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광음향 분광법의 마법: 알렉산더 그레이엄 벨이 햇빛을 이용해 소리의 비밀을 밝혀낸 방법
1880년, 알렉산더 그레이엄 벨은 과학사에 획기적인 실험을 진행하여 햇빛이 회전하는 슬롯형 디스크에 의해 빠르게 방해받으면 얇은 디스크에서 소리가 발생한다는 사실을 발견했습니다. 이 실험은 빛과 소리 사이의 놀라운 연관성을 밝혀냈고, 이는 시간이 지나면서 오늘날의 광음향 분광 기술로 발전했습니다. 이 기술의 핵심은 물질에 흡수된 전자기 에너지(특히 빛)가 미치는 영향을 측정하는 것이며, 이는 소리 감지를 통해 달성됩니다.
광음향 효과의 기본 원리는 빛이 물질에 흡수되면 국소적 가열로 인해 열팽창이 발생하고, 이로 인해 압력파나 소리가 발생한다는 것입니다.
벨의 발견은 가시광선에만 국한되지 않았습니다. 그는 물질이 적외선과 자외선과 같은 태양 스펙트럼의 비가시 영역에 노출되었을 때도 소리가 발생할 수 있다는 사실도 발견했습니다. 다양한 파장의 빛에서 소리를 측정하면 샘플의 광음향 스펙트럼을 기록할 수 있는데, 이는 샘플의 흡수 성분을 식별하는 데 중요합니다. 이 기술은 고체, 액체, 기체를 연구하는 데 사용할 수 있습니다.
응용 프로그램 및 기술
현대의 광음향 분광법은 가스 농도를 연구하는 중요한 수단이 되었고, 10억 분의 1 또는 심지어 1,000억 분의 1 수준까지 미량의 가스를 감지할 수 있습니다. 현대의 광음향 검출기는 여전히 벨의 기본 원리에 의존하지만, 감도를 높이기 위해 여러 가지 개선이 이루어졌습니다. 햇빛을 사용하는 대신, 강력한 레이저를 사용하여 샘플을 조명하는 것이 일반적입니다. 생성된 소리의 강도는 빛의 강도에 비례하기 때문입니다. 이 기술을 레이저 광음향 분광법(LPAS)이라고 합니다.
귀의 역할은 고감도 마이크로 대체되었으며, 잠금 증폭기를 통해 더욱 증폭되고 감지되어 감도가 높아졌습니다.
또한, 가스 샘플을 원통형 공동에 넣고 변조 주파수를 샘플 공동의 음향 공명으로 조정하면 음향 신호를 더욱 증폭시킬 수 있습니다. 캔틸레버 강화형 광음향 분광 기술을 사용하면 감도를 더욱 향상시키고 가스에 대한 신뢰할 수 있는 모니터링을 달성할 수 있습니다.
예
광음향 기술의 잠재력을 보여주는 한 예는 1970년대에 있었는데, 연구자들이 풍선에 탑재된 광음향 검출기를 사용하여 28km 고도에서 시간에 따른 일산화질소 농도의 변화를 측정한 것입니다. 이러한 측정 결과는 인간이 배출하는 아산화질소로 인한 오존층 파괴 문제를 이해하는 데 중요한 데이터를 제공합니다. 이 초기 연구는 로젠크바이크와 게르쇼가 개발한 RG 이론에 의존했습니다.
응용 프로그램
FT-IR-PAS를 사용하는 주요 기능 중 하나는 샘플을 현장에서 평가할 수 있는 기능으로, 분쇄 또는 화학 분석이 필요 없이 특히 생물학적 샘플의 경우 화학 작용기 그룹과 화학 물질을 감지하고 정량화하는 데 사용할 수 있습니다. 와 함께. 조개껍질, 뼈 등의 샘플이 연구되었습니다. 광음향 분광법을 적용하면 OI와 관련된 뼈의 분자 상호작용을 평가하는 데에도 도움이 됩니다.
대부분의 학술 연구가 고해상도 계측기에 초점을 맞춘 반면, 지난 20년 동안 가스 누출 감지 및 CO2 농도 제어와 같은 응용 분야에 사용되는 매우 저렴한 계측기도 개발되어 상용화되었습니다. 일반적으로 저렴한 열원을 사용하며 전자 변조 방식으로 작동됩니다. 가스 교환을 위해 밸브 대신 반투과성 막을 사용하고, 저렴한 마이크를 사용하고, 디지털 신호 프로세서를 사용한 독점적 신호 처리를 통해 이러한 시스템의 비용이 크게 절감되었습니다.
완전히 통합된 마이크로기계식 광음향 장비를 통해 저비용 광음향 분광법의 미래가 실현될 수도 있습니다. 광음향 방법은 나노입자를 사용하여 강한 음향 신호를 방출하여 표적 단백질을 표시하고 감지함으로써 단백질과 같은 거대 분자를 정량적으로 측정하는 데에도 사용되었습니다. 광음향 기반 단백질 분석은 진료 시점 검사에도 적용됩니다.
또한, 광음향 분광법은 독성 화학물질을 감지하는 등 군사적으로도 많은 용도로 활용됩니다. 광음향 분광법은 민감성이 뛰어나 화학적 공격과 관련된 미량의 화학물질을 감지하는 데 이상적인 분석 기법입니다. LPAS 센서는 산업, 보안(신경 가스 및 폭발물 감지), 의학(호흡 분석) 분야에서 널리 사용될 수 있습니다.
벨 이후로 광음향 분광법은 광학과 음향을 결합하여 과학적 탐구의 새로운 문을 열면서 계속 발전해 왔습니다. 기술이 계속 발전함에 따라, 과학자들은 이 기술을 사용하여 알려지지 않은 지역을 탐험할 수 있을까요?
