Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Фотоакустическая спектроскопия - это измерение воздействия поглощенной электромагнитной энергии (особенно света ) на вещество посредством акустического обнаружения. Открытие Ф эффекта даты в 1880 год , когда Александр Грэхем Белл показал , что тонкие диски , излучаемый звук при воздействии луча от солнечного света , который был быстро прерван с помощью вращающегося щелевого диска. Абсорбируются энергия от света вызывает локальное нагревание , генерирование теплового расширения , который создает давлениеволна или звук. Позже Белл показал, что материалы, подвергающиеся воздействию невидимых частей солнечного спектра (то есть инфракрасного и ультрафиолетового ), также могут издавать звуки.

Фотоакустическая спектр образца может быть записана путем измерения звука на различные длины волн света. Этот спектр можно использовать для идентификации поглощающих компонентов образца. Фотоакустический эффект можно использовать для изучения твердых тел , жидкостей и газов . [1]

Использование и методы [ править ]

Примерная сборка фотоакустического спектроскопа для анализа газов

Фотоакустическая спектроскопия стала мощным методом изучения концентраций газов на уровне частей на миллиард или даже части на триллион. [2] Современные фотоакустические детекторы по- прежнему основаны на тех же принципах, что и аппарат Белла; однако для увеличения чувствительности было внесено несколько модификаций.

Вместо солнечного света для освещения образца используются интенсивные лазеры , поскольку интенсивность генерируемого звука пропорциональна интенсивности света; этот метод называется лазерной фотоакустической спектроскопией (LPAS). [2] На смену уху пришли чувствительные микрофоны . Сигналы микрофона дополнительно усиливаются и обнаруживаются с помощью синхронизирующих усилителей . [ необходима цитата ] Помещая газообразный образец в цилиндрическую камеру, звуковой сигнал усиливается путем настройки частоты модуляции на акустический резонанс ячейки для образца. [цитата необходима ]

Используя кантилевер, можно еще больше повысить чувствительность фотоакустической спектроскопии, обеспечивая надежный мониторинг газов на уровне частей на миллиард.

Пример [ править ]

Следующий пример иллюстрирует возможности фотоакустической техники: в начале 1970-х годов Патель и его сотрудники [3] измерили временные изменения концентрации оксида азота в стратосфере на высоте 28 км с помощью фотоакустического детектора на воздушном шаре. . Эти измерения позволили получить важные данные, касающиеся проблемы разрушения озона в результате антропогенных выбросов оксида азота. Некоторые из ранних работ опирались на развитие теории RG Розенквайгом и Гершо. [4] [5]

Применение фотоакустической спектроскопии [ править ]

Одной из важных возможностей использования фотоакустической спектроскопии FTIR является способность оценивать образцы в их состоянии in situ с помощью инфракрасной спектроскопии , которая может использоваться для обнаружения и количественного определения химических функциональных групп и, следовательно, химических веществ . Это особенно полезно для биологических образцов, которые можно оценивать без измельчения в порошок или химической обработки. Были исследованы ракушки, кости и подобные образцы. [6] [7] [8] Использование фотоакустической спектроскопии помогло оценить молекулярные взаимодействия в кости с несовершенным остеогенезом. [9]

В то время как большинство академических исследований сосредоточено на инструментах с высоким разрешением, некоторые работы идут в противоположном направлении. За последние двадцать лет были разработаны и коммерциализированы очень недорогие приборы для таких приложений, как обнаружение утечек и контроль концентрации углекислого газа . Обычно используются недорогие источники тепла с электронной модуляцией. Распространение через полупроницаемые диски вместо клапанов для газообмена, недорогие микрофоны и запатентованная обработка сигналов с помощью цифровых сигнальных процессоров снизили стоимость этих систем. Будущее недорогих приложений фотоакустической спектроскопии может заключаться в реализации полностью интегрированных фотоакустических инструментов с микромашинной обработкой.

