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從生物樣本到分子互動：光聲光譜如何解密骨骼和其他有機物質？
光聲光譜是一種先進的測試技術，它利用吸收的電磁能量（特別是光）對物質的影響進行聲學檢測。這項技術的根基可以追溯至1880年，當時亞歷山大·格雷厄姆·貝爾展示了薄圓片在陽光的照射下，當快速打斷光束時會發出聲音。在光的吸收過程中，所產生的局部加熱導致了熱膨脹，進而產生壓力波或鹵素。
光聲光譜的基礎原理不僅限於可見光，貝爾後來發現，材料在非可見光範圍內（例如紅外線和紫外線）的照射下也能產生聲音。通過測量不同波長光的聲音，可以記錄樣品的光聲光譜，並用於識別樣品中的吸收組件。
技術的演變及應用
光聲光譜已成為研究氣體濃度的重要工具，甚至能達到每十億或每萬億零件的水準。現代的光聲探測器在貝爾的裝置原理上基於同樣的原則，不過為了提高靈敏度，進行了多數的改進。當今的技術使用強激光作為光源，以增加產生聲音的強度，這被稱為激光光聲光譜（LPAS）。
以氣體樣本為例，圓形腔體的設計增強了聲音信號，藉由調整調制頻率以達到樣本單元的聲學共振，進一步提升了檢測的靈敏度。
透過懸臂梁增強的光聲光譜技術，靈敏度還可以進一步提高，這使得在ppb層級上的氣體監測成為可能。
實際案例的示範
一個引人注目的實際案例發生在1970年代初，帕特爾及其同事利用懸浮的光聲探測器測量了28公里高度上平流層中一氧化氮的濃度變化。這些數據為人類對臭氧減少問題提供了重要的支持，揭示了人造一氧化氮的排放對環境的影響。
這些早期的研究依賴於羅森克維格和格爾索提出的RG理論，展現了光聲光譜在環境監測中的潛力。
光聲光譜的廣泛應用
FTIR光聲光譜的一個重要能力是能在原位狀態下評估樣本，這意味著我們可以在不粉碎或化學處理生物樣本的情況下檢測和定量化學功能基團，進而了解化學物質。例如，海貝殼和骨骼等樣本的研究顯示，光聲光譜有助於評估爛骨病（osteogenesis imperfecta）等疾病中的分子互作用。
隨著技術的演進，過去20年來，一些極低成本的光聲光譜儀器開始走入市場，這些儀器主要應用於像是泄漏檢測和二氧化碳濃度控制等領域。這些設備通常使用低成本的熱源進行電子調制，並搭配半透膜進行氣體交換，顯著降低了系統成本。
未來的展望與挑戰
光聲光譜的未來可能在於實現全整合的微機械光聲儀器，這將會使應用更加普遍且可負擔。這種方法還可定量測量大分子，如蛋白質，並且依靠具聲學信號的納米顆粒來標記和檢測目標蛋白質，使得光聲免疫分析成為可能。
光聲光譜法還在軍事上有多種應用，其中一個即是檢測有毒化學劑，使其能夠在化學襲擊中進行有效分析。
隨著光聲光譜在各個領域中的滲透和應用，未來可能會出現更多靈活、低成本的解決方案。這些技術的推進是否將徹底改變我們對環境、生物及化學領域的理解？
