El efecto fotoacústico o efecto optoacústico es la formación de ondas sonoras tras la absorción de luz en una muestra de material. Para obtener este efecto, la intensidad de la luz debe variar, ya sea periódicamente ( luz modulada ) o como un solo destello ( luz pulsada ). [1] [ página necesaria ] [2] El efecto fotoacústico se cuantifica midiendo el sonido formado (cambios de presión) con detectores adecuados, como micrófonos o sensores piezoeléctricos. La variación en el tiempo de la salida eléctrica (corriente o voltaje) de estos detectores es la señal fotoacústica. Estas medidas son útiles para determinar ciertas propiedades de la muestra estudiada. Por ejemplo, en espectroscopía fotoacústica , la señal fotoacústica se usa para obtener la absorción real de luz en objetos opacos o transparentes. Es útil para sustancias en concentraciones extremadamente bajas, porque se pueden usar pulsos de luz muy fuertes de un láser para aumentar la sensibilidad y se pueden usar longitudes de onda muy estrechas para la especificidad. Además, las mediciones fotoacústicas sirven como una valiosa herramienta de investigación en el estudio del calor generado en reacciones fotoquímicas (ver: fotoquímica ), particularmente en el estudio de la fotosíntesis .
En general, la radiación electromagnética de cualquier tipo puede dar lugar a un efecto fotoacústico. Esto incluye toda la gama de frecuencias electromagnéticas, desde la radiación gamma y los rayos X hasta las microondas y la radio . Aún así, gran parte de las investigaciones y aplicaciones informadas, que utilizan el efecto fotoacústico, se refieren a las regiones espectrales cercanas al ultravioleta / visible e infrarrojo .
Historia
El descubrimiento del efecto fotoacústico se remonta a 1880, cuando Alexander Graham Bell estaba experimentando con la transmisión de sonido a larga distancia. A través de su invento, llamado " fotófono ", transmitió señales vocales al reflejar la luz solar de un espejo móvil a un receptor de células solares de selenio . [3] Como subproducto de esta investigación, observó que las ondas de sonido se producían directamente a partir de una muestra sólida cuando se exponía a un rayo de luz solar que se interrumpía rápidamente con una rueda ranurada giratoria. [4] Observó que la señal acústica resultante dependía del tipo de material y razonó correctamente que el efecto era causado por la energía luminosa absorbida, que posteriormente calienta la muestra. Más tarde, Bell demostró que los materiales expuestos a las porciones no visibles (ultravioleta e infrarroja) del espectro solar también pueden producir sonidos e inventó un dispositivo, al que llamó "espectrófono", para aplicar este efecto para la identificación espectral de materiales. . [5] El mismo Bell y más tarde John Tyndall y Wilhelm Röntgen ampliaron estos experimentos, demostrando el mismo efecto en líquidos y gases. [6] [7] Sin embargo, los resultados fueron demasiado crudos, dependientes de la detección del oído, y esta técnica fue pronto abandonada. La aplicación del efecto fotoacústico tuvo que esperar hasta el desarrollo de sensores sensibles y fuentes de luz intensa. En 1938, Mark Leonidovitch Veingerov revivió el interés por el efecto fotoacústico, pudiendo utilizarlo para medir concentraciones muy pequeñas de dióxido de carbono en nitrógeno gaseoso (tan bajo como 0,2% en volumen). [8] Desde entonces, la investigación y las aplicaciones se hicieron más rápidas y amplias, adquiriendo varias veces más sensibilidad de detección.