Фотоакустический подход был использован для количественного измерения макромолекул, таких как белки. Фотоакустический иммуноанализ маркирует и обнаруживает целевые белки с помощью наночастиц, которые могут генерировать сильные акустические сигналы. [10] Анализ белков на основе фотоакустики также применялся для тестирования на месте. [11]

Фотоакустическая спектроскопия также имеет множество военных применений. Одно из таких приложений - обнаружение токсичных химических агентов. Чувствительность фотоакустической спектроскопии делает ее идеальным методом анализа для обнаружения следов химикатов, связанных с химическими атаками. [12]

Датчики LPAS могут применяться в промышленности, безопасности ( обнаружение нервно-паралитических агентов и взрывчатых веществ) и медицине (анализ дыхания). [13]

Ссылки [ править ]

  1. ^ Дэвид У. Болл Фотоакустическая Спектроскопия архивации 2010-12-16 в Wayback Machine спектроскопии, том 21, выпуск 9, 1 сен 2006
  2. ^ a b «Фотоакустическая техника« слышит »звук опасных химических веществ» , R&D Magazine , rdmag.com, 14 августа 2012 г. , получено 8 сентября 2012 г.
  3. ^ CKN Patel, EG Буркхардт, CA Ламберт, 'спектроскопические измерения стратосферного оксида азота и водяного пара', Science, 184, 1173-1176 (1974)
  4. ^ А. Rosencwaig, 'Теоретические аспекты фотоакустической спектроскопии', Журнал прикладной физики, 49, 2905-2910 (1978)
  5. ^ A. Rosencwaig, A. Гершо 'Теория фотоакустического эффекта с твердыми телами', Журнал прикладной физики, 47, 64-69 (1976)
  6. ^ Д. Верма, К. С. Катти, Д. Р. Катти Природа воды в перламутре: спектроскопическое исследование 2D FTIR ', Spectrochimica Acta, часть A, 67, 784–788 (2007)
  7. ^ D. Верма, KS Катти, DR Катти 'Природа Фотоакустическая ИК спектроскопического Исследование ненарушенных перламутра с Красной Abalone', Spectrochimica Acta, 64, 1051-1057 (2006)
  8. ^ C. Gu, DR Katti, KS Katti Photoacoustic FTIR-спектроскопическое исследование ненарушенной кортикальной кости человека ', Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy, 103, 25-37, (2013)
  9. ^ К. Гу, Д. Р. Катти, К. С. Катти Микроструктурные и фотоакустические инфракрасные спектроскопические исследования кортикальной кости человека с несовершенным остеогенезом ', Журнал Общества минералов, металлов и материалов, 68, 1116-1127, (2016)
  10. Перейти ↑ Zhao Y, Cao M, McClelland JF, Lu M (2016). «Фотоакустический иммуноанализ для обнаружения биомаркеров». Биосенсоры и биоэлектроника . 85 : 261–66. DOI : 10.1016 / j.bios.2016.05.028 . PMID 27183276 . 
  11. Перейти ↑ Zhao Y, Huang Y, Zhao X, McClelland JF, Lu M (2016). «Фотоакустический анализ на основе наночастиц для высокочувствительного анализа бокового потока». Наноразмер . 8 (46): 19204–19210. DOI : 10.1039 / C6NR05312B . PMID 27834971 . 
  12. ^ «Фотоакустическая техника« слышит »звук опасных химических агентов» . Исследования и разработки . 2012-08-14 . Проверено 10 мая 2017 .
  13. ^ Р. Прасад, Coorg; Лэй, Цзе; Ши, Вэньхуэй; Ли, Гуанкунь; Дунаевский, Илья; Патель, Чандра (01.05.2012). «Лазерный фотоакустический датчик для измерения токсичности воздуха» . Труды SPIE . Передовые технологии экологического, химического и биологического зондирования IX. 8366 : 7. дои : 10,1117 / 12,919241 . S2CID 120310656 . 

Дальнейшее чтение [ править ]

  • Sigrist, MW (1994), «Мониторинг воздуха с помощью лазерной фотоакустической спектроскопии», в: Sigrist, MW (редактор), «Мониторинг воздуха с помощью спектроскопических методов», Wiley, New York, стр. 163–238.

Внешние ссылки [ править ]

  • Общее введение в фотоакустическую спектроскопию: [1]
  • Фотоакустическая спектроскопия в мониторинге газовых примесей [2]
  • Фотоакустический спектрометр для обнаружения газовых примесей на основе резонансной ячейки Гельмгольца (www.aerovia.fr) [1]
  • Фотоакустический мультигазовый монитор для обнаружения следовых газов на основе кантилеверной фотоакустической спектроскопии ( www.gasera.fi )
  1. ^ Zéninari, Виржини (10 марта 2007). "Spectrométrie photoacoustique - Application à l'analyse de gaz" .