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La meravigliosa combinazione di laser e onde sonore: come migliorare la sensibilità dello spettro fotoacustico?
La spettroscopia fotoacustica è un metodo di misurazione che rileva l'effetto dell'energia elettromagnetica assorbita (in particolare la luce) sulla materia attraverso le onde sonore. Nel 1870, Alexander Graham Bell scoprì per primo l'effetto fotoacustico e dimostrò che i fogli sottili emettono suoni quando esposti a esplosioni di luce solare rapidamente interrotte. Questa energia luminosa assorbita riscalda localmente il materiale, provocando un'espansione termica, che a sua volta provoca onde di pressione o suoni. Bell in seguito dimostrò che anche le parti invisibili dello spettro solare (come gli infrarossi e gli ultravioletti) possono emettere suoni. La spettroscopia fotoacustica registra lo spettro fotoacustico di un campione misurando il suono prodotto dalla luce di diverse lunghezze d'onda. Questo spettro viene utilizzato per identificare i componenti assorbiti nel campione.
L'effetto fotoacustico può essere utilizzato per studiare solidi, liquidi e gas.
Usi e tecnologia
La moderna spettroscopia fotoacustica è una tecnica potente in grado di studiare la concentrazione di gas a livello di parti per miliardo (ppb) o addirittura parti per trilione (ppt). Sebbene i moderni rilevatori fotoacustici si basino ancora sul principio di Bell, sono stati apportati alcuni miglioramenti per aumentare la sensibilità. A differenza della luce solare, ora vengono utilizzati potenti laser per illuminare i campioni. Poiché l’intensità del suono generato è proporzionale all’intensità della luce, questa tecnica è chiamata spettroscopia fotoacustica laser (LPAS). L'orecchio tradizionale è stato sostituito da un microfono sensibile il cui segnale viene potenziato e rilevato utilizzando un amplificatore lock-in. Il campione di gas è racchiuso in una cavità cilindrica e il segnale sonoro viene ulteriormente amplificato regolando la frequenza di modulazione in base alla risonanza acustica della cavità del campione. Utilizzando la spettroscopia fotoacustica potenziata con cantilever, la sensibilità può essere ulteriormente migliorata, consentendo un monitoraggio affidabile dei gas.
Il potenziale dell'utilizzo della spettroscopia fotoacustica risiede nella sua capacità di eseguire valutazioni in situ senza danneggiare il campione.
Esempio di analisi
All'inizio degli anni '70, Bartel e i suoi collaboratori utilizzarono rilevatori fotoacustici statici per misurare i cambiamenti nella concentrazione di ossido nitrico nella stratosfera a un'altitudine di 28 chilometri. Queste misurazioni forniscono dati importanti sulla riduzione dell’ozono dovuta alle emissioni di ossido nitrico di origine antropica. In alcuni dei primi studi, si basava sullo sviluppo della teoria di Rosenkweig e Gilesho (teoria RG).
Ambito di applicazione
Un'importante capacità della spettroscopia fotoacustica FTIR è la capacità di valutare i campioni nel loro stato in situ, che può essere utilizzato per rilevare e quantificare i gruppi funzionali chimici e quindi identificare le specie chimiche. Ciò è particolarmente utile per i campioni biologici, che possono essere valutati senza la necessità di ridurli in polvere o sottoporli a trattamenti chimici. Sono stati studiati campioni come conchiglie e ossa. L'applicazione della spettroscopia fotoacustica ha contribuito a valutare le interazioni molecolari intraossee associate all'osteogenesi imperfetta.
Mentre la maggior parte della ricerca accademica negli ultimi vent'anni si è concentrata sulla strumentazione ad alta risoluzione, si è verificato anche uno sviluppo nella direzione opposta e strumenti a bassissimo costo sono entrati silenziosamente nel mercato.
Negli ultimi anni, molte fonti di calore a basso costo sono state modulate elettronicamente, lo scambio di gas attraverso membrane semipermeabili, microfoni a basso costo e la tecnologia proprietaria di elaborazione del segnale digitale hanno ridotto significativamente il costo di tali sistemi. Le future applicazioni della spettroscopia fotoacustica a basso costo potrebbero consentire strumenti fotoacustici microlavorati completamente integrati.
I metodi fotoacustici sono stati utilizzati per misurare quantitativamente molecole di grandi dimensioni come le proteine. I test immunologici fotoacustici etichettano e rilevano le proteine bersaglio utilizzando nanoparticelle che generano forti segnali acustici. L'analisi delle proteine basata sulla tecnologia fotoacustica viene utilizzata anche nei test point-of-care.
La spettroscopia fotoacustica ha anche molte applicazioni militari, una delle quali è il rilevamento di agenti chimici tossici. La sensibilità della spettroscopia fotoacustica la rende una tecnica analitica ideale per rilevare tracce di sostanze chimiche associate all'attacco chimico. I sensori LPAS possono essere utilizzati in settori industriali, di sicurezza (rilevamento di agenti nervini ed esplosivi), medici (analisi del respiro) e altri campi.
Con lo sviluppo della tecnologia, la sensibilità e l'accuratezza della spettroscopia fotoacustica continuano a migliorare. Saremo in grado di scoprire il potenziale impatto delle attività umane sulla salute ambientale in futuro?
