Photoakustische Spektroskopie

"LPAs" leitet hier weiter. Für das Singular siehe LPA (Disambiguierung).

Photoakustische Spektroskopie ist die Messung der Wirkung von absorbiert elektromagnetische Energie (insbesondere von hell) an Angelegenheit mittels akustisch Erkennung. Die Entdeckung der photoakustischer Effekt Daten auf 1880, wenn Alexander Graham Bell zeigten, dass dünne Scheiben emittiert wurden Klang wenn er einem ausgesetzt ist Strahl von Sonnenlicht Das wurde schnell mit einer rotierenden Schlitzscheibe unterbrochen. Das absorbiert Energie Aus dem Licht verursacht lokal Heizung, erzeugen a Wärmeausdehnung das schafft a Druck Welle oder Schall. Spätere Glocke zeigte, dass Materialien, die den nicht sichtbaren Teilen des Solars ausgesetzt waren Spektrum (d.h. die Infrarot und die Ultraviolett) kann auch Geräusche erzeugen.

A photoakustisches Spektrum einer Probe kann durch Messung des Klangs bei verschiedenen Aufnahmen aufgezeichnet werden Wellenlängen des Lichts. Dieses Spektrum kann verwendet werden, um die absorbierenden Komponenten der Probe zu identifizieren. Der photoakustische Effekt kann verwendet werden, um zu untersuchen Festkörper, Flüssigkeiten und Gase.[1]

Verwendung und Techniken

Beispielhafter Zusammenbau eines photoakustischen Spektroskops zur Gasanalyse

Photoakustisch Spektroskopie ist zu einer leistungsstarken Technik geworden, um zu studieren Konzentrationen von Gasen zum Teil pro Milliarde oder sogar Teil pro Billion.[2] Moderne photoakustische Detektoren verlassen sich immer noch auf die gleichen Prinzipien wie Bell's Apparat; aber um die zu erhöhen EmpfindlichkeitEs wurden mehrere Änderungen vorgenommen.

Anstelle von Sonnenlicht, intensiv Laser werden verwendet, um die Probe zu beleuchten, da die Intensität des erzeugten Klangs ist proportional zur Lichtintensität; Diese Technik wird als Laser -Photoakustikspektroskopie (LPA) bezeichnet.[2] Das Ohr wurde durch sensible ersetzt Mikrofone. Die Mikrofonsignale werden weiter verstärkt und untersucht Verstärker sperren. Durch das Einschließen der gasförmigen Probe in einer zylindrischen Kammer wird das Schallsignal durch Stimmen der Stimmung verstärkt Modulation Frequenz zu an Akustische Resonanz der Probenzelle.

Durch die Nutzung Cantilever verstärkte photoakustische Spektroskopie Die Empfindlichkeit kann weiter verbessert werden, um eine zuverlässige Überwachung von Gasen auf PPB-Ebene zu ermöglichen.

Beispiel

Das folgende Beispiel zeigt das Potenzial der photoakustischen Technik: In den frühen 1970er Jahren, Patel und Kollegen [3] gemessen die zeitlich Variation der Konzentration von Stickoxid in dem Stratosphäre in einer Höhe von 28 km mit einem ballon übertragenen photoakustischen Detektor. Diese Messungen lieferten entscheidende Daten, die das Problem von hatten Ozonabbau durch künstliche Stickoxidemission. Einige der frühen Arbeiten stützten sich auf die Entwicklung der RG -Theorie von Rosencwaig und Gersho.[4][5]

Anwendungen

Eine der wichtigsten Funktionen der Verwendung Ftir Die photoakustische Spektroskopie war die Fähigkeit, Proben in ihren zu bewerten vor Ort Zustand von Infrarot-Spektroskopie, mit der Chemikalie erfasst und quantifiziert werden kann funktionelle Gruppen und somit Chemikalien. Dies ist besonders nützlich für biologische Proben, die bewertet werden können, ohne in Pulver zu zerkleinern oder chemische Behandlungen auszusetzen. Muscheln, Knochen und solche Proben wurden untersucht.[6][7][8] Die Verwendung der photoakustischen Spektroskopie hat dazu beigetragen, molekulare Wechselwirkungen im Knochen mit Osteogenese -Imperfecta zu bewerten.[9]

Während sich die meisten akademischen Forschungen auf hochauflösende Instrumente konzentriert haben, sind einige Arbeiten in die entgegengesetzte Richtung gegangen. In den letzten zwanzig Jahren sehr kostengünstige Instrumente für Anwendungen wie Leckageerkennung und für die Kontrolle von Kohlendioxid Die Konzentration wurde entwickelt und kommerzialisiert. Typischerweise werden thermische Quellen mit kostengünstigem Kosten verwendet, die elektronisch moduliert werden. Diffusion durch semipermeable Scheiben anstelle von Ventilen für Gasaustausch, kostengünstige Mikrofone und proprietäre Signalverarbeitung mit Digitale Signalprozessoren haben die Kosten dieser Systeme gesenkt. Die Zukunft kostengünstiger Anwendungen der photoakustischen Spektroskopie kann die Realisierung vollständig integrierter mikromatinierter photoakustischer Instrumente sein.