Si bien se consideró que el efecto de calentamiento de la radiación absorbida era la causa principal del efecto fotoacústico, en 1978 se demostró que el desprendimiento de gas resultante de una reacción fotoquímica también puede causar un efecto fotoacústico. [9] Independientemente, considerando el aparente comportamiento anómalo de la señal fotoacústica de una hoja de la planta, que no podía explicarse únicamente por el efecto de calentamiento de la luz excitante, llevó a la cognición de que la evolución fotosintética de oxígeno es normalmente un contribuyente importante a la fotoacústica. señal en este caso. [10]
Mecanismos físicos
Mecanismo fototérmico
Aunque gran parte de la literatura sobre el tema se ocupa de un solo mecanismo, en realidad existen varios mecanismos diferentes que producen el efecto fotoacústico. El mecanismo universal primario es fototérmico , basado en el efecto de calentamiento de la luz y la consiguiente expansión del material absorbente de luz. En detalle, el mecanismo fototérmico consta de las siguientes etapas:
- conversión de la radiación pulsada o modulada absorbida en energía térmica.
- cambios temporales de las temperaturas en los lugares donde se absorbe la radiación: aumentan a medida que se absorbe la radiación y disminuyen cuando la radiación se detiene y el sistema se enfría.
- expansión y contracción después de estos cambios de temperatura, que se "traducen" en cambios de presión. Los cambios de presión, que ocurren en la región donde se absorbió la luz, se propagan dentro del cuerpo de la muestra y pueden ser detectados por un sensor acoplado directamente a él. Comúnmente, para el caso de una muestra de fase condensada (líquida, sólida), los cambios de presión se miden más bien en la fase gaseosa circundante (comúnmente aire), formada allí por la difusión de las pulsaciones térmicas.
La imagen física principal, en este caso, visualiza las pulsaciones de temperatura originales como el origen de ondas de temperatura que se propagan ("ondas térmicas"), [11] que viajan en la fase condensada, alcanzando finalmente la fase gaseosa circundante. Las pulsaciones de temperatura resultantes en la fase gaseosa son la causa principal de los cambios de presión allí. La amplitud de la onda térmica viajera disminuye fuertemente (exponencialmente) a lo largo de su dirección de propagación, pero si su distancia de propagación en la fase condensada no es demasiado larga, su amplitud cerca de la fase gaseosa es suficiente para crear cambios de presión detectables. [1] [ página necesaria ] [2] [12] Esta propiedad de la onda térmica confiere características únicas a la detección de la absorción de luz por el método fotoacústico. Los cambios de temperatura y presión involucrados son minúsculos, en comparación con la escala cotidiana; el orden de magnitud típico de los cambios de temperatura, utilizando intensidades de luz ordinarias, es de micro a milisegundos y los cambios de presión resultantes son de nano a microbarras.
El mecanismo fototérmico se manifiesta, además del efecto fotoacústico, también por otros cambios físicos, en particular la emisión de radiación infrarroja y cambios en el índice de refracción . En consecuencia, puede detectarse por otros medios, descritos por términos como "radiometría fototérmica", [13] "lente térmica" [14] y "deflexión del haz térmico" (también conocido popularmente como efecto " espejismo ", consulte Espectroscopia fototérmica. ). Estos métodos son paralelos a la detección fotoacústica. Sin embargo, cada método tiene su campo de aplicación especial.
