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A magia da espectroscopia fotoacústica: como Alexander Graham Bell usou a luz solar para descobrir os segredos do som
Em 1880, Alexander Graham Bell conduziu um experimento inovador na história científica, descobrindo que quando um raio de luz solar era rapidamente interrompido por um disco giratório com fendas, o disco fino produzia um som. Este experimento revelou uma conexão incrível entre luz e som, que ao longo do tempo evoluiu para a atual tecnologia de espectroscopia fotoacústica. O cerne dessa tecnologia é medir o efeito da energia eletromagnética absorvida (especialmente a luz) na matéria, e isso é obtido por meio da detecção de som.
O princípio básico do efeito fotoacústico é que quando a luz é absorvida por uma substância, o aquecimento local causa expansão térmica, que por sua vez gera ondas de pressão ou som.
As descobertas de Bell não se limitaram à luz visível; ele também descobriu que o som poderia ser produzido quando materiais eram expostos às partes não visíveis do espectro solar, como luz infravermelha e ultravioleta. Ao medir o som sob diferentes comprimentos de onda de luz, o espectro fotoacústico da amostra pode ser registrado, o que é crucial para identificar os componentes absorventes da amostra. A técnica pode ser usada para estudar sólidos, líquidos e gases.
Aplicação e Tecnologia
A espectroscopia fotoacústica moderna se tornou um meio importante de estudar concentrações de gases e é capaz de detectar quantidades vestigiais de gás até níveis de partes por bilhão ou até mesmo partes por cem bilhões. Embora os detectores fotoacústicos modernos ainda se baseiem no princípio básico de Bell, várias melhorias foram feitas para aumentar a sensibilidade. Em vez de usar luz solar, lasers poderosos são agora comumente usados para iluminar a amostra porque a intensidade do som produzido é proporcional à intensidade da luz. Essa técnica é chamada de espectroscopia fotoacústica a laser (LPAS).
O papel do ouvido é substituído por um microfone altamente sensível, que é ainda mais amplificado e detectado por um amplificador de bloqueio para aumentar a sensibilidade.
Além disso, o sinal sonoro pode ser amplificado ainda mais ao envolver a amostra de gás em uma cavidade cilíndrica e ajustar a frequência de modulação à ressonância acústica da cavidade da amostra. O uso da tecnologia de espectroscopia fotoacústica aprimorada por cantilever pode melhorar ainda mais a sensibilidade e obter monitoramento confiável de gases.
Exemplo
Um exemplo que demonstra o potencial da tecnologia fotoacústica ocorreu na década de 1970, quando pesquisadores usaram um detector fotoacústico transportado por balão para medir as mudanças temporais nas concentrações de óxido nítrico a uma altitude de 28 quilômetros. Essas medições fornecem dados essenciais para entender o problema da destruição da camada de ozônio causada pelas emissões de óxido nitroso causadas pelo homem. Este trabalho inicial baseou-se no desenvolvimento da teoria RG por Rosencwaig e Gersho.
Aplicações
Uma das principais capacidades do uso do FT-IR-PAS é a capacidade de avaliar amostras in situ, o que pode ser usado para detectar e quantificar grupos funcionais químicos e produtos químicos, particularmente para amostras biológicas, sem a necessidade de pulverização ou análise química. com. Amostras de conchas, ossos, etc. foram estudadas. A aplicação da espectroscopia fotoacústica também ajudou a avaliar interações moleculares no osso que são relevantes para a OI.
Embora a maioria das pesquisas acadêmicas tenha se concentrado em instrumentação de alta resolução, instrumentação de custo muito baixo foi desenvolvida e comercializada nas últimas duas décadas para aplicações como detecção de vazamento de gás e controle de concentração de CO2. Normalmente usa fontes de calor de baixo custo e é operado por modulação eletrônica. O uso de membranas semipermeáveis em vez de válvulas para troca gasosa, microfones de baixo custo e processamento de sinal proprietário usando processadores de sinal digital reduziram significativamente o custo desses sistemas.
O futuro da espectroscopia fotoacústica de baixo custo pode ser alcançado com instrumentos fotoacústicos micromecânicos totalmente integrados. Métodos fotoacústicos também têm sido usados para medir quantitativamente macromoléculas, como proteínas, usando nanopartículas que emitem fortes sinais acústicos para marcar e detectar proteínas-alvo. A análise de proteínas baseada em fotoacústica também é aplicada em testes no local de atendimento.
Além disso, a espectroscopia fotoacústica tem muitas aplicações militares, como a detecção de agentes químicos tóxicos. A sensibilidade da espectroscopia fotoacústica a torna uma técnica analítica ideal para detectar vestígios de produtos químicos associados a ataques químicos. Os sensores LPAS podem ser amplamente utilizados na indústria, segurança (detecção de agentes nervosos e explosivos) e medicina (análise de respiração).
A espectroscopia fotoacústica continuou a evoluir desde Bell, combinando óptica e acústica para abrir novas portas para a exploração científica. À medida que a tecnologia avança, como os cientistas usarão essa tecnologia para explorar áreas desconhecidas?
