Language
Country/Area
No result found
Чудесное сочетание лазера и звуковых волн: как улучшить чувствительность фотоакустического спектра?
Фотоакустическая спектроскопия — это метод измерения, который обнаруживает влияние поглощенной электромагнитной энергии (особенно света) на вещество посредством звуковых волн. В 1870 году Александр Грэм Белл впервые обнаружил фотоакустический эффект и продемонстрировал, что тонкие листы издают звуки под воздействием быстро прерывающихся всплесков солнечного света. Эта поглощенная световая энергия локально нагревает материал, вызывая тепловое расширение, что, в свою очередь, вызывает волны давления или звук. Позже Белл показал, что невидимые части солнечного спектра (например, инфракрасный и ультрафиолетовый) также могут излучать звук. Фотоакустическая спектроскопия записывает фотоакустический спектр образца путем измерения звука, создаваемого светом разных длин волн. Этот спектр используется для идентификации компонентов, поглощенных образцом.
Фотоакустический эффект можно использовать для исследования твердых тел, жидкостей и газов.
Применение и технологии
Современная фотоакустическая спектроскопия — мощный метод, позволяющий изучать концентрацию газов на уровне частей на миллиард (ppb) или даже частей на триллион (ppt). Хотя современные фотоакустические детекторы по-прежнему основаны на принципе Белла, в них были внесены некоторые улучшения для повышения чувствительности. В отличие от солнечного света, сейчас для освещения образцов используются мощные лазеры. Поскольку интенсивность генерируемого звука пропорциональна интенсивности света, этот метод называется лазерной фотоакустической спектроскопией (LPAS). Традиционное ухо было заменено чувствительным микрофоном, сигнал которого усиливается и обнаруживается с помощью синхронного усилителя. Проба газа заключена в цилиндрическую полость, а звуковой сигнал дополнительно усиливается за счет регулировки частоты модуляции в соответствии с акустическим резонансом полости пробы. Используя фотоакустическую спектроскопию с кантилевером, можно еще больше повысить чувствительность, что обеспечивает надежный мониторинг газов.
Потенциал использования фотоакустической спектроскопии заключается в ее способности выполнять оценки на месте, не повреждая образец.
Пример анализа
В начале 1970-х годов Бартель и его сотрудники использовали статические фотоакустические детекторы для измерения изменений концентрации оксида азота в стратосфере на высоте 28 километров. Эти измерения предоставляют важные данные об истощении озона из-за антропогенных выбросов оксида азота. В некоторых ранних исследованиях оно основывалось на развитии теории Розенквейга и Гилешо (теории РГ).
Область применения
Важной возможностью фотоакустической спектроскопии FTIR является способность оценивать образцы в их состоянии in situ, что можно использовать для обнаружения и количественного определения химических функциональных групп и, таким образом, идентификации химических видов. Это особенно полезно для биологических образцов, которые можно оценить без необходимости измельчения в порошок или химической обработки. Были изучены такие образцы, как ракушки и кости. Применение фотоакустической спектроскопии помогло оценить внутрикостные молекулярные взаимодействия, связанные с несовершенным остеогенезом.
Хотя большинство академических исследований за последние два десятилетия были сосредоточены на приборах высокого разрешения, были также разработки в противоположном направлении: на рынок незаметно вышли очень недорогие инструменты.
В последние годы многие недорогие источники тепла имеют электронную модуляцию, газообмен через полупроницаемые мембраны, недорогие микрофоны, а запатентованная технология цифровой обработки сигналов значительно снизила стоимость таких систем. Будущие применения недорогой фотоакустической спектроскопии могут позволить создать полностью интегрированные микромеханические фотоакустические инструменты.
Фотоакустические методы использовались для количественного измерения больших молекул, таких как белки. Фотоакустические иммуноанализы маркируют и обнаруживают целевые белки с помощью наночастиц, генерирующих сильные акустические сигналы. Анализ белка на основе фотоакустической технологии также используется при тестировании на месте.
Фотоакустическая спектроскопия также имеет множество военных применений, одно из которых — обнаружение токсичных химических веществ. Чувствительность фотоакустической спектроскопии делает ее идеальным аналитическим методом для обнаружения следовых количеств химических веществ, связанных с химическим воздействием. Датчики LPAS могут использоваться в промышленности, безопасности (обнаружение нервно-паралитических веществ и взрывчатых веществ), медицине (анализ дыхания) и других областях.
С развитием технологий чувствительность и точность фотоакустической спектроскопии продолжают улучшаться. Сможем ли мы обнаружить потенциальное влияние деятельности человека на здоровье окружающей среды в будущем?
