Language
Country/Area
No result found
Phép thuật của quang phổ quang âm: Alexander Graham Bell đã sử dụng ánh sáng mặt trời để khám phá bí mật của âm thanh như thế nào
Năm 1880, Alexander Graham Bell đã tiến hành một thí nghiệm mang tính đột phá trong lịch sử khoa học, phát hiện ra rằng khi một chùm ánh sáng mặt trời bị một đĩa khe quay ngắt quãng, đĩa mỏng đó sẽ tạo ra âm thanh. Thí nghiệm này đã tiết lộ mối liên hệ đáng kinh ngạc giữa ánh sáng và âm thanh, theo thời gian đã phát triển thành công nghệ quang phổ quang âm ngày nay. Cốt lõi của công nghệ này là đo lường tác động của năng lượng điện từ hấp thụ (đặc biệt là ánh sáng) lên vật chất và điều này đạt được thông qua phát hiện âm thanh.
Nguyên lý cơ bản của hiệu ứng quang âm là khi ánh sáng được hấp thụ bởi một chất, nhiệt độ cục bộ sẽ gây ra sự giãn nở vì nhiệt, từ đó tạo ra sóng áp suất hoặc âm thanh.
Những khám phá của Bell không chỉ giới hạn ở ánh sáng khả kiến; ông còn phát hiện ra rằng âm thanh có thể được tạo ra khi vật liệu tiếp xúc với các phần không nhìn thấy được của quang phổ mặt trời, chẳng hạn như ánh sáng hồng ngoại và cực tím. Bằng cách đo âm thanh dưới các bước sóng ánh sáng khác nhau, quang phổ quang âm của mẫu có thể được ghi lại, điều này rất quan trọng để xác định các thành phần hấp thụ của mẫu. Kỹ thuật này có thể được sử dụng để nghiên cứu chất rắn, chất lỏng và chất khí.
Ứng dụng và Công nghệ
Phương pháp quang phổ quang âm hiện đại đã trở thành một phương tiện quan trọng để nghiên cứu nồng độ khí và có khả năng phát hiện lượng khí nhỏ tới mức một phần tỷ hoặc thậm chí một phần trăm tỷ. Mặc dù các máy dò quang âm hiện đại vẫn dựa trên nguyên lý cơ bản của Bell, nhưng đã có một số cải tiến được thực hiện để tăng độ nhạy. Thay vì sử dụng ánh sáng mặt trời, hiện nay người ta thường dùng tia laser mạnh để chiếu sáng mẫu vì cường độ âm thanh tạo ra tỷ lệ thuận với cường độ ánh sáng. Kỹ thuật này được gọi là quang phổ quang âm laser (LPAS).
Vai trò của tai được thay thế bằng một micrô có độ nhạy cao, được khuếch đại thêm và phát hiện bằng bộ khuếch đại khóa để tăng độ nhạy.
Ngoài ra, tín hiệu âm thanh có thể được khuếch đại thêm bằng cách bao bọc mẫu khí trong một khoang hình trụ và điều chỉnh tần số điều chế theo cộng hưởng âm thanh của khoang mẫu. Việc sử dụng công nghệ quang phổ quang âm tăng cường có thể cải thiện thêm độ nhạy và đạt được khả năng giám sát khí đáng tin cậy.
Ví dụ
Một ví dụ chứng minh tiềm năng của công nghệ quang âm xảy ra vào những năm 1970, khi các nhà nghiên cứu sử dụng máy dò quang âm gắn trên khinh khí cầu để đo những thay đổi tạm thời về nồng độ oxit nitric ở độ cao 28 km. Các phép đo này cung cấp dữ liệu quan trọng để hiểu được vấn đề suy giảm tầng ôzôn do khí thải nitơ oxit do con người gây ra. Công trình đầu tiên này dựa trên sự phát triển của lý thuyết RG của Rosencwaig và Gersho.
Ứng dụng
Một trong những khả năng chính của việc sử dụng quang phổ quang âm FT-IR là khả năng đánh giá mẫu tại chỗ, có thể được sử dụng để phát hiện và định lượng các nhóm chức năng hóa học và hóa chất, đặc biệt là đối với các mẫu sinh học, mà không cần phải nghiền thành bột hoặc phân tích hóa học. với. Các mẫu vỏ, xương, v.v. đã được nghiên cứu. Việc áp dụng phương pháp quang phổ quang âm cũng giúp đánh giá các tương tác phân tử trong xương có liên quan đến OI.
Trong khi hầu hết các nghiên cứu học thuật tập trung vào thiết bị đo lường có độ phân giải cao thì các thiết bị đo lường có chi phí rất thấp đã được phát triển và thương mại hóa trong hai thập kỷ qua cho các ứng dụng như phát hiện rò rỉ khí và kiểm soát nồng độ CO2. Thông thường sử dụng nguồn nhiệt giá rẻ và được vận hành bằng điều chế điện tử. Việc sử dụng màng bán thấm thay vì van để trao đổi khí, micro giá rẻ và xử lý tín hiệu độc quyền bằng bộ xử lý tín hiệu kỹ thuật số đã giúp giảm đáng kể chi phí của các hệ thống này.
Tương lai của quang phổ quang âm giá rẻ có thể đạt được với các thiết bị quang âm vi cơ học tích hợp hoàn toàn. Các phương pháp quang âm cũng đã được sử dụng để đo định lượng các đại phân tử như protein bằng cách sử dụng các hạt nano phát ra tín hiệu âm thanh mạnh để gắn nhãn và phát hiện protein mục tiêu. Phân tích protein dựa trên quang âm cũng được áp dụng trong xét nghiệm tại chỗ.
Ngoài ra, quang phổ quang âm còn có nhiều ứng dụng trong quân sự, chẳng hạn như phát hiện các tác nhân hóa học độc hại. Độ nhạy của quang phổ quang âm khiến nó trở thành kỹ thuật phân tích lý tưởng để phát hiện lượng nhỏ hóa chất liên quan đến các cuộc tấn công bằng hóa chất. Cảm biến LPAS có thể được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp, an ninh (phát hiện chất độc thần kinh và chất nổ) và y học (phân tích hơi thở).
Phổ quang âm đã tiếp tục phát triển kể từ thời Bell, kết hợp quang học và âm học để mở ra cánh cửa mới cho hoạt động khám phá khoa học. Khi công nghệ tiếp tục phát triển, các nhà khoa học sẽ sử dụng công nghệ này như thế nào để khám phá những khu vực chưa biết?
