteint grâce à des instruments photoacoustiques micromécaniques entièrement intégrés. Les méthodes photoacoustiques ont également été utilisées pour mesurer quantitativement des macromolécules telles que les protéines en utilisant des nanoparticules qui émettent des signaux acoustiques puissants pour marquer et détecter les protéines cibles. L’analyse des protéines basée sur la photoacoustique est également appliquée aux tests au point de service.
De plus, la spectroscopie photoacoustique a de nombreuses applications militaires, comme la détection d’agents chimiques toxiques. La sensibilité de la spectroscopie photoacoustique en fait une technique d’analyse idéale pour détecter des traces de produits chimiques associés à des attaques chimiques. Les capteurs LPAS peuvent être largement utilisés dans l'industrie, la sécurité (détection d'agents neurotoxiques et d'explosifs) et la médecine (analyse de l'haleine).
La spectroscopie photoacoustique a continué d’évoluer depuis Bell, combinant l’optique et l’acoustique pour ouvrir de nouvelles portes à l’exploration scientifique. À mesure que la technologie continue de progresser, comment les scientifiques utiliseront-ils cette technologie pour explorer des zones inconnues ?
