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光音響スペクトルの魔法: アレキサンダー・ベルは太陽光をどのように利用して音の秘密を明らかにしたか?
1880 年、アレクサンダー・グラハム・ベルは科学史上画期的な実験を行い、太陽光線が回転する溝付き円盤によって急速に遮られると、薄い円盤が音を出すことを発見しました。この実験により、光と音の驚くべきつながりが明らかになり、それが時を経て今日の光音響分光技術へと進化しました。この技術の核心は、吸収された電磁エネルギー（特に光）が物質に与える影響を測定することであり、これは音の検出によって実現されます。
光音響効果の基本原理は、光が物質に吸収されると、局所的な加熱によって熱膨張が起こり、圧力波または音が発生するというものです。
ベルの発見は可視光だけにとどまらず、赤外線や紫外線など、太陽光スペクトルの目に見えない部分に物質をさらすと音が生成されることも発見しました。異なる波長の光の下で音を測定することにより、サンプルの光音響スペクトルを記録できます。これは、サンプルの吸収成分を識別するために重要です。この技術は固体、液体、気体の研究に使用できます。
アプリケーションとテクノロジー
現代の光音響分光法はガス濃度を研究する重要な手段となっており、10億分の1、さらには1000億分の1レベルまでの微量ガスを検出することができます。現代の光音響検出器は依然としてベルの基本原理に依存していますが、感度を高めるためにいくつかの改良が行われています。生成される音の強度は光の強度に比例するため、太陽光の代わりに強力なレーザーを使用してサンプルを照射することが一般的になっています。この技術はレーザー光音響分光法 (LPAS) と呼ばれます。
耳の役割は高感度マイクに置き換えられ、ロックインアンプによってさらに増幅および検出され、感度が向上します。
さらに、ガスサンプルを円筒形の空洞内に封入し、変調周波数をサンプル空洞の音響共鳴に合わせて調整することで、音響信号をさらに増幅することができます。カンチレバー強化型光音響分光技術の使用により、感度がさらに向上し、信頼性の高いガス監視が可能になります。
例
光音響技術の可能性を示す例は 1970 年代に発生しました。研究者は気球に搭載した光音響検出器を使用して、高度 28 キロメートルでの一酸化窒素濃度の時間的変化を測定しました。これらの測定は、人為的な亜酸化窒素排出によって引き起こされるオゾン層の破壊の問題を理解するための重要なデータを提供します。この初期の研究は、ローゼンクワイグとガーショによる RG 理論の開発に依存していました。
アプリケーション
FT-IR-PASを使用する主な機能の1つは、サンプルをその場で評価する機能であり、粉砕や化学分析を必要とせずに、特に生物学的サンプルの化学官能基と化学物質を検出および定量化するために使用できます。と。貝殻や骨などのサンプルが研究されています。光音響分光法の応用は、OI に関連する骨内の分子相互作用の評価にも役立っています。
ほとんどの学術研究は高解像度の計測機器に焦点を当ててきましたが、過去 20 年間でガス漏れ検出や CO2 濃度制御などの用途向けに非常に低コストの計測機器が開発され、商品化されました。通常、低コストの熱源を使用し、電子変調によって動作します。ガス交換用のバルブではなく半透膜の使用、低コストのマイク、デジタル信号プロセッサを使用した独自の信号処理により、これらのシステムのコストは大幅に削減されました。
低コストの光音響分光法の将来は、完全に統合されたマイクロメカニカル光音響機器によって実現される可能性があります。光音響法は、強力な音響信号を発するナノ粒子を使用して標的タンパク質を標識し検出することで、タンパク質などの高分子を定量的に測定するためにも使用されています。光音響ベースのタンパク質分析は、ポイントオブケア検査にも適用されています。
さらに、光音響分光法は、有毒化学物質の検出など、軍事分野でも多くの用途があります。光音響分光法は感度が高いため、化学攻撃に関連する微量の化学物質を検出するための理想的な分析技術です。 LPAS センサーは、産業、セキュリティ (神経ガスや爆発物の検出)、医療 (呼気分析) の分野で幅広く使用できます。
光音響分光法はベル以来進化を続け、光学と音響を組み合わせて科学的探究の新たな扉を開きました。テクノロジーが進歩し続ける中で、科学者はこのテクノロジーをどのように活用して未知の領域を探索するのでしょうか?
