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レーザーと音波の素晴らしい組み合わせ: 光音響スペクトルの感度を向上させるには?
光音響分光法は、吸収された電磁エネルギー (特に光) が物質に及ぼす影響を音波を通じて検出する測定方法です。 1870 年、アレクサンダー グラハム ベルは初めて光音響効果を発見し、急速に中断された太陽光のバーストにさらされると薄いシートが音を発することを実証しました。この吸収された光エネルギーが材料を局所的に加熱して熱膨張を引き起こし、それが圧力波や音を引き起こします。ベルは後に、太陽スペクトルの目に見えない部分（赤外線や紫外線など）も音を発する可能性があることを示しました。光音響分光法は、さまざまな波長の光によって生成される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します。このスペクトルは、サンプルに吸収された成分を識別するために使用されます。
光音響効果は、固体、液体、気体を研究するために使用できます。
用途とテクノロジー
最新の光音響分光法は、10 億分の 1 (ppb) または 10 億分の 1 (ppt) のレベルでガスの濃度を研究できる強力な技術です。最新の光音響検出器は依然としてベルの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加えられています。太陽光とは異なり、現在では強力なレーザーがサンプルの照明に使用されています。生成される音の強度は光の強度に比例するため、この技術はレーザー光音響分光法 (LPAS) と呼ばれます。従来の耳は高感度マイクに置き換えられ、その信号はロックインアンプを使用して強化され検出されます。ガスサンプルは円筒形のキャビティ内に封入されており、変調周波数をサンプルキャビティの音響共鳴に合わせて調整することで音響信号がさらに増幅されます。カンチレバー強化型光音響分光法を使用することで感度がさらに向上し、ガスの信頼性の高いモニタリングが可能になります。
光音響分光法を使用する可能性は、サンプルに損傷を与えることなくその場で評価を実行できることにあります。
分析例
1970 年代初頭、バーテルと彼の共同研究者は、静的光音響検出器を使用して、高度 28 キロメートルの成層圏の一酸化窒素濃度の変化を測定しました。これらの測定は、人為的一酸化窒素排出によるオゾン層破壊に関する重要なデータを提供します。いくつかの初期の研究では、ローゼンクヴァイクとギレショ理論 (RG 理論) の発展に基づいていました。
適用範囲
FTIR 光音響分光法の重要な機能は、サンプルをその場状態で評価できることであり、これを使用して化学官能基を検出および定量し、それによって化学種を識別できます。これは、粉末にしたり化学処理をしたりすることなく評価できる生体サンプルに特に役立ちます。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、骨形成不全症に関連する骨内分子相互作用の評価に役立ちました。
過去 20 年間のほとんどの学術研究は高解像度の計測器に焦点を当ててきましたが、逆の方向の開発もあり、非常に低コストの計測器が静かに市場に参入しています。
近年、多くの低コストの熱源が電子的に調整され、半透膜によるガス交換、低コストのマイク、独自のデジタル信号処理技術により、そのようなシステムのコストが大幅に削減されました。低コストの光音響分光法の将来の応用により、完全に統合された微細加工された光音響機器が可能になる可能性があります。
光音響法は、タンパク質などの大きな分子を定量的に測定するために使用されてきました。光音響イムノアッセイは、強力な音響信号を生成するナノ粒子を使用して、標的タンパク質を標識し、検出します。光音響技術に基づくタンパク質分析は、ポイントオブケア検査にも使用されます。
光音響分光法には多くの軍事用途もありますが、その 1 つは有毒化学物質の検出です。光音響分光法の感度は、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となります。 LPAS センサーは、産業、セキュリティ (神経剤や爆発物の検出)、医療 (呼気分析) などの分野で使用できます。
技術の発展により、光音響分光法の感度と精度は向上し続けており、将来的には人間の活動が環境の健康に及ぼす潜在的な影響を発見できるようになるでしょうか。
