Espectroscopia fotoacústica

Fotoacústica espectroscopia es la medición del efecto de la energía electromagnética absorbida (en particular de la luz) en la materia mediante la detección acústica. El descubrimiento del efecto fotoacústico data de 1880 cuando Alexander Graham Bell mostró que discos delgados emitieron sonido cuando se exponía a un rayo de luz solar que se interrumpió rápidamente con un disco ranurado giratorio. La energía absorbida de la luz provoca la calefacción local, generando una expansión térmica que crea una onda de presión o sonido. Más tarde Bell mostró que los materiales expuestos a las partes no visibles del espectro solar (es decir, el infrarrojo y el ultravioleta) también pueden producir sonidos.

Se puede registrar un espectro fotoacústico de una muestra midiendo el sonido en diferentes longitudes de onda de la luz. Este espectro se puede utilizar para identificar los componentes absorbentes de la muestra. El efecto fotoacústico se puede utilizar para estudiar sólidos, líquidos y gases.

Usos y técnicas

La espectroscopia fotoacústica se ha convertido en una técnica poderosa para estudiar concentraciones de gases en niveles de partes por mil millones o incluso partes por billón. Los detectores fotoacústicos modernos todavía se basan en los mismos principios que los aparatos de Bell; sin embargo, para aumentar la sensibilidad se han realizado varias modificaciones.

En lugar de luz solar, se utilizan láseres intensos para iluminar la muestra ya que la intensidad del sonido generado es proporcional a la intensidad de la luz; esta técnica se conoce como espectroscopia fotoacústica láser (LPAS). El oído ha sido sustituido por micrófonos sensibles. Las señales del micrófono se amplifican y detectan aún más mediante amplificadores lock-in. Al encerrar la muestra gaseosa en una cámara cilíndrica, la señal de sonido se amplifica sintonizando la frecuencia de modulación a una resonancia acústica de la celda de muestra.

Mediante el uso de espectroscopía fotoacústica mejorada en voladizo, la sensibilidad se puede mejorar aún más, permitiendo un monitoreo confiable de gases a nivel de ppb.

Ejemplo

El siguiente ejemplo ilustra el potencial de la técnica fotoacústica: A principios de la década de 1970, Patel y sus colaboradores midieron la variación temporal de la concentración de óxido nítrico en la estratosfera a una altitud de 28 km con un detector fotoacústico montado en un globo. . Estas mediciones proporcionaron datos cruciales relacionados con el problema del agotamiento del ozono debido a las emisiones de óxido nítrico provocadas por el hombre. Algunos de los primeros trabajos se basaron en el desarrollo de la teoría RG por parte de Rosencwaig y Gersho.

Aplicaciones

Una de las capacidades importantes del uso de la espectroscopia fotoacústica FTIR ha sido la capacidad de evaluar muestras en su estado in situ mediante espectroscopia infrarroja, que puede usarse para detectar y cuantificar grupos funcionales químicos y, por lo tanto, sustancias. Esto es particularmente útil para muestras biológicas que pueden evaluarse sin triturarse hasta convertirlas en polvo ni someterse a tratamientos químicos. Se han investigado conchas marinas, huesos y muestras similares. El uso de espectroscopia fotoacústica ha ayudado a evaluar las interacciones moleculares en el hueso con la osteogénesis imperfecta.

Si bien la mayor parte de la investigación académica se ha concentrado en instrumentos de alta resolución, algunos trabajos han ido en la dirección opuesta. En los últimos veinte años se han desarrollado y comercializado instrumentos de muy bajo coste para aplicaciones como la detección de fugas y el control de la concentración de dióxido de carbono. Normalmente se utilizan fuentes térmicas de bajo coste que se modulan electrónicamente. La difusión a través de discos semipermeables en lugar de válvulas para el intercambio de gases, micrófonos de bajo costo y procesamiento de señales patentado con procesadores de señales digitales han reducido los costos de estos sistemas. El futuro de las aplicaciones de espectroscopia fotoacústica de bajo costo puede ser la realización de instrumentos fotoacústicos micromecanizados totalmente integrados.

El enfoque fotoacústico se ha utilizado para medir cuantitativamente macromoléculas, como las proteínas. El inmunoensayo fotoacústico marca y detecta proteínas objetivo utilizando nanopartículas que pueden generar fuertes señales acústicas. El análisis de proteínas basado en fotoacústica también se ha aplicado para pruebas en el lugar de atención.

La espectroscopia fotoacústica también tiene muchas aplicaciones militares. Una de esas aplicaciones es la detección de agentes químicos tóxicos. La sensibilidad de la espectroscopia fotoacústica la convierte en una técnica de análisis ideal para detectar trazas de sustancias químicas asociadas con ataques químicos.

Los sensores LPAS se pueden aplicar en la industria, la seguridad (detección de agentes nerviosos y explosivos) y la medicina (análisis del aliento).