Espectroscopia fotoacústica - Photoacoustic spectroscopy

A espectroscopia fotoacústica é a medição do efeito da energia eletromagnética absorvida (principalmente da luz ) na matéria por meio de detecção acústica . A descoberta do efeito fotoacústico data de 1880, quando Alexander Graham Bell mostrou que discos finos emitiam som quando expostos a um raio de sol que era rapidamente interrompido por um disco rotativo com fenda. A energia absorvida da luz causa aquecimento local , gerando uma expansão térmica que cria uma onda de pressão ou som. Posteriormente, Bell mostrou que os materiais expostos às porções não visíveis do espectro solar (ou seja, o infravermelho e o ultravioleta ) também podem produzir sons.

Um espectro fotoacústico de uma amostra pode ser gravado medindo o som em diferentes comprimentos de onda da luz. Este espectro pode ser usado para identificar os componentes absorventes da amostra. O efeito fotoacústico pode ser usado para estudar sólidos , líquidos e gases .

Usos e técnicas

Conjunto exemplar de um espectroscópio fotoacústico para análise de gás

A espectroscopia fotoacústica se tornou uma técnica poderosa para estudar concentrações de gases em níveis de parte por bilhão ou mesmo parte por trilhão. Os detectores fotoacústicos modernos ainda contam com os mesmos princípios dos aparelhos de Bell; no entanto, para aumentar a sensibilidade , várias modificações foram feitas.

Em vez de luz solar, lasers intensos são usados ​​para iluminar a amostra, uma vez que a intensidade do som gerado é proporcional à intensidade da luz; esta técnica é conhecida como espectroscopia fotoacústica a laser (LPAS). O ouvido foi substituído por microfones sensíveis . Os sinais do microfone são posteriormente amplificados e detectados usando amplificadores lock-in . Ao encerrar a amostra gasosa em uma câmara cilíndrica, o sinal de som é amplificado ajustando a frequência de modulação para uma ressonância acústica da célula de amostra.

Usando o cantilever, a sensibilidade da espectroscopia fotoacústica ainda pode ser melhorada, permitindo o monitoramento confiável de gases no nível ppb.

Exemplo

O exemplo a seguir ilustra o potencial da técnica fotoacústica: No início dos anos 1970, Patel e colegas mediram a variação temporal da concentração de óxido nítrico na estratosfera a uma altitude de 28 km com um detector fotoacústico transportado por balão. Essas medições forneceram dados cruciais sobre o problema da redução da camada de ozônio pela emissão de óxido nítrico pelo homem. Alguns dos primeiros trabalhos basearam-se no desenvolvimento da teoria RG de Rosencwaig e Gersho.

Aplicações da espectroscopia fotoacústica

Um dos recursos importantes do uso da espectroscopia fotoacústica FTIR tem sido a capacidade de avaliar amostras em seu estado in situ por espectroscopia de infravermelho , que pode ser usada para detectar e quantificar grupos funcionais químicos e, portanto, substâncias químicas . Isso é particularmente útil para amostras biológicas que podem ser avaliadas sem esmagamento em pó ou submetidas a tratamentos químicos. Conchas do mar, ossos e outras amostras foram investigadas. O uso da espectroscopia fotoacústica tem ajudado a avaliar as interações moleculares no osso com a osteogênese imperfeita.

Embora a maior parte da pesquisa acadêmica tenha se concentrado em instrumentos de alta resolução, alguns trabalhos foram na direção oposta. Nos últimos vinte anos, instrumentos de baixíssimo custo para aplicações como detecção de vazamentos e controle da concentração de dióxido de carbono foram desenvolvidos e comercializados. Normalmente, são utilizadas fontes térmicas de baixo custo moduladas eletronicamente. A difusão por meio de discos semipermeáveis ​​em vez de válvulas para troca gasosa, microfones de baixo custo e processamento de sinal proprietário com processadores de sinal digital reduziram os custos desses sistemas. O futuro das aplicações de baixo custo da espectroscopia fotoacústica pode ser a realização de instrumentos fotoacústicos microusinados totalmente integrados.

A abordagem fotoacústica tem sido utilizada para medir quantitativamente macromoléculas, como proteínas. O imunoensaio fotoacústico rotula e detecta proteínas alvo usando nanopartículas que podem gerar fortes sinais acústicos. A análise de proteínas com base em fotoacústica também foi aplicada em testes de ponto de atendimento.

A espectroscopia fotoacústica também tem muitas aplicações militares. Uma dessas aplicações é a detecção de agentes químicos tóxicos. A sensibilidade da espectroscopia fotoacústica a torna uma técnica de análise ideal para detectar traços de substâncias químicas associadas a ataques químicos.

Os sensores LPAS podem ser aplicados na indústria, segurança ( detecção de agente nervoso e explosivos) e medicina (análise da respiração).

Referências

Leitura adicional

• Sigrist, MW (1994), "Air Monitoring by Laser Photoacoustic Spectroscopy," em: Sigrist, MW (editor), "Air Monitoring by Spectroscopic Techniques," Wiley, New York, pp. 163-238.

links externos

• Introdução geral à espectroscopia fotoacústica: [1]
• Espectroscopia fotoacústica no monitoramento de gases traço [2]
• Espectrômetro fotoacústico para detecção de gases traço baseado em Helmholtz Resonant Cell (www.aerovia.fr)
• Monitor fotoacústico multigás para detecção de gases traço com base em espectroscopia fotoacústica aprimorada em cantilever ( www.gasera.fi )