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La merveilleuse combinaison du laser et des ondes sonores : Comment améliorer la sensibilité du spectre photoacoustique ?
La spectroscopie photoacoustique est une méthode de mesure qui détecte l'effet de l'énergie électromagnétique absorbée (en particulier la lumière) sur la matière par le biais d'ondes sonores. En 1870, Alexander Graham Bell a découvert pour la première fois l’effet photoacoustique et a démontré que de fines feuilles émettent des sons lorsqu’elles sont exposées à des éclats de soleil rapidement interrompus. Cette énergie lumineuse absorbée chauffe localement le matériau, provoquant une dilatation thermique, qui à son tour provoque des ondes de pression ou du son. Bell a montré plus tard que les parties invisibles du spectre solaire (telles que l'infrarouge et l'ultraviolet) peuvent également émettre du son. La spectroscopie photoacoustique enregistre le spectre photoacoustique d'un échantillon en mesurant le son produit par la lumière de différentes longueurs d'onde. Ce spectre est utilisé pour identifier les composants absorbés dans l'échantillon.
L'effet photoacoustique peut être utilisé pour étudier les solides, les liquides et les gaz.
Utilisations et technologie
La spectroscopie photoacoustique moderne est une technique puissante qui permet d'étudier la concentration de gaz au niveau de parties par milliard (ppb) ou même de parties par billion (ppt). Bien que les détecteurs photoacoustiques modernes reposent toujours sur le principe de Bell, certaines améliorations ont été apportées pour augmenter la sensibilité. Contrairement à la lumière du soleil, des lasers puissants sont désormais utilisés pour éclairer les échantillons. L’intensité du son généré étant proportionnelle à l’intensité de la lumière, cette technique est appelée spectroscopie photoacoustique laser (LPAS). L'oreille traditionnelle a été remplacée par un microphone sensible dont le signal est amélioré et détecté à l'aide d'un amplificateur lock-in. L'échantillon de gaz est enfermé dans une cavité cylindrique et le signal sonore est encore amplifié en ajustant la fréquence de modulation à la résonance acoustique de la cavité d'échantillon. En utilisant la spectroscopie photoacoustique améliorée en porte-à-faux, la sensibilité peut être encore améliorée, permettant une surveillance fiable des gaz.
Le potentiel de l'utilisation de la spectroscopie photoacoustique réside dans sa capacité à effectuer des évaluations in situ sans endommager l'échantillon.
Exemple d'analyse
Au début des années 1970, Bartel et ses collaborateurs ont utilisé des détecteurs photoacoustiques statiques pour mesurer les changements de concentration d'oxyde nitrique dans la stratosphère à une altitude de 28 kilomètres. Ces mesures fournissent des données importantes sur l’appauvrissement de la couche d’ozone dû aux émissions anthropiques d’oxyde nitrique. Dans certaines premières études, elle était basée sur le développement de la théorie de Rosenkweig et Gilesho (théorie RG).
Portée de l'application
Une capacité importante de la spectroscopie photoacoustique FTIR est la capacité d'évaluer des échantillons dans leur état in situ, qui peut être utilisé pour détecter et quantifier des groupes fonctionnels chimiques et ainsi identifier des espèces chimiques. Ceci est particulièrement utile pour les échantillons biologiques, qui peuvent être évalués sans qu’il soit nécessaire de les réduire en poudre ou de subir un traitement chimique. Des échantillons tels que des coquilles et des os ont été étudiés. L'application de la spectroscopie photoacoustique a permis d'évaluer les interactions moléculaires intra-osseuses associées à l'ostéogenèse imparfaite.
Alors que la plupart des recherches universitaires au cours des deux dernières décennies se sont concentrées sur les instruments à haute résolution, des développements ont également eu lieu dans la direction opposée, et des instruments à très faible coût sont discrètement entrés sur le marché.
Ces dernières années, de nombreuses sources de chaleur à faible coût ont été modulées électroniquement, les échanges gazeux via des membranes semi-perméables, des microphones à faible coût et une technologie propriétaire de traitement du signal numérique ont considérablement réduit le coût de ces systèmes. Les applications futures de la spectroscopie photoacoustique à faible coût pourraient permettre la création d'instruments photoacoustiques micro-usinés entièrement intégrés.
Des méthodes photoacoustiques ont été utilisées pour mesurer quantitativement de grosses molécules telles que les protéines. Les tests immunologiques photoacoustiques marquent et détectent les protéines cibles à l'aide de nanoparticules qui génèrent des signaux acoustiques puissants. L'analyse des protéines basée sur la technologie photoacoustique est également utilisée dans les tests sur le lieu d'intervention.
La spectroscopie photoacoustique a également de nombreuses applications militaires, dont la détection d'agents chimiques toxiques. La sensibilité de la spectroscopie photoacoustique en fait une technique analytique idéale pour détecter des traces de produits chimiques associés à une attaque chimique. Les capteurs LPAS peuvent être utilisés dans les domaines industriel, de la sécurité (détection d’agents neurotoxiques et d’explosifs), médical (analyse respiratoire) et autres.
Avec le développement de la technologie, la sensibilité et la précision de la spectroscopie photoacoustique continuent de s'améliorer. Serons-nous en mesure de découvrir l'impact potentiel des activités humaines sur la santé environnementale à l'avenir ?