Otro
Si bien el mecanismo fototérmico es universal, podrían existir otros mecanismos adicionales, superpuestos al mecanismo fototérmico, que pueden contribuir significativamente a la señal fotoacústica. Estos mecanismos están generalmente relacionados con procesos fotofísicos y reacciones fotoquímicas que siguen a la absorción de luz: (1) cambio en el balance de materia de la muestra o la fase gaseosa alrededor de la muestra; [9] (2) cambio en la organización molecular, que resulta en cambios de volumen molecular. [15] [16] Los ejemplos más destacados de estos dos tipos de mecanismos se encuentran en la fotosíntesis. [10] [15] [17] [18] [19] [20]
El primer mecanismo anterior es en su mayor parte conspicuo en una hoja de una planta que realiza la fotosíntesis . Allí, la evolución de oxígeno inducida por la luz provoca cambios de presión en la fase de aire, dando como resultado una señal fotoacústica, que es comparable en magnitud a la provocada por el mecanismo fototérmico. [10] [18] Este mecanismo se denominó provisionalmente "fotobárico". El segundo mecanismo se manifiesta en complejos subcelulares fotosintéticamente activos en suspensión (por ejemplo , centros de reacción fotosintéticos ). Allí, el campo eléctrico que se forma en el centro de reacción, siguiendo el proceso de transferencia de electrones inducida por la luz, provoca un micro electroestricción efecto con un cambio en el volumen molecular. Esto, a su vez, induce una onda de presión que se propaga en el medio macroscópico. [15] [20] Otro caso de este mecanismo es la bomba de protones de bacteriorrodopsina . Aquí, el cambio inducido por la luz en el volumen molecular es causado por cambios conformacionales que ocurren en esta proteína después de la absorción de luz. [15] [21]
Detección del efecto fotoacústico
Al aplicar el efecto fotoacústico existen varios modos de medición. Las muestras gaseosas o las muestras en fase condensada, en las que se mide la presión en la fase gaseosa circundante, generalmente se sondean con un micrófono. La escala de tiempo aplicable útil en este caso está en la escala de milisegundos a sub-segundos. Muy a menudo, en este caso, la luz de excitación se corta o modula continuamente a una cierta frecuencia (principalmente en el rango entre 10 y 10000 Hz) y la señal fotoacústica modulada se analiza con un amplificador de bloqueo para determinar su amplitud y fase. , o para los componentes en fase y cuadratura. Cuando se mide la presión dentro de la fase condensada de la muestra probada, se utilizan sensores piezoeléctricos insertados o acoplados a la propia muestra. En este caso, la escala de tiempo está entre menos de nanosegundos y muchos microsegundos [1] [ página necesaria ] [2] [22] [23] La señal fotoacústica, obtenida de los distintos sensores de presión, depende de las propiedades físicas del sistema, el mecanismo que crea la señal fotoacústica, el material absorbente de luz, la dinámica de la relajación del estado excitado y la frecuencia de modulación o el perfil de pulso de la radiación, así como las propiedades del sensor. Esto requiere procedimientos apropiados para (i) separar entre las señales debidas a diferentes mecanismos y (ii) obtener la dependencia del tiempo de la evolución de calor (en el caso del mecanismo fototérmico) o la evolución de oxígeno (en el caso de la fotobárica). mecanismo en la fotosíntesis) o la dependencia temporal de los cambios de volumen, a partir de la dependencia temporal de la señal fotoacústica resultante. [1] [ página necesaria ] [2] [12] [22] [23]
Aplicaciones
Considerando solo el mecanismo fototérmico, la señal fotoacústica es útil para medir el espectro de absorción de luz , particularmente para muestras transparentes donde la absorción de luz es muy pequeña. En este caso, el método ordinario de espectroscopia de absorción , basado en la diferencia de intensidades de un haz de luz antes y después de su paso a través de la muestra, no es práctico. En espectroscopía fotoacústica no existe tal limitación. la señal está directamente relacionada con la absorción de luz y la intensidad de la luz. La división del espectro de la señal por el espectro de la intensidad de la luz puede dar un espectro de absorción porcentual relativo, que puede calibrarse para producir valores absolutos. Esto es muy útil para detectar concentraciones muy pequeñas de varios materiales. [24] La espectroscopía fotoacústica también es útil para el caso