Spectroscopie photoacoustique - Photoacoustic spectroscopy

La spectroscopie photoacoustique est la mesure de l'effet de l'énergie électromagnétique absorbée (notamment de la lumière ) sur la matière au moyen d' une détection acoustique . La découverte de l'effet photoacoustique remonte à 1880 lorsque Alexander Graham Bell a montré que les disques minces émettaient du son lorsqu'ils étaient exposés à un faisceau de lumière solaire qui était rapidement interrompu par un disque fendu en rotation. L' énergie absorbée par la lumière provoque un échauffement local , générant une dilatation thermique qui crée une onde de pression ou un son. Plus tard, Bell a montré que les matériaux exposés aux parties non visibles du spectre solaire (c'est-à-dire l' infrarouge et l' ultraviolet ) peuvent également produire des sons.

Un spectre photoacoustique d'un échantillon peut être enregistré en mesurant le son à différentes longueurs d' onde de la lumière. Ce spectre peut être utilisé pour identifier les composants absorbants de l'échantillon. L'effet photoacoustique peut être utilisé pour étudier les solides , les liquides et les gaz .

Usages et techniques

Exemple de montage d'un spectroscope photoacoustique pour l'analyse de gaz

La spectroscopie photoacoustique est devenue une technique puissante pour étudier les concentrations de gaz au niveau de la partie par milliard ou même de la partie par billion. Les détecteurs photoacoustiques modernes reposent toujours sur les mêmes principes que l'appareil de Bell ; cependant, pour augmenter la sensibilité , plusieurs modifications ont été apportées.

Au lieu de la lumière du soleil, des lasers intenses sont utilisés pour illuminer l'échantillon puisque l' intensité du son généré est proportionnelle à l'intensité lumineuse ; cette technique est appelée spectroscopie photoacoustique laser (LPAS). L'oreille a été remplacée par des microphones sensibles . Les signaux du microphone sont encore amplifiés et détectés à l'aide d' amplificateurs de verrouillage . En enfermant l'échantillon gazeux dans une chambre cylindrique, le signal sonore est amplifié en accordant la fréquence de modulation à une résonance acoustique de la cellule d'échantillon.

En utilisant la spectroscopie photoacoustique améliorée en porte- à- faux, la sensibilité peut encore être améliorée, ce qui permet une surveillance fiable des gaz au niveau ppb.

Exemple

L'exemple suivant illustre le potentiel de la technique photoacoustique : Au début des années 1970, Patel et ses collaborateurs ont mesuré la variation temporelle de la concentration d' oxyde nitrique dans la stratosphère à une altitude de 28 km avec un détecteur photoacoustique embarqué. Ces mesures ont fourni des données cruciales sur le problème de l'appauvrissement de la couche d' ozone par l'émission d'oxyde nitrique d'origine humaine. Certains des premiers travaux se sont appuyés sur le développement de la théorie RG par Rosencwaig et Gersho.

Applications de la spectroscopie photoacoustique

Une des capacités importantes de l'utilisation de la spectroscopie photoacoustique FTIR a été la capacité d'évaluer des échantillons dans leur état in situ par spectroscopie infrarouge , qui peut être utilisée pour détecter et quantifier des groupes fonctionnels chimiques et donc des substances chimiques . Ceci est particulièrement utile pour les échantillons biologiques qui peuvent être évalués sans être réduits en poudre ou soumis à des traitements chimiques. Des coquillages, des os et des échantillons similaires ont été étudiés. L'utilisation de la spectroscopie photoacoustique a permis d'évaluer les interactions moléculaires dans l'os avec l'ostéogenèse imparfaite.

Alors que la plupart des recherches universitaires se sont concentrées sur les instruments à haute résolution, certains travaux sont allés dans la direction opposée. Au cours des vingt dernières années, des instruments à très faible coût pour des applications telles que la détection de fuites et le contrôle de la concentration de dioxyde de carbone ont été développés et commercialisés. Typiquement, on utilise des sources thermiques à faible coût qui sont modulées électroniquement. La diffusion à travers des disques semi-perméables au lieu de vannes pour l'échange de gaz, des microphones à faible coût et un traitement de signal propriétaire avec des processeurs de signal numériques ont réduit les coûts de ces systèmes. L'avenir des applications à faible coût de la spectroscopie photoacoustique pourrait être la réalisation d'instruments photoacoustiques micro-usinés entièrement intégrés.

L'approche photoacoustique a été utilisée pour mesurer quantitativement des macromolécules, telles que des protéines. Le dosage immunologique photoacoustique marque et détecte les protéines cibles à l'aide de nanoparticules capables de générer des signaux acoustiques puissants. L'analyse des protéines basée sur la photoacoustique a également été appliquée pour les tests aux points de service.

La spectroscopie photoacoustique a également de nombreuses applications militaires. Une de ces applications est la détection d'agents chimiques toxiques. La sensibilité de la spectroscopie photoacoustique en fait une technique d'analyse idéale pour détecter les traces chimiques associées aux attaques chimiques.

Les capteurs LPAS peuvent être appliqués dans l'industrie, la sécurité ( détection d' agents neurotoxiques et d'explosifs) et la médecine (analyse respiratoire).

Les références

Lectures complémentaires

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

Liens externes

• Introduction générale à la spectroscopie photoacoustique : [1]
• Spectroscopie photoacoustique dans la surveillance des gaz traces [2]
• Spectromètre photoacoustique pour la détection de gaz traces basé sur une cellule résonante de Helmholtz (www.aerovia.fr)
• Moniteur multigaz photoacoustique pour la détection de gaz traces basé sur la spectroscopie photoacoustique améliorée en porte- à- faux ( www.gasera.fi )