Der photoakustische Ansatz wurde verwendet, um makromoleküle wie Proteine ​​quantitativ zu messen. Das photoakustische Immunoassay beschreibt und erkennt Zielproteine ​​unter Verwendung von Nanopartikeln, die starke akustische Signale erzeugen können.[10] Die photoakustische Proteinanalyse wurde auch für Point-of-Care-Tests angewendet.[11]

Die photoakustische Spektroskopie hat auch viele militärische Anwendungen. Eine solche Anwendung ist der nachweisende toxische Chemiemittel. Die Empfindlichkeit der photoakustischen Spektroskopie macht es zu einer idealen Analysetechnik zum Nachweis von Spurenchemikalien, die mit chemischen Angriffen assoziiert sind.[12]

LPAs -Sensoren können in der Industrie, Sicherheit (angewendet werdenNervenagent und Sprengstofferkennung) und Medizin (Atemanalyse).[13]

Verweise

  1. ^ David W. Ball Photoakustische Spektroskopie Archiviert 2010-12-16 bei der Wayback -Maschine Spektroskopie, Band 21, Ausgabe 9, 1. September 2006
  2. ^ a b "Photoakustische Technik" hört "den Klang gefährlicher chemischer Mittel", F & E -Magazin, rdmag.com, 14. August 2012, abgerufen 8. September, 2012
  3. ^ C.K.N. Patel, z. Burkhardt, C.A. Lambert, „Spektroskopische Messungen von stratosphärischen Stickoxid und Wasserdampf“, Science, 184, 1173–1176 (1974)
  4. ^ A. Rosencwaig, "Theoretische Aspekte der photoakustischen Spektroskopie", Journal of Applied Physics, 49, 2905-2910 (1978)
  5. ^ A. Rosencwaig, a. Gersho 'Theorie des photoakustischen Effekts mit Festkörpern', Journal of Applied Physics, 47, 64-69 (1976)
  6. ^ D. Verma, K. S. Katti, D. R. Katti Nature of Water in Nacre: Eine 2D -FTIR -spektroskopische Studie ', Spectrochimica Acta Teil A, 67, 784–788 (2007)
  7. ^ D. Verma, K. S. Katti, D. R. Katti 'Nature photoakustische FTIR-Spektroskopie von ungestörtem Hütten von Red Abalone', Spectrochimica Acta, 64, 1051-1057, (2006)
  8. ^ C. Gu, D. R. Katti, K. S. Katti Photoakustische FTIR-Spektroskopie der ungestörten menschlichen kortikalen Knochen, Spectrochimica Acta Teil A: Molekulare und Biomolekulare Spektroskopie, 103, 25-37, (2013)
  9. ^ C. Gu, D. R. Katti, K. S. Katti Mikrostruktur- und photoakustische Infrarot-spektroskopische Untersuchungen des menschlichen kortikalen Knochens mit Osteogenese Imperfecta ', Journal of Minerals, Metals and Materials Society, 68, 1116-1127, (2016)
  10. ^ Zhao Y, Cao M, McClelland JF, Lu M (2016). "Ein photoakustischer Immunoassay zur Erkennung von Biomarkern". Biosensoren und Bioelektronik. 85: 261–66. doi:10.1016/j.bios.2016.05.028. PMID 27183276.
  11. ^ Zhao Y, Huang Y, Zhao X, McClelland JF, Lu M (2016). "Nanopartikel-basierte photoakustische Analyse für hochempfindliche laterale Flussassays". Nanoskala. 8 (46): 19204–19210. doi:10.1039/c6nr05312b. PMID 27834971.
  12. ^ "Photoakustische Technik" hört "den Klang gefährlicher chemischer Mittel". Forschung & Entwicklung. 2012-08-14. Abgerufen 2017-05-10.
  13. ^ R. Prasad, Coorg; Lei, Jie; Shi, Wenhui; Li, Guangkun; Dunayevskiy, Ilya; Patel, Chandra (2012-05-01). "Laser photoakustischer Sensor für Lufttoxizitätsmessungen". Verfahren von Spie. Fortgeschrittene Umwelt-, chemische und biologische Erfassungstechnologien ix. 8366: 7. doi:10.1117/12.919241. S2CID 120310656.

Weitere Lektüre

  • Sigrist, M. W. (1994), "Luftüberwachung durch Laser -Photoakustikspektroskopie", In: Sigrist, M. W. (Editor), "Air Monitoring By Spectroscopic Techniques", Wiley, New York, S. 163–238.

Externe Links

  • Allgemeine Einführung in die photoakustische Spektroskopie: [1]
  • Photoakustische Spektroskopie bei der Überwachung der Spurengas [2]
  • Photoakustisches Spektrometer für die Spurgaserkennung basierend auf einer Helmholtz -Resonanzzelle (www.aerovia.fr) [1]
  • Photoakustischer Multi-GA-Monitor für die Spurgaserkennung basierend auf Cantilever verstärkte photoakustische Spektroskopie (www.gasera.fi)
  1. ^ Zéninari, Virginie (10. März 2007). "Spectrométrie Photoacoustique - Anwendung à l'Alalyze de Gaz".