La espectroscopia fotoacústica es la medida del efecto de la energía electromagnética absorbida (particularmente de la luz ) sobre la materia mediante detección acústica . El descubrimiento del efecto fotoacústico se remonta a 1880 cuando Alexander Graham Bell mostró que los discos delgados emitían sonido cuando se exponían a un rayo de luz solar que se interrumpía rápidamente con un disco ranurado giratorio. La energía absorbida de la luz provoca un calentamiento local , generando una expansión térmica que crea una presión.onda o sonido. Más tarde, Bell demostró que los materiales expuestos a las porciones 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 . [1]
Usos y técnicas
La espectroscopia fotoacústica se ha convertido en una técnica poderosa para estudiar concentraciones de gases en niveles de parte por billón o incluso parte por billón. [2] 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 la luz del sol, 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). [2] La oreja ha sido reemplazada por micrófonos sensibles . Las señales del micrófono se amplifican y detectan aún más mediante amplificadores de bloqueo . [ cita requerida ] 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. [ cita requerida ]
Mediante el uso de espectroscopía fotoacústica mejorada en voladizo, la sensibilidad aún puede mejorarse aún más, lo que permite 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 [3] midieron la variación temporal de la concentración de óxido nítrico en la estratosfera a una altitud de 28 km con un detector fotoacústico transportado por globos. . Estas mediciones proporcionaron datos cruciales relacionados con el problema del agotamiento del ozono por la emisión de óxido nítrico artificial. Algunos de los primeros trabajos se basaron en el desarrollo de la teoría RG por Rosencwaig y Gersho. [4] [5]
Aplicaciones de la espectroscopia fotoacústica
Una de las capacidades importantes del uso de la espectroscopía fotoacústica FTIR ha sido la capacidad de evaluar muestras en su estado in situ mediante espectroscopía infrarroja , que puede usarse para detectar y cuantificar grupos funcionales químicos y, por lo tanto, sustancias químicas . Esto es particularmente útil para muestras biológicas que se pueden evaluar sin triturar hasta convertirlas en polvo o someterlas a tratamientos químicos. Se han investigado conchas marinas, huesos y muestras similares. [6] [7] [8] El uso de la espectroscopia fotoacústica ha ayudado a evaluar las interacciones moleculares en el hueso con la osteogénesis imperfecta. [9]
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 para 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, los micrófonos de bajo costo y el procesamiento de señales patentado con procesadores de señales digitales han reducido los costos de estos sistemas. El futuro de las aplicaciones de bajo costo de la espectroscopia fotoacústica puede ser la realización de instrumentos fotoacústicos micromecanizados totalmente integrados.
El enfoque fotoacústico se ha utilizado para medir cuantitativamente macromoléculas, como proteínas. El inmunoensayo fotoacústico marca y detecta proteínas diana utilizando nanopartículas que pueden generar fuertes señales acústicas. [10] El análisis de proteínas basado en la fotoacústica también se ha aplicado para pruebas en el lugar de atención. [11]
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. [12]
Los sensores LPAS se pueden aplicar en la industria, la seguridad ( detección de agentes nerviosos y explosivos) y la medicina (análisis del aliento). [13]
Referencias
- ^ Espectroscopía fotoacústica de David W.Ball Archivado el 16 de diciembre de 2010 en Wayback Machine Spectroscopy, Volumen 21, Número 9, 1 de septiembre de 2006
- ^ a b "Técnica fotoacústica 'escucha' el sonido de agentes químicos peligrosos" , Revista R&D , rdmag.com, 14 de agosto de 2012 , consultado el 8 de septiembre de 2012
- ^ CKN Patel, EG Burkhardt, CA Lambert, 'Mediciones espectroscópicas de óxido nítrico estratosférico y vapor de agua', Science, 184, 1173-1176 (1974)
- ^ A. Rosencwaig, 'Aspectos teóricos de la espectroscopia fotoacústica', Journal of Applied Physics, 49, 2905-2910 (1978)
- ^ A. Rosencwaig, A. Gersho 'Teoría del efecto fotoacústico con sólidos', Journal of Applied Physics, 47, 64-69 (1976)
- ^ D. Verma, KS Katti, DR Katti Naturaleza del agua en nácar: un estudio espectroscópico FTIR 2D ', Spectrochimica Acta parte A, 67, 784–788 (2007)
- ^ D. Verma, KS Katti, DR Katti 'Estudio espectroscópico FTIR fotoacústico natural de nácar intacto de abulón rojo', Spectrochimica Acta, 64, 1051-1057, (2006)
- ^ C. Gu, DR Katti, KS Katti Estudio espectroscópico fotoacústico FTIR de hueso cortical humano intacto ', Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy, 103, 25-37, (2013)
- ^ C. Gu, DR Katti, KS Katti Estudios espectroscópicos infrarrojos fotoacústicos y microestructurales del hueso cortical humano con osteogénesis imperfecta ', Journal of Minerals, Metals and Materials Society, 68, 1116-1127, (2016)
- ^ Zhao Y, Cao M, McClelland JF, Lu M (2016). "Un inmunoensayo fotoacústico para la detección de biomarcadores". Biosensores y Bioelectrónica . 85 : 261–66. doi : 10.1016 / j.bios.2016.05.028 . PMID 27183276 .
- ^ Zhao Y, Huang Y, Zhao X, McClelland JF, Lu M (2016). "Análisis fotoacústico basado en nanopartículas para ensayos de flujo lateral de alta sensibilidad". Nanoescala . 8 (46): 19204-19210. doi : 10.1039 / C6NR05312B . PMID 27834971 .
- ^ "Técnica fotoacústica 'escucha' el sonido de agentes químicos peligrosos" . Investigación y desarrollo . 2012-08-14 . Consultado el 10 de mayo de 2017 .
- ^ R. Prasad, Coorg; Lei, Jie; Shi, Wenhui; Li, Guangkun; Dunayevskiy, Ilya; Patel, Chandra (1 de mayo de 2012). "Sensor fotoacústico láser para mediciones de toxicidad del aire" . Procedimientos de SPIE . Tecnologías avanzadas de detección ambiental, química y biológica IX. 8366 : 7. doi : 10.1117 / 12.919241 . S2CID 120310656 .
Otras lecturas
- Sigrist, MW (1994), "Monitorización del aire mediante espectroscopia fotoacústica láser", en: Sigrist, MW (editor), "Monitorización del aire mediante técnicas espectroscópicas", Wiley, Nueva York, págs. 163-238.
enlaces externos
- Introducción general a la espectroscopia fotoacústica: [1]
- Espectroscopía fotoacústica en la monitorización de gases traza [2]
- Espectrómetro fotoacústico para la detección de gases traza basado en una celda resonante de Helmholtz (www.aerovia.fr) [1]
- Monitor fotoacústico de gases múltiples para la detección de trazas de gas basado en espectroscopia fotoacústica mejorada en voladizo ( www.gasera.fi )
- ^ Zéninari, Virginie (10 de marzo de 2007). "Spectrométrie photoacoustique - Application à l'analyse de gaz" .