opuesto de muestras opacas, donde la absorción es esencialmente completa. En una disposición en la que se coloca un sensor en una fase gaseosa por encima de la muestra y la luz incide en la muestra desde arriba, la señal fotoacústica resulta de una zona de absorción cercana a la superficie. Un parámetro típico que gobierna la señal en este caso es la "longitud de difusión térmica", que depende del material y de la frecuencia de modulación y normalmente es del orden de varios micrómetros . [1] [ página necesaria ] [12] La señal está relacionada con la luz absorbida en la pequeña distancia de la longitud de difusión térmica, lo que permite la determinación del espectro de absorción. [1] [ página necesaria ] [12] [25] Esto también permite analizar por separado una superficie que es distinta del grueso. [26] [27] Al variar la frecuencia de modulación y la longitud de onda de la radiación de sondeo, se varía esencialmente la profundidad de la sonda, lo que da como resultado la posibilidad de perfiles de profundidad [27] e imágenes fotoacústicas , que revelan inhomogeneidades dentro de la muestra. Este análisis incluye también la posibilidad de determinar las propiedades térmicas a partir de la señal fotoacústica. [1] [ página necesaria ]
Recientemente, se ha utilizado el enfoque fotoacústico para medir cuantitativamente macromoléculas, como proteínas. El inmunoensayo fotoacústico marca y detecta proteínas diana utilizando nanopartículas que pueden generar fuertes señales acústicas. [28] El análisis de proteínas basado en la fotoacústica también se ha aplicado para pruebas en el lugar de atención. [29]
Otra aplicación del efecto fotoacústico es su capacidad para estimar las energías químicas almacenadas en varios pasos de una reacción fotoquímica. Después de la absorción de luz se producen conversiones fotofísicas y fotoquímicas, que almacenan parte de la energía luminosa como energía química. El almacenamiento de energía conduce a una menor generación de calor. La señal fotoacústica más pequeña resultante da así una estimación cuantitativa del alcance del almacenamiento de energía. Para las especies transitorias, esto requiere la medición de la señal en la escala de tiempo relevante y la capacidad de extraer de la parte temporal de la señal la evolución de calor dependiente del tiempo, mediante una deconvolución adecuada. [19] [22] [23] Existen numerosos ejemplos para esta aplicación. [30] Una aplicación similar es el estudio de la conversión de energía luminosa en energía eléctrica en células solares. [31] Un ejemplo especial es la aplicación del efecto fotoacústico en la investigación de la fotosíntesis.
Efecto fotoacústico en la fotosíntesis.
La fotosíntesis es una plataforma muy adecuada para ser investigada por el efecto fotoacústico, proporcionando muchos ejemplos de sus diversos usos. Como se señaló anteriormente, la señal fotoacústica de las muestras de fotosíntesis húmedas (por ejemplo, microalgas en suspensión, algas marinas ) es principalmente fototérmica. La señal fotoacústica de estructuras esponjosas (hojas, líquenes ) es una combinación de contribuciones fototérmicas y fotobáricas (evolución o absorción de gas). La señal fotoacústica de las preparaciones que llevan a cabo las reacciones de transferencia de electrones primarios (por ejemplo , centros de reacción ) es una combinación de contribuciones fototérmicas y de cambios de volumen molecular. En cada caso, respectivamente, las mediciones fotoacústicas proporcionaron información sobre
- Almacenamiento de energía (es decir, la fracción de energía luminosa que se convierte en energía química en el proceso fotosintético;
- El alcance y la dinámica de la evolución y absorción de gas de las hojas o los líquenes. La mayoría de las veces es la evolución de oxígeno fotosintético la que contribuye a la señal fotoacústica; La absorción de dióxido de carbono es un proceso lento y no aparece en las mediciones fotoacústicas. Sin embargo, en condiciones muy específicas, la señal fotoacústica se vuelve negativa transitoriamente, lo que presumiblemente refleja la absorción de oxígeno. Sin embargo, esto necesita más verificación;
- Cambios de volumen molecular, que ocurren durante los pasos primarios de la transferencia de electrones fotosintéticos.
Estas mediciones proporcionaron información relacionada con el mecanismo de la fotosíntesis, además de dar indicaciones sobre la integridad y salud de la muestra.
