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레이저와 음파의 놀라운 조합: 광음향 분광법의 감도를 개선하는 방법?
광음향분광학은 흡수된 전자기 에너지(특히 빛)가 물질에 미치는 영향을 음파를 통해 감지하는 측정 방법입니다. 1870년에 알렉산더 그레이엄 벨(Alexander Graham Bell)은 처음으로 광음향 효과를 발견했으며 얇은 시트가 빠르게 중단되는 햇빛의 폭발에 노출될 때 소리를 방출한다는 것을 입증했습니다. 이렇게 흡수된 빛 에너지는 재료를 국부적으로 가열하여 열팽창을 일으키고, 이로 인해 압력파나 소리가 발생합니다. Bell은 나중에 태양 스펙트럼의 보이지 않는 부분(예: 적외선 및 자외선)도 소리를 방출할 수 있음을 보여주었습니다. 광음향 분광법은 다양한 파장의 빛에 의해 생성되는 소리를 측정하여 시료의 광음향 스펙트럼을 기록합니다. 이 스펙트럼은 시료에 흡수된 성분을 식별하는 데 사용됩니다.
광음향 효과는 고체, 액체, 기체를 연구하는 데 사용될 수 있습니다.
용도 및 기술
현대 광음향 분광학은 ppb(10억분의 1) 또는 1조분의 1(ppt) 수준에서 가스 농도를 연구할 수 있는 강력한 기술입니다. 현대의 광음향 검출기는 여전히 벨의 원리에 의존하고 있지만 감도를 높이기 위해 몇 가지 개선이 이루어졌습니다. 이제 햇빛과 달리 강력한 레이저를 사용하여 샘플을 조명합니다. 생성되는 소리의 강도는 빛의 강도에 비례하기 때문에 이 기술을 레이저 광음향 분광학(LPAS)이라고 합니다. 기존 귀는 잠금 증폭기를 사용하여 신호가 향상되고 감지되는 민감한 마이크로 대체되었습니다. 가스 샘플은 원통형 공동에 둘러싸여 있으며, 샘플 공동의 음향 공명에 대한 변조 주파수를 조정하여 소리 신호가 더욱 증폭됩니다. 캔틸레버 강화 광음향 분광법을 사용하면 감도가 더욱 향상되어 가스를 안정적으로 모니터링할 수 있습니다.
광음향 분광학 사용의 잠재력은 샘플을 손상시키지 않고 현장 평가를 수행할 수 있는 능력에 있습니다.
예시 분석
1970년대 초 Bartel과 그의 동료들은 정적 광음향 탐지기를 사용하여 고도 28km에서 성층권의 산화질소 농도 변화를 측정했습니다. 이러한 측정은 인위적인 산화질소 배출로 인한 오존층 파괴에 대한 중요한 데이터를 제공합니다. 일부 초기 연구에서는 Rosenkweig와 Gilesho 이론(RG 이론)의 발전을 기반으로 했습니다.
적용범위
FTIR 광음향 분광학의 중요한 기능은 샘플을 현장 상태에서 평가하는 능력입니다. 이는 화학 작용기를 검출 및 정량화하여 화학종을 식별하는 데 사용할 수 있습니다. 이는 분말로 분해하거나 화학적 처리를 거칠 필요 없이 평가할 수 있는 생물학적 시료에 특히 유용합니다. 껍질과 뼈와 같은 샘플이 연구되었습니다. 광음향 분광학의 적용은 골형성 부전과 관련된 골내 분자 상호 작용을 평가하는 데 도움이 되었습니다.
지난 20년 동안 대부분의 학술 연구는 고해상도 기기에 초점을 맞추었지만 반대 방향의 개발도 진행되어 매우 저렴한 기기가 조용히 시장에 진입했습니다.
최근에는 많은 저비용 열원이 전자적으로 변조되었으며, 반투막을 통한 가스 교환, 저비용 마이크 및 독점 디지털 신호 처리 기술을 통해 이러한 시스템의 비용이 크게 절감되었습니다. 저비용 광음향 분광학의 향후 응용은 완전히 통합된 미세 가공 광음향 기기를 가능하게 할 수 있습니다.
단백질과 같은 거대 분자를 정량적으로 측정하기 위해 광음향법이 사용되어 왔습니다. 광음향 면역분석법은 강력한 음향 신호를 생성하는 나노입자를 사용하여 표적 단백질을 라벨링하고 검출합니다. 광음향 기술을 기반으로 한 단백질 분석은 현장 검사에도 사용됩니다.
광음향 분광학은 군사 용도로도 많이 사용되며, 그 중 하나는 독성 화학 물질을 탐지하는 것입니다. 광음향 분광학의 감도는 화학적 공격과 관련된 미량의 화학 물질을 탐지하는 데 이상적인 분석 기술입니다. LPAS 센서는 산업, 보안(신경 작용제 및 폭발물 감지), 의료(호흡 분석) 및 기타 분야에서 사용될 수 있습니다.
기술이 발전함에 따라 광음향 분광학의 감도와 정확성이 계속해서 향상되고 있습니다. 앞으로 인간 활동이 환경 건강에 미치는 잠재적인 영향을 발견할 수 있을까요?
