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A maravilhosa combinação de laser e ondas sonoras: como melhorar a sensibilidade do espectro fotoacústico?
A espectroscopia fotoacústica é um método de medição que detecta os efeitos da energia eletromagnética absorvida (especialmente a luz) na matéria por meio de ondas sonoras. O efeito fotoacústico foi descoberto pela primeira vez por Alexander Graham Bell em 1870, quando ele demonstrou que uma fina folha de luz produziria som quando exposta a explosões de luz solar rapidamente interrompidas. Essa energia luminosa absorvida causa aquecimento local do material, resultando em expansão térmica, que por sua vez causa ondas de pressão ou som. Mais tarde, Bell mostrou que as partes invisíveis do espectro solar (como infravermelho e ultravioleta) também podem produzir som. A espectroscopia fotoacústica pode registrar o espectro fotoacústico de uma amostra medindo o som produzido pela luz de diferentes comprimentos de onda. Este espectro é usado para identificar os componentes absorventes na amostra.
O efeito fotoacústico pode ser usado para estudar sólidos, líquidos e gases.
Aplicação e Tecnologia
A espectroscopia fotoacústica moderna é uma técnica poderosa que pode estudar concentrações de gases em níveis de partes por bilhão (ppb) ou mesmo partes por trilhão (ppt). Embora os detectores fotoacústicos modernos ainda se baseiem no princípio de Bell, várias melhorias foram feitas para aumentar a sensibilidade. Em vez de luz solar, lasers poderosos são agora usados para iluminar a amostra. A intensidade do som gerado é proporcional à intensidade da luz, uma técnica chamada espectroscopia fotoacústica a laser (LPAS). O ouvido tradicional foi substituído por um microfone sensível, e o sinal do microfone é amplificado e detectado usando um amplificador de bloqueio. A amostra de gás é encerrada em uma cavidade cilíndrica, e o sinal sonoro é ainda mais amplificado ajustando a frequência de modulação à ressonância acústica da cavidade da amostra. Ao usar a espectroscopia fotoacústica aprimorada por cantilever, a sensibilidade pode ser ainda mais aprimorada, permitindo o monitoramento confiável de gases.
O potencial do uso da espectroscopia fotoacústica é que ela pode ser avaliada in situ sem destruir a amostra.
Análise de Caso
No início da década de 1970, Battelle e seus colaboradores usaram um detector fotoacústico estático para medir mudanças na concentração de óxido nítrico na estratosfera a uma altitude de 28 quilômetros. Essas medições fornecem dados importantes sobre a destruição da camada de ozônio causada por emissões antropogênicas de óxido nítrico. Em alguns estudos iniciais, baseados no desenvolvimento da teoria de Rosenkweig e Gilesshow (teoria RG).
Âmbito de aplicação
Uma capacidade importante da espectroscopia fotoacústica FTIR é a capacidade de avaliar amostras in situ, o que pode ser usado para detectar e quantificar grupos funcionais químicos e, assim, identificar espécies químicas. Isso é particularmente útil para amostras biológicas, que podem ser avaliadas sem trituração em pó ou tratamento químico. Amostras de conchas, ossos, etc. foram estudadas. A aplicação da espectroscopia fotoacústica ajudou a avaliar as interações moleculares dentro do osso associadas à osteogênese imperfeita.
Embora a maior parte da pesquisa acadêmica nas últimas duas décadas tenha se concentrado em instrumentação de alta resolução, também houve um movimento na direção oposta, com instrumentos de custo muito baixo entrando silenciosamente no mercado.
Nos últimos anos, o custo desses sistemas foi reduzido significativamente pelo uso de muitas fontes de calor de baixo custo moduladas eletronicamente, trocas gasosas por meio de membranas semipermeáveis, microfones de baixo custo e técnicas proprietárias de processamento de sinais digitais. Aplicações futuras de espectroscopia fotoacústica de baixo custo podem permitir instrumentos fotoacústicos micromecânicos totalmente integrados.
Métodos fotoacústicos têm sido usados para medir quantitativamente macromoléculas como proteínas. Os imunoensaios fotoacústicos marcam e detectam proteínas-alvo usando nanopartículas que geram fortes sinais acústicos. A análise fotoacústica de proteínas também é usada em testes no local de atendimento.
A espectroscopia fotoacústica tem muitas aplicações militares, uma das quais é 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 usados em áreas como indústria, segurança (detecção de agentes nervosos e explosivos) e medicina (análise de respiração).
À medida que a tecnologia se desenvolve, a sensibilidade e a precisão da espectroscopia fotoacústica continuam a melhorar. No futuro, seremos capazes de descobrir os impactos potenciais das atividades humanas na saúde ambiental?