Algunos ejemplos son: (a) la energía de los procesos de transferencia de electrones primarios , obtenida del almacenamiento de energía y del cambio de volumen molecular medidos en destellos de menos de microsegundos; (b) Las características del ciclo de oxidación de 4 pasos en el fotosistema II , [19] obtenidas para las hojas al monitorear señales fotoacústicas pulsadas y su comportamiento oscilatorio bajo repetidos destellos de luz excitantes; (c) las características del fotosistema I y el fotosistema II de la fotosíntesis ( espectro de absorción , distribución de la luz a los dos fotosistemas) y sus interacciones. Esto se obtiene utilizando luz modulada continuamente de una determinada longitud de onda específica para excitar la señal fotoacústica y medir los cambios en el almacenamiento de energía y la evolución de oxígeno causados por la luz de fondo en varias longitudes de onda elegidas.
En general, las mediciones fotoacústicas del almacenamiento de energía requieren una muestra de referencia para comparar. Es una muestra con exactamente la misma absorción de luz (a la longitud de onda de excitación dada) pero que degrada completamente toda la luz absorbida en calor dentro del tiempo de resolución de la medición. Es una suerte que los sistemas fotosintéticos se autocalibren, proporcionando tal referencia en una muestra, de la siguiente manera: uno compara dos señales: una, que se obtiene con la luz modulada / pulsada de sondeo sola y la otra cuando una luz constante no modulada (conocida como luz de fondo ), que es lo suficientemente fuerte como para llevar la fotosíntesis a la saturación. [32] [33] [34] La luz fija agregada no produce ningún efecto fotoacústico por sí misma, pero cambia la respuesta fotoacústica debido a la luz de sondeo modulada / pulsada. La señal resultante sirve como referencia para todas las demás mediciones en ausencia de la luz de fondo. La parte fototérmica de la señal de referencia es máxima, ya que en la saturación fotosintética no se almacena energía. Al mismo tiempo, la contribución de los otros mecanismos tiende a cero en la saturación. Por tanto, la señal de referencia es proporcional a la energía luminosa absorbida total.
Para separar y definir las contribuciones fotobáricas y fototérmicas en muestras esponjosas (hojas, líquenes) se utilizan las siguientes propiedades de la señal fotoacústica: (1) A bajas frecuencias (por debajo de aproximadamente 100 Hz), la parte fotobárica de la señal fotoacústica puede ser bastante grande y la señal total disminuye bajo la luz de fondo. La señal fotobárica se obtiene en principio a partir de la diferencia de señales (la señal total menos la señal de referencia, después de una corrección para tener en cuenta el almacenamiento de energía). (2) Sin embargo, a frecuencias suficientemente altas, la señal fotobárica se atenúa mucho en comparación con el componente fototérmico y puede despreciarse. Además, no se puede observar ninguna señal fotobárica incluso a bajas frecuencias en una hoja con su espacio de aire interior lleno de agua. Esto también se aplica a los talos de algas vivas, suspensiones de microalgas y bacterias fotosintéticas. Esto se debe a que la señal fotobárica depende de la difusión de oxígeno desde las membranas fotosintéticas a la fase de aire y se atenúa en gran medida a medida que aumenta la distancia de difusión en el medio acuoso. En todos los casos anteriores, cuando no se observa ninguna señal fotobárica, se puede determinar el almacenamiento de energía comparando la señal fotoacústica obtenida con la luz de sondeo sola, con la señal de referencia. Los parámetros obtenidos de las mediciones anteriores se utilizan de diversas formas. El almacenamiento de energía y la intensidad de la señal fotobárica están relacionados con la eficiencia de la fotosíntesis y pueden usarse para monitorear y seguir la salud de los organismos fotosintetizadores. También se utilizan para obtener una visión mecanicista del proceso fotosintético: la luz de diferentes longitudes de onda permite obtener el espectro de eficiencia de la fotosíntesis, la distribución de la luz entre los dos fotosistemas de la fotosíntesis e identificar diferentes taxones de fitoplancton. [35] El uso de láseres pulsados proporciona información termodinámica y cinética sobre los pasos primarios de transferencia de electrones de la fotosíntesis.
Ver también
- Efecto auditivo de microondas